[发明专利]一种基于干扰观测器的混合悬浮实验体控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合悬浮实验体技术领域，特别是一种基于干扰观测器的混合悬浮实验体控制方法。

背景技术

混合悬浮环境的主要应用是微重力效应模拟实验，用于在地面模拟空间微重力环境。实验体在此环境中受到浮力、电磁力、重力的共同作用处于悬浮状态，因此其所处空间称为混合悬浮环境。主要方法是将被试对象全部浸没在水中，先粗略调整配重或漂浮器的浮力，再通过电磁力精确配平，克服被试对象的重力，使其漂浮于水中，近似模拟微重力效应。该方法具有六自由度三维模拟空间，可长时间连续实验。

实验体处于这样的复杂环境中，由于电磁力和水动力不能精确得到，且存在水波干扰等，致使实验体动力学特性复杂而且带有不确定性。而微重力实验中，要完成既定的实验任务和操作动作，必须实现实验体的精确控制。因此，实验体在这种具有复杂力学特性的干扰环境中的精确控制问题必须解决。

目前，传统的PID控制由于原理简单、适用性好、使用方便等,在控制中得到广泛的应用,但PID控制难以处理未知的外部干扰，且对复杂的非线性控制系统表现一般。而混合悬浮实验体的数学模型是强非线性的，而且不容易得到精确的数学模型参数。混合悬浮实验体实际运行的环境是复杂多变的，容易存在各种的外部干扰对混合悬浮实验体的运动控制造成影响。

综上所述，混合悬浮实验体的运动控制还存在以下两个问题：1、混合悬浮实验体的模型参数难以获取；2、由于外部干扰的不确定对混合悬浮实验体的运动控制造成一定的影响。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于干扰观测器的混合悬浮实验体控制方法。本方法则能很好地解决以上还存在的问题，本发明算法能够使控制精度远远高于传统PID控制，且具有很好的收敛性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于干扰观测器的混合悬浮实验体控制方法，包括以下步骤：

1)对航行任务进行规划，预设航行轨迹η_d；

2)将实验体放入实验环境中，上电准备好后，测量系统的各个模块进行对航行器的位置，姿态及速度进行测量，并将测量值η(0)，v(0)发送到上位机；

3)上位机通过接受到的测量系统的测量信息η(0)，v(0)，解算航行的轨迹误差向量其中并赋予系统未知参数矩阵的初始值与干扰观测器的初始值d(0)，根据以下自适应PD控制律进行控制力解算，

然后将解算得到的控制力通过该模型的推力分配矩阵解算，得出每个推进器的推力值，并将各个推进器的控制推力通过串口发送到下位机；

当B不可逆时，

4)下位机接受到上位机发送的控制指令，电机控制模块通过对控制力信号进行分析解算，输出一个与控制力所对应的PWM波到电机，完成整个对电机的推力控制；

5)混合悬浮实验体开始运动时，上位机接收到测量系统测量到的新的实际值η(k)，v(k)，按照步骤(3)对系统的跟踪误差s(k)进行更新，同时更新新的控制力τ(k)，并通过模型的推力分配矩阵将新的控制力τ(k)解算得到T(k)，将得到的新的T(k)发送到下位机；

6)根据实验的反馈数据，通过改变系统的误差控制增益矩阵K，系统未知参数估计的增益矩阵K_θ及系统的干扰观测的增益矩阵K_d，观察变化后的跟踪误差轨迹，做出适当的对系统各个增益矩阵K,K₁,K₂的调整；

7)重复进行上述步骤2)～7)，使航行路线达到最优，跟踪误差达到最小。

作为本发明的进一步改进，步骤3)中所述控制律是通过以下步骤得到的：

2.1)选取误差向量其中η＝[x y z]^T为混合悬浮实验体在惯性坐标系下的位置矩阵；v＝[u v w]^T为混合悬浮实验体在雷体坐标系下的速度矩阵，且位置误差速度误差取期望速度

2.2)在理想状态下，建立混合悬浮实验体模型：

其中的M是系统的惯性阵；C(v)是系统的哥氏力矩阵；D(v)为系统正定对称的水阻力系数矩阵；G(η)为系统由系统重浮心位置产生的恢复力矩阵；τ＝BT为系统的外部控制输入；B为实际模型的推力分配矩阵；T是由混合悬浮实验体上各个推进器的推力组成的推力矩阵；

利用自适应的思想，(2)式则可写成：

其中，是实际可测量得到的参数矩阵，θ为系统未知参数矩阵；