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申请/专利权人：江南大学

摘要：本发明涉及一种载人潜水器的容错控制方法、系统及电子设备，方法包括：建立载人潜水器的运动学和动力学模型；设计非线性的干扰观测器，通过非线性的干扰观测器估计载人潜水器所受的集总扰动，得到集总扰动的估计值；根据集总扰动的估计值，以及载人潜水器的运动学和动力学模型，设计载人潜水器中推进器正常时的控制器；通过权重矩阵对所述载人潜水器中推进器进行推力分配，若载人潜水器中的推进器出现故障，则降低出现故障推进器的优先级；根据推力分配结果，对所述控制器进行重新设计，重新设计后的推进器实现利用有益干扰、补偿有害干扰，并将利用的有益干扰补偿出现故障推进器的推力损失。本发明能够利用有益干扰、补偿有害干扰。

主权项：1.一种载人潜水器的容错控制方法，其特征在于：包括：步骤S1：建立载人潜水器的运动学和动力学模型；步骤S2：设计非线性的干扰观测器，通过所述非线性的干扰观测器估计载人潜水器所受的集总扰动，得到集总扰动的估计值；步骤S3：根据所述集总扰动的估计值，以及载人潜水器的运动学和动力学模型，设计载人潜水器中推进器正常时的控制器；步骤S4：通过权重矩阵对所述载人潜水器中推进器进行推力分配，若所述载人潜水器中的推进器出现故障，则降低出现故障推进器的优先级；步骤S5：根据推力分配结果，对所述控制器进行重新设计，重新设计后的推进器实现利用有益干扰、补偿有害干扰，并将利用的有益干扰补偿出现故障推进器的推力损失，以完成对载人潜水器的容错控制；所述步骤S1中建立载人潜水器的运动学和动力学模型，包括：构建载人潜水器的运动学模型，公式为： 其中，表示惯性坐标系中的位置和欧拉角矢量，υ∈R6表示机体坐标系中的线速度和角速度矢量，Jη∈R6×6表示旋转矩阵；构建载人潜水器的动力学模型，公式为： 其中，M∈R6×6表示质量和惯性矩阵，R表示实数集，Cυ∈R6×6表示科氏向心力矩阵，Dυ∈R6×6表示阻尼矩阵，Gη∈R6表示重力和浮力及其力矩，T＝Bu∈R6表示作用于载人潜水器的力和力矩，B∈R6×8表示推力配置矩阵，u＝[u1u2…u8]T∈R8表示载人潜水器中推进器产生的推力向量，共同控制载人潜水器的六个自由度，d∈R6表示未知外部干扰；考虑加性不确定性，将所述动力学模型中的系数矩阵写为标称值*norm和偏差值*bias之和，得到变换后的载人潜水器的动力学模型，公式为： 其中，dsum表示载人潜水器的外部干扰和模型不确定性之和，定义为dsum＝d+dbias，Mbias、Cvbias、Dvbias、Gηbias分别表示质量和惯性矩阵的偏差值、科氏向心力矩阵的偏差值、阻尼矩阵的偏差值、重力和浮力及其力矩的偏差值；将所述变换后的载人潜水器的动力学模型进一步变换为： 其中，fυ和集总扰动矢量D的表达式分别表示为：所述步骤S2中设计非线性的干扰观测器，公式为： 其中，z表示干扰观测器的辅助变量，pυ表示待设计函数，l表示干扰观测器的增益，且满足表示集总扰动矢量D的估计值，由等式可得，是集总扰动dsum的估计值所述步骤S3中根据所述集总扰动的估计值、载人潜水器的运动学和动力学模型，设计载人潜水器中推进器正常时的控制器，方法包括：利用反步法将载人潜水器的运动学和动力学模型转换为误差动力学模型，变换过程具体为：定义位置和欧拉角的跟踪误差eη＝η-ηd，并结合运动学模型则跟踪误差eη的导数表示为： 其中，ηd是期望的跟踪轨迹；根据所述跟踪误差eη，将虚拟控制律设计为： 定义线速度和角速度的跟踪误差eυ＝υ-υd，并结合动力学模型则跟踪误差eυ的导数表示为： 其中，υd是期望的速度矢量；将推进器正常时的控制器设计为： 其中，表示伪逆矩阵；所述步骤S4中引入权重矩阵来表示所述载人潜水器中推进器的优先级，若所述载人潜水器中的推进器出现故障，则降低出现故障推进器的优先级，方法包括：载人潜水器在实际运行的过程中，若部分推进器出现故障，则在所述跟踪误差eυ的导数中引入推进器故障描述系数矩阵Rf，公式为： 其中，且ri∈[0,1]表示第i个推进器的故障程度，当ri＝1时，表示载人潜水器的第i个推进器未发生故障；当ri＝0时，表示载人潜水器的第i个推进器处于完全故障状态；由于不同故障程度的推进器对载人潜水器的影响程度不同，通过引入权重矩阵W来表示不同推进器的优先级，所述权重矩阵的公式为：W＝diagw1...wi...wn其中，wi表示与第i个推进器对应的权重元素；若载人潜水器中第i个推进器发生故障，通过调整所述权重矩阵W中与故障推进器对应的权重元素wi，以改变第i个推进器的优先级，其中，所述调整所述权重矩阵W中与故障推进器对应的权重元素wi，公式为：wi＝wi0+Δwi其中，wi0表示权重的初始值，Δwi表示权重因推进器故障而做出的变化量，并且所述变化量与推进器故障程度ri有关，Δwi表达式为Δwi＝wi0ri-1-1,ri∈0,1；所述步骤S5中根据推力分配结果，对所述控制器进行重新设计，重新设计后的推进器实现利用有益干扰、补偿有害干扰，并将利用的有益干扰补偿出现故障推进器的推力损失，方法包括：将引入故障描述系数矩阵Rf后的载人潜水器的误差动力学模型表示为： 定义李雅普诺夫函数： 对V1进行求导，并将公式代入，得到： 根据所述虚拟控制律则有： 选择李雅普诺夫函数: 对V进行求导,并将公式代入，得到: 其中，基于所述故障描述系数矩阵Rf和权重矩阵W求得推进器故障效应Tneed＝B1-RfT0，其中，考虑误差动力学模型构建包含推进器故障效应Tneed和干扰效应的干扰特性指标，公式为: 其中，表示元素积；设计考虑推进器故障效应Tneed和干扰效应的控制器，公式为: 其中，Tadd表示用于补偿推进器故障效应和干扰效应所需的控制能量；分析推进器故障效应Tneed和干扰效应并对其进行选择性利用，将控制器设计为: 其中，函数φ定义为φJs＝diagθJs1,...,θJsi,...,θJs6；所需补偿的控制能量为θJsi满足：

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