全浸式水翼艇纵向运动控制方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911063725.4 (22)申请日 2019.11.04 (71)申请人 哈尔滨工程大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南 通大街145号哈尔滨工程大学科技处 知识产权办公室 (72)发明人 李冰杨洋 (51)Int.Cl. G05D 1/04(2006.01) (54)发明名称 一种全浸式水翼艇纵向运动控制方法 (57)摘要 本发明公开了一种全浸式水翼艇纵向运动 控制方法， 首先,为全浸式水翼艇建立状态方程。 然后根据水翼艇的数学模型首先设计鲁棒重复 控制。

2、器， 然后将鲁棒重复控制器和全浸式水翼艇 系统看作广义的被控对象， 设计非奇异终端滑模 控制器， 避免了非奇异性， 并减弱系统了不确定 性。 本发明采用了鲁棒重复控制算法对全浸式水 翼艇进行控制研究， 通过纯滞后正反馈环节将上 一个周期的控制输入信号添加到本周期的控制 输入中， 调节并产生本周期的控制输入。 如此循 序渐进， 最终实现对任意周期目标输入信号的无 稳态误差跟踪， 控制精度高、 实现简单提高了系 统的实时性， 使系统能快速地控制水翼艇的姿 态， 并且本发明采用了滑模控制， 使系统的稳定 性得到了极大的提高。 权利要求书2页 说明书8页 附图3页 CN 110850886 A 202。

3、0.02.28 CN 110850886 A 1.一种全浸式水翼艇纵向运动控制方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 步骤一： 根据全浸式水翼艇的纵向运动状态方程初始化参数， 参数包括： Ap,Bp,Cp,Dp所 述运动状态方程满足： u(t) 1, 2T w(t)F,MT 其中， Ap,Bp,Cp,Dp为水翼艇系统参数， A,B为系统不确定性参数， xp(t)为状态变量， u(t)为控制变量， w(t)为外界干扰， y(t)为输出变量， h为升沉量， 为纵倾角， 1, 2为水翼倾 角， F,M分别为干扰力和干扰力矩； 步骤二： 根据纵向运动状态方程， 设计鲁棒重复控制算法； 步骤三： 得到以鲁。

4、棒重复控制器和全浸式水翼艇系统为广义控制对象的系统数学模 型； 步骤四： 构建滑模控制器， 设计滑模控制律。 2.根据权利要求1所述的一种全浸式水翼艇纵向运动控制方法， 其特征在于： 步骤二具 体包括： 步骤二(A)： 初始化时滞常数T和水翼艇的低通滤波器的剪切频率c； 步骤二(B)： 设计一阶低通滤波器为 步骤二(C)： 设计状态反馈控制器系数Ke、 Kp。 3.根据权利要求2所述的一种全浸式水翼艇纵向运动控制方法， 其特征在于： 状态反馈 控制器系数Ke、 Kp满足： FpKp-KeCp FeKe 其中，其中X1， Y2为正定对称矩阵， W1， W2为矩阵， 定义11、 12、 14、 2。

5、2、 24， 具体为： 14 BpW2 22-2cX2 24 cY2 权利要求书 1/2 页 2 CN 110850886 A 2 且其中 和 为初始化给定的正数， X2， Y1， 为 正定对称矩阵。 4.根据权利要求1所述的一种全浸式水翼艇纵向运动控制方法， 其特征在于： 步骤三所 述系统数学模型具体为： 其中xc(t) 为低通滤波器状态变量。 5.根据权利要求1所述的一种全浸式水翼艇纵向运动控制方法， 其特征在于： 步骤四所 述滑模控制律具体为： 非奇异滑模面为： 其中为初始化给定值， 0， p和q(pq)为初始化给定的正奇数， x1h， 非奇异快速滑模控制律设计为： 其中，|CW(t)|。

6、lg， 为初始化给定值， 0。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110850886 A 3 一种全浸式水翼艇纵向运动控制方法 技术领域 0001 本发明属于船舶控制领域， 涉及一种全浸式水翼艇纵向运动控制方法， 特别是一 种采用鲁棒滑模重复控制算法的全浸式水翼艇纵向运动控制方法。 背景技术 0002 现代水翼船是人类突破阿基米德原理， 解决海上交通运输信念的产物， 是航空技 术与航海技术的结晶。 对于一般排水型船舶而言， 当付汝德数大于0.35时， 会引起行兴波阻 力的急剧增加。 这样， 如果进一步提高船速将会引起动力装置功率的急剧增加， 这必然导致 船的体积增大， 并且反过来又使得流体对船。

7、的阻力增大。 因此， 当排水型水面舰船的航速达 到一定的数值时， 进一步提高船速是困难的。 克服这一困难的唯一途径是将艇体托出水面 而降低阻力。 作为典型的高性能船舶， 全浸式水翼艇在高速巡航过程中， 水翼上产生的升力 能够将船体完全托出水面， 而不是仅仅减小船体的浸深。 这种独特的翼航航行模式克服了 兴波阻力和摩擦阻力对船体的影响， 较好地解决了航速提高与阻力增加的矛盾， 大大减轻 了船体所受的海浪冲击。 与排水量相近的其他船型相比， 全浸式水翼艇具有优良的适航性。 但是在高速翼航状态下， 水翼升力作用把艇体完全托出水面， 使水翼艇自稳性缺失。 因此研 究全浸式水翼艇翼航高性能姿态稳定控制策。

8、略具有鲜明的现实意义。 0003 在工业应用中， 经常会遇到许多具有周期性的控制任务， 这时需要控制系统对周 期性参考输入信号进行高精度跟踪。 重复控制为解决这类问题提供了切实可行的解决方 法， 通过纯滞后正反馈环节将上一个周期的控制输入信号添加到本周期的控制输入中， 调 节并产生本周期的控制输入。 如此循序渐进， 最终实现对任意周期目标输入信号的无稳态 误差跟踪， 重复控制因为控制精度高、 实现简单等独特的性质， 在运动控制、 过程控制、 机器 人控制系统等领域得到了广泛应用。 本发明将重复控制与滑模控制相结合， 首次应用于全 浸式水翼艇上， 达到减弱外界扰动和系统本身的不确定性的目的。 发。

9、明内容 0004 针对上述现有技术， 本发明要解决的技术问题是提供一种实现对任意周期目标输 入信号的无稳态误差跟踪、 将重复控制与滑模控制相结合的全浸式水翼艇纵向运动控制方 法。 0005 为解决上述技术问题， 本发明的一种全浸式水翼艇纵向运动控制方法， 包括以下 步骤： 0006 步骤一： 根据全浸式水翼艇的纵向运动状态方程初始化参数， 参数包括： Ap,Bp,Cp, Dp 0007 运动状态方程满足： 0008 说明书 1/8 页 4 CN 110850886 A 4 0009 0010 u(t) 1, 2T 0011 w(t)F,MT 0012 其中， Ap,Bp,Cp,Dp为水翼艇系统。

10、参数， A,B为系统不确定性参数， xp(t)为状态 变量， u(t)为控制变量， w(t)为外界干扰， y(t)为输出变量， h为升沉量， 为纵倾角， 1, 2为 水翼倾角， F,M分别为干扰力和干扰力矩； 0013 步骤二： 根据纵向运动状态方程， 设计鲁棒重复控制算法； 0014 步骤三： 得到以鲁棒重复控制器和全浸式水翼艇系统为广义控制对象的系统数学 模型； 0015 步骤四： 构建滑模控制器， 设计滑模控制律。 0016 本发明还包括： 0017 1.步骤二具体包括： 0018 步骤二(A)： 初始化时滞常数T和水翼艇的低通滤波器的剪切频率c； 0019步骤二(B)： 设计一阶低通滤。

11、波器为 0020 步骤二(C)： 设计状态反馈控制器系数Ke、 Kp。 0021 2.状态反馈控制器系数Ke、 Kp满足： 0022 FpKp-KeCp 0023 FeKe 0024其中，其中X1， Y2为正定对称矩阵， W1， W2为矩阵， 定义11、 12、 14、 22、 24， 具体为： 0025 0026 0027 14 BpW2 0028 22-2cX2 0029 24 cY2 0030且其中 和 为初始化给定的正数， X2， Y1， 为正定对称矩阵。 0031 3.步骤三所述系统数学模型具体为： 0032 说明书 2/8 页 5 CN 110850886 A 5 0033其 中 。

12、xc(t)为低通滤波器状态变量。 0034 4.步骤四所述滑模控制律具体为： 0035 非奇异滑模面为： 0036 0037 其中 为初始化给定值， 0， p和q(pq)为初始化给定的正奇数， x1h， 0038 非奇异快速滑模控制律设计为： 0039 0040其中，|CW(t)|lg， 为初始化给定值， 0。 0041 本发明的有益效果： 与现有技术相比， 本发明有以下优点： 本发明提供了一种采用 鲁棒滑模重复控制算法的全浸式水翼艇纵向运动控制方法。 首先,根据水翼艇纵向运动特 性,为全浸式水翼艇建立状态方程。 然后根据水翼艇的数学模型首先设计鲁棒重复控制器， 增强了系统的输入跟踪的准确性以。

13、及鲁棒性。 然后将鲁棒重复控制器和全浸式水翼艇系统 看作广义的被控对象， 设计非奇异终端滑模控制器， 避免了非奇异性， 并减弱系统了不确定 性。 本发明采用了鲁棒重复控制算法对全浸式水翼艇进行控制研究， 通过纯滞后正反馈环 节将上一个周期的控制输入信号添加到本周期的控制输入中， 调节并产生本周期的控制输 入。 如此循序渐进， 最终实现对任意周期目标输入信号的无稳态误差跟踪， 控制精度高、 实 现简单提高了系统的实时性， 使系统能快速地控制水翼艇的姿态， 提高了效率。 并且本发明 采用了滑模控制， 使系统的稳定性得到了极大的提高。 0042 将重复控制与滑模控制结合起来， 并首次应用于全浸式水翼。

14、艇的控制， 既加强了 输入跟踪性， 又增强了系统的鲁棒性。 0043 既考虑了随即海浪带来的外界干扰， 又考虑了系统本身的不确定性， 增强了全浸 式系统的稳定性以及纵向控制性能。 附图说明 0044 图1为鲁棒滑模重复控制算法流程图； 0045 图2为鲁棒滑模重复控制系统框图； 0046 图3为施加在水翼艇上干扰力的仿真图； 0047 图4为施加在水翼艇上干扰力的仿真图； 0048 图5为全浸式水翼艇加了控制器与未加控制器升沉的对比图； 0049 图6为全浸式水翼艇加了控制器与未加控制器纵摇的对比图。 说明书 3/8 页 6 CN 110850886 A 6 具体实施方式 0050 下面结合附。

15、图对本发明做进一步说明。 0051 本发明中涉及到的全浸式水翼艇控制系统包括： 0052 微型燃气轮机发电子系统： 将电压、 电流检测传感器检测的微型燃气轮机发电的 电压、 电流信号传给控制器子系统,控制子系统根据水翼艇优化能量调度算法决定微电燃 气轮机的启停和发电功率。 0053 通信网络子系统： 利用通信网络可以将水翼艇内的纵向运动信息快速传给控制器 子系统， 将控制子系统的控制信号快速的传给襟翼进行控制。 0054 控制器子系统： 利用通信网络子系统获取水翼艇的纵摇和升沉的信息,并将获取 的信息作为控制算法的输入。 0055 具体实施方式一： 0056 结合图1和图2本发明提供一种采用鲁。

16、棒滑模重复控制算法的全浸式水翼艇纵向 运动控制方法,该方法包括以下步骤： 0057 (1)全浸式水翼艇的数学模型 0058 如果把垂荡,垂荡的微分， 纵摇， 纵摇的微分选为水翼艇的状态x,控制信号选为u (t),海浪干扰选为w(t)， 系统输出选为垂荡和纵摇。 ,则水翼艇纵向运动的数学模型如下 0059 0060 在设计滑模控制器时， 又需要将数学模型转化为以下形式 0061 0062 其中W (t)包括外界干扰力和系统不确定性。 0063 (2)鲁棒重复控制器的设计 0064 时滞常数T等于参考输入信号r(t)的周期， 一阶低通滤波器为 0065 0066 式中， c(t)为低通滤波器的剪切。

17、频率， 由系统的工作频率范围确定。 0067 改进型重复控制器的状态空间模型为： 0068 0069 式中， xc(t)为低通滤波器状态变量， e(t)r(t)-y(t)为跟踪误差， v(t)为重复控 制器的输出。 基于分步设计的思想， 首先设计改进型重复器和反馈控制器， 因此， u(t)ur (t)。 建立基于重复控制器前馈补偿和系统状态反馈线性控制律： 0070 ur(t)Kev(t)+Kpxp(t),KeR,KPR1n 0071 式中， Ke为重复控制器前馈增益， 可以提高系统的响应速度和系统的控制性能， Kp 为状态反馈增益， 可以提高系统的鲁棒稳定性。 重复控制系统的设计问题则转换为。

18、求控制 增益Ke、 Kp， 使重复控制系统稳定。 说明书 4/8 页 7 CN 110850886 A 7 0072设定参考输入r(t)0,令设： 0073 FpKp-KeCp FeKe 0074 则反馈控制规律可以化为 0075 ur(t)Fexc(t-T)+Fpxp(t) 0076 重复控制过程实际上同时包含两种不同的行为。 一个周期之内的连续控制行为和 周期之间的离散学习行为。 0077 控制输入ur(t)是控制和学习这两种行为作用效果的直和， 因此， 可以通过改变增 益， Fp和Fe， 来实现对控制行为和学习行为的分别调节。 得到改进型重复控制系统的闭环模 型： 0078 0079式中。

19、， 0080 应用Lyapunov泛函方法， 改进型重复控制系统鲁棒稳定的充分条件是存在能量泛 函V(t)， 沿时间轴方向单调递减。 0081 定理1给定正数 和 ， 如果存在正定对称矩阵X1， X2， Y1， Y2以及合适维数的W1， W2 使得： 0082成立， 其中： 0083 0084 0085 14 BpW2 0086 22-2cX2 0087 24 cY2 0088 则系统(鲁棒稳定， 且控制增益为 0089 0090 定理1给出了改进型重复控制系统鲁棒稳定的LMI条件， 条件中含有2个可调参数 和 ， 用来实现对控制和学习的分别优先调节。 具体地， 调节关联控制性能的权矩阵， 从。

20、而 改变可行解W1和X1， 相应调节反馈增益Fp； 调节关联学习性能的权矩阵， 改变可行解Y2和W2， 相应调节反馈增益Fe。 0091 (3)以鲁棒重复控制器和全浸式水翼艇系统为广义控制对象的系统数学模型。 0092 说明书 5/8 页 8 CN 110850886 A 8 0093其中：xc(t)为低通 滤波器状态变量。 0094 (4)滑模控制器设计 0095 非奇异滑模面为 0096 0097其中 0， p和q(pq)为正奇数， x1h ， 0098 非奇异快速滑模控制律设计为 0099 0100其中， 0。 0101 具体实施方式二： 0102 本发明的控制方法， 包括以下步骤： 0。

21、103 1.根据水翼艇的运动特性,建立水翼艇纵向运动状态方程； 0104 方程式为： 0105 0106 0107 u(t) 1, 2T 0108 w(t)F,MT 0109 其中， Ap,Bp,Cp,Dp为水翼艇系统参数， A,B为系统不确定性参数， xp(t)为状态 变量， u(t)为控制变量， w(t)为外界干扰， y(t)为输出变量， h为升沉量， 为纵倾角， 1, 2为 水翼倾角， F,M分别为干扰力和干扰力矩。 0110 2.根据上述全浸式水翼艇纵向运动状态方程,对 , ,Ap,Bp,Cp,Dp,c, ,p,q, 进 行初始化， 设计鲁棒重复控制算法； 0111 3.得出以鲁棒重复。

22、控制器和全浸式水翼艇系统为广义控制对象的系统数学模型； 0112 4.构建滑模控制器， 设计滑模控制律。 0113 步骤2中,鲁棒重复控制算法具体包括以下步骤： 0114 1)初始化时滞常数T、 水翼艇的低通滤波器的剪切频率c； 01152)设计一阶低通滤波器为 0116 3)设计状态反馈控制器系数Ke、 Kp。 0117 步骤3)中,状态反馈控制器系数Ke、 Kp的表达式为： 0118 FpKp-KeCp FeKe 0119 Fp， Fe的表达式为： 说明书 6/8 页 9 CN 110850886 A 9 0120 给定正数 和 ， 如果存在正定对称矩阵X1， X2， Y1， Y2以及合适。

23、维数的W1， W2使得： 0121 0122 成立， 其中： 0123 0124 0125 14 BpW2 0126 22-2cX2 0127 24 cY2 0128 则系统鲁棒稳定， 且控制增益为 0129 0130 步骤3中,以鲁棒重复控制器和全浸式水翼艇系统为广义控制对象的系统数学模 型为： 0131 0132其中xc(t)为低通 滤波器状态变量。 0133 步骤4中,滑模控制律为： 0134 非奇异滑模面为： 0135 0136其中 0， p和q(pq)为正奇数， x1h ， 0137 非奇异快速滑模控制律设计为： 0138 0139其中，|CW(t)|lg， 0。 0140 实例： 。

24、0141 本节通过对PCH水翼艇进行仿真实验来验证上文阐述的一种采用鲁棒滑模重复控 制算法的全浸式水翼艇纵向运动控制方法的性能和有效性。 0142 仿真利用Matlab Simulink等工具。 0143 通过查找资料可得水翼艇的状态矩阵Ap， Bp,Cp,Cp,如下所示 说明书 7/8 页 10 CN 110850886 A 10 0144 0145 0146 0147 0148 设置的部分参数如下 0149 0150 0151 首先将海浪造成的外界干扰施加在全浸式水翼艇上， 随机海浪可以看做是无数正 弦函数叠加而成的， 然后根据一系列计算， 得出其干扰力和干扰力矩， 结果如图3和图4. 0。

25、152因为水翼艇的状态所以仿真结果图5和图6将会分别展示水翼艇 的纵摇、 升沉在加了控制器和未加控制器时两种状况的比较。 海况定为有义波高4米， 海浪 遭遇角30度， 航速40节。 0153 从图5可以看出,虚线是加入控制器的， 实线是未加控制器的， 未加控制器时， 全浸 式水翼艇的升沉稳定在2m左右， 而加了鲁棒滑模重复控制器后， 系统的升沉稳定在了0.5米 左右。 从图6可以看出,虚线是加入控制器的， 实线是未加控制器的， 未加控制器时， 全浸式 水翼艇的纵摇角稳定在2度左右， 而加了鲁棒滑模重复控制器后， 系统的升沉稳定在了0.3 度左右。 也就是说， 仿真证明， 鲁棒滑模重复控制器可以很好地减小全浸式水翼艇的升沉和 纵摇， 提升了系统的稳定性能。 说明书 8/8 页 11 CN 110850886 A 11 图1 说明书附图 1/3 页 12 CN 110850886 A 12 图2 图3 图4 说明书附图 2/3 页 13 CN 110850886 A 13 图5 图6 说明书附图 3/3 页 14 CN 110850886 A 14 。