[发明专利]气垫船姿态调节的主动时滞反馈控制方法

摘要

本发明提供的是一种气垫船姿态调节的主动时滞反馈控制装置。包括安装在气垫船四周的水枪、控制器和转换逻辑，气垫船传感器系统得到气垫船姿态信息输入控制器，控制器根据这些信息得到控制器的控制信号，所述控制信号进入转换逻辑、计算出各个水枪所需提供的动力，最后通过水枪对于气垫船的姿态进行调整。本发明实现了气垫船静态姿态的在线调节，改善了惯性时延的影响，具有良好的实时性和鲁棒性。

主权项

一种气垫船姿态调节的主动时滞反馈控制方法，其特征是：通过气垫船传感器系统得到气垫船姿态信息，根据所述姿态信息得到控制器的控制信号，所述控制信号进入转换逻辑，计算出安装在气垫船四周的各个水枪所需提供的动力，最后通过作为执行器机构的水枪对于气垫船的姿态进行调整，具体为：步骤一、建立气垫船六自由度模型：气垫船的六自由度运动模型为：其中，u——X轴方向的速度，ξ——X轴上的位置，为ξ的一阶导数；v——Y轴方向的速度，η——Y轴上的位置，为η的一阶导数；w——Z轴方向的速度，ζ——Z轴上的位置，为ζ的一阶导数；p——绕X轴运动的角速度，——绕X轴的姿态角，为的一阶导数；q——绕Y轴运动的角速度，θ——绕Y轴的姿态角，为θ的一阶导数；r——绕Z轴运动的角速度，ψ——绕Z轴的姿态角；为ψ的一阶导数；步骤二、建立气垫船在海平面上在海洋环境影响下主动控制的状态空间模型：Mx·+Dx=τ+bΩ·=S(Ω)x---(2)]]>其中x＝(u v w p q r)T，M＝MT＞0为带有附加质量的惯性矩阵，D>0为线性阻尼矩阵，S(Ω)为转换矩阵，τ为控制量，b为环境干扰，且环境干扰有界，具体形式为：||b||2=∫0∞b(t)Tb(t)dt<∞]]>将横摇和纵摇的姿态角的和作为控制的输出：y(t)＝Cx(t)  (3)其中C＝(0,0,0,1,1,0)T得到气垫船的静止状态下的近似的状态空间模型：x·(t)=Ax(t)+B1τ(t)+B2b(t)y(t)=Cx(t)---(4)]]>其中步骤三、将控制率设计为：τ(t)＝Kx(t‑d)  (5)其中d为大于0的数；K为控制器增益；得到闭环系统：x·(t)=Ax(t)+B1Kx(x-d)+B2b(t)y(t)=Cx(t)---(6)]]>构造Lyapunov‑Krasovskii函数：V(t)=xT(t)Px(t)+d∫-d0∫t+stx·(s)Qx·(s)ds---(7)]]>其中P>0，Q>0；令b(t)＝0，将公式(7)沿公式(6)微分可得：V·(t)=[Ax(t)+B1Kx(t-d)]TPx(t)+xT(t)P[Ax(t)+B1Kx(t-d)]+d2x·(t)Qx·(t)-d∫-d0x·(t+s)Qx·(t+s)ds---(8)]]>式(8)中存在不等式关系：-d∫-d0x·T(t+s)Qx·(t+s)ds≤xT(t)xT(t-d)-QQ*-Qx(t)x(t-d)---(9)]]>其中*表示矩阵中对称元素的转置，令x(t)＝(x(t)xT(t‑d))T，则有记(A B1K)＝Δ，将公式(8)简化为：V·(t)≤χT(t)[Π+d2ΔTQΔ]χ(t)]]>其中再建立能够保证H‑infinity性能的条件，并取消b(t)＝0的限制，则得到其中Υ＝(A B1K D)，Λ＝(C 0 0)；Θ=ATP+PA-QPB1KPD*-Q0**-γ2I]]>根据Lyapunov‑Krasovskii稳定性理论，保证闭环系统渐近稳定的条件是Θ+d2ΥTQΥ+ΛTΛ＜0即成立，进而可以得到∫0∞V·(t)+yT(t)y(t)-γ2bT(t)b(t)dt≤0]]>再根据Schur补引理得到ATP+PA-QPB1KPDdATQCT*Q0dKTB1TQ0**-γ2IdDTQ0***-Q0****-I<0]]>利用线性矩阵不等式的求解工具LMI工具箱，对以上矩阵不等式进行求解，得到控制器增益K；步骤四、构造转换逻辑，具体为：根据控制器所得到的信号，对于控制信号进行计算，从而获得所应该提供的动力大小；步骤五、在气垫船的四周加入水枪，水枪的发生方向垂直于海平面，从步骤四中得到的水枪动力分配信号进入执行器结构，使得水枪工作，从而产生调节气垫船姿态的控制力，从而实现静止状态下气垫船的姿态调节。