[发明专利]一种基于紧格式动态线性化的吊舱推进电机滑模控制方法

权利要求书

1.一种基于紧格式动态线性化的吊舱推进电机滑模控制(CFDL-SMC)方法，其特征在于：所述方法包含以下步骤：

(1)吊舱推进电机动力学方程离散化处理：

1)建立吊舱推进电机动力学模型，永磁同步电机运动方程如下：

其中，T_e为电磁转矩，p为电机极对数，为永磁体与定子交链磁链，i_q为q轴电流，ω为推进电机转子角速度，ω＝2πn/60，n为推进电机的输出转速，T_L为负载转矩，J为转动惯量，F为吊舱推进电机的摩擦系数，K_Q为转矩系数，ρ为水的密度，D为螺旋桨直径，f_ld(k)定义为k时刻影响推进电机转速的未知扰动；

2)建立吊舱推进电机的离散转速系统方程如下：

其中，n(k+1)为k+1时刻推进电机的输出转速，n(k)为k时刻推进电机的输出转速，i_q(k)为k时刻q轴电流，h为采样时间；

(2)建立吊舱推进电机紧格式动态线性化数据模型：

1)利用伪偏导数的概念结合吊舱推进电机的离散转速系统方程建立其紧格式动态线性化数据模型如下：

Δn(k+1)＝φ(k)Δi_q(k)+Δf_AL(k)

其中，Δn(k+1)＝n(k+1)-n(k)为k时刻到k+1时刻推进电机的输出转速变化量，Δi_q(k)＝i_q(k)-i_q(k-1)为k-1时刻到k时刻q轴电流变化量，φ(k)为速度环控制律的伪偏导数，Δf_AL(k)＝f_AL(k)-f_AL(k-1)为k-1时刻到k时刻系统总扰动信号的变化量；

2)吊舱推进电机系统可采用如下参数估计算法来求取速度环控制律的伪偏导数的估计值：

其中，为速度环控制律的伪偏导数估计值，Δi_q(k-1)＝i_q(k-1)-i_q(k-2)，为k-2时刻到k-1时刻系统总扰动信号估计值的变化量，η∈(0,1]是速度环控制律的步长因子，μ＞0是速度环控制律的权重因子；

(3)设计基于紧格式动态线性化的吊舱推进电机滑模控制方法：

定义滑模平面函数为：

s(k)＝e(k)+ce(k-1)

其中，c为大于0的常数，因此构成的误差多项式为稳定多项式，e(k)为转速跟踪误差，定义如下：

e(k)＝n_w(k)-n(k)

其中，n_w(k)为k时刻推进电机的期望输出转速，采用趋近律如下：

s(k+1)＝(1-d)s(k)-εsgn(s(k))

其中，d、ε为大于0的常数；

等效控制如下所示：

s(k+1)＝(1-d)s(k)-εsgn(s(k))＝e(k+1)+ce(k)

将吊舱推进电机紧格式动态线性化后的数据模型Δn(k+1)＝φ(k)Δi_q(k)+Δf_AL(k)、和伪偏导数的估计值与上式联立，可得到基于紧格式动态线性化的吊舱推进电机滑模控制方法如下：

其中，σ＞0为一个权重系数，用于限制q轴电流变化量，d、c、ε均为大于0的常数，e(k)为推进电机的转速跟踪误差，定义为e(k)＝n_w(k)-n(k)，n_w(k+1)为k+1时刻推进电机的期望输出转速，i_qw(k)为k时刻q轴期望电流，sgn(·)为符号函数；

(4)设计扩张状态观测器：对基于紧格式动态线性化的吊舱推进电机滑模控制方法中的总扰动f_AL(k)进行估计，设计扩张状态观测器如下：

将吊舱推进电机一阶系统表示为如下形式：

令：

其中，x₂(k)为扩张状态变量，则吊舱推进电机一阶系统可扩张为：

定义e_l(k)为观测速度误差，可以构造二阶扩张状态观测器为：

其中，β₁、β₂、β₃为本系统中扩张状态观测器的参数且均大于0，e_l(k)为扩张状态观测器中推进电机的输出转速误差，z₁(k)为扩张状态观测器中推进电机的输出转速估计值z₂(k)为扩张状态观测器中总扰动信号估计值arsh(·)为反双曲正弦函数；

(5)设计串联基于紧格式动态线性化模型的吊舱推进电机滑模控制方法：

其中，η₁∈(0,1]是内电流环控制律的步长因子，μ₁＞0是内电流环控制律的权重因子，σ₁＞0为一个权重系数，用于限制q轴电压变化量，α₁、d₁、ε₁均为大于0的常数，为内电流环控制律的伪偏导数估计值，e₁(k)为q轴电流跟踪误差，定义为e₁(k)＝i_qw(k)-i_q(k)，u_qw(k)为q轴期望电压，u_q(k-1)为k-1时刻q轴电压，Δu_q(k-1)＝u_q(k-1)-u_q(k-2)。