一種帶有執(zhí)行器飽和問題的運動體姿態(tài)事件觸發(fā)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供一種帶有執(zhí)行器飽和問題的運動體姿態(tài)事件觸發(fā)控制方法，它為一般 常規(guī)運動體提供一種可根據(jù)事件觸發(fā)更新控制器、抗執(zhí)行機構(gòu)飽和的跟蹤期望姿態(tài)的新的 用途廣泛的控制方法，屬于自動控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 對于帶有執(zhí)行機構(gòu)的運動體，在運動體跟蹤期望姿態(tài)時，由于運動體的執(zhí)行機構(gòu) 存在限位設(shè)置，易于引發(fā)執(zhí)行機構(gòu)飽和的問題；此外，在運動體的運動過程中，常存在數(shù)據(jù) 負載過大導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能下降，甚至將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題。
[0003] 此發(fā)明"一種帶有執(zhí)行器飽和問題的運動體姿態(tài)事件觸發(fā)控制方法"是把以上 問題作為切入點，而提出的有針對性、基于運動體線化模型進行控制器設(shè)計、可使用于非 線性運動體模型的姿態(tài)跟蹤控制方法。該方法綜合了 LQ抗飽和控制方法和事件觸發(fā) (event-triggered)控制理論，改善修復(fù)執(zhí)行機構(gòu)飽和問題，解決控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)負載過大問 題，并保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性，為運動體的姿態(tài)跟蹤控制工程提供了一種可行高效的設(shè)計手 段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 目的：本發(fā)明的目的在于提供一種帶有執(zhí)行器飽和問題的運動體姿態(tài)事件觸發(fā)控 制方法，控制工程師可以在結(jié)合實際參數(shù)的同時，按照該方法實現(xiàn)運動體抗執(zhí)行機構(gòu)飽和、 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)負載過大問題的姿態(tài)跟蹤控制。
[0005] 技術(shù)方案：本發(fā)明"一種帶有執(zhí)行器飽和問題的運動體姿態(tài)事件觸發(fā)控制方法"， 其主要內(nèi)容及步驟是：先根據(jù)給定的姿態(tài)角期望跟蹤值進行誤差計算；然后由姿態(tài)運動 學方程進行姿態(tài)運動學控制計算得到期望角速度；根據(jù)LQ抗飽和控制方法和事件觸發(fā) (event-triggered)控制理論計算控制器，隨后基于運動體的線化動力學方程得到控制量； 最后將此控制量用于運動體非線性模型。在實際工程應(yīng)用當中，運動體的位置、姿態(tài)、速度 等狀態(tài)量由組合慣導(dǎo)等傳感器測量得到，而由該方法計算得到的控制量將傳輸至執(zhí)行機 構(gòu)，即可解決運動體執(zhí)行機構(gòu)飽和、控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)負載過大問題的姿態(tài)跟蹤控制功能。
[0006] 本發(fā)明"一種帶有執(zhí)行器飽和問題的運動體姿態(tài)事件觸發(fā)控制方法"，其具體步驟 如下。
[0007] 步驟一給定期望跟蹤值：給定期望姿態(tài)角：
：；給定期望姿態(tài)角速度
〇
[0008] )!；·驟二姿態(tài)角跟蹤誤差計算：計算期望姿態(tài)角與實際姿態(tài)角之間的誤差
;計算期望姿態(tài)角速度誤差
[0009] 步驟三事件觸發(fā)（event-triggered)控制器設(shè)計：計算反饋增益
[0010] 步驟四計算消除期望姿態(tài)角與實際姿態(tài)角之間誤差所需的無限制控制量，即事 件觸發(fā)（event-triggered)控制器輸出量;設(shè)計事件條件。
[0011] 步驟五給定控制量限位：計算消除期望姿態(tài)角、期望姿態(tài)角速度與實際姿態(tài)角、 實際姿態(tài)角速度之間誤差所需的飽和控制量、
[0012] 步驟六LQ抗飽和控制補償器設(shè)計：計算修正控制量的反饋項1挪和修正狀態(tài)量的 反饋項
[0013] 步驟七計算經(jīng)LQ抗飽和控制補償器修正后的事件觸發(fā)（event-triggered)控制 器輸入和事件觸發(fā)（event-triggered)控制器輸出:__，最終將控制量用于運動體 非線性模型。
[0014] 其中，在步驟一中所述的給定期望姿態(tài)角包括：期望姿態(tài)角為
，可以是時間或路徑的函數(shù)
，也可以是定值
；所述的給定期望速度為
，可以是時間或路徑的函數(shù)也可以是定值
丨。
[0015] 其中，在步驟二中所述的姿態(tài)角跟蹤誤差
，其計算方法如下：
所述的纟
：為姿態(tài)角速度誤差，其計算方法如下： 其中，||·#為控制參數(shù)。
[0016] 其中，在步驟三中所述的反饋增益K。，其計算方法如下： 1)給出線性化運動體狀態(tài)方程 將一般形式運動體的線化狀態(tài)方程表達為：
其中，
為狀態(tài)量，其中，
為姿態(tài) 角，外為姿態(tài)角速度，為%為期望姿態(tài)角，
為期望姿態(tài)角速度；塵為 輸入量，鐵:為狀態(tài)誤差輸出，其中
[0017] 2)設(shè)計事件觸發(fā)（event-triggered)控制器，計算反饋增益Kc 反饋增益的K。計算方法如下： 定義對稱正定矩陣χ，0,矩陣Y。和參數(shù)μ >〇滿足如下線性矩陣不等式：
·::: 解出矩陣X。與Y。從而得到
需要指出的是，事件觸發(fā)（event-triggered)控制器的輸入量μ。為： = e 其中，在步驟四中所述的消除期望姿態(tài)角與實際姿態(tài)角之間誤差所需的無限制控制 量，即事件觸發(fā)（event-triggered)控制器輸出量為，其計算公式如下：
在事件觸發(fā)（event-triggered)控制的框架中，控制器只在瞬時時間
時更新控制量，如下：
定義狀態(tài)誤差為 選擇事件條件為 其中藏，一旦違反了上不等式，則將觸發(fā)新的控制任務(wù)，更新控制量。
[0018] 其中，在步驟五中所述的給定控制量限位，計算消除期望姿態(tài)角、期望姿態(tài)角速度 與實際姿態(tài)角、實際姿態(tài)角速度之間誤差所需的飽和控制量，其計算方法如下：
其中，為控制量所限定的最小值，μ _為控制量所限定的最大值。
[0019] 其中，在步驟六中所述的LQ抗飽和控制補償器，修正控制量的反饋項1^^和修正狀 態(tài)量的反饋項>、，其計算方法步驟如下： 1) LQ抗飽和控制補償器狀態(tài)方程為：
LQ抗飽和控制補償器的輸入μ aw為：
2) 計算修正控制量的反饋項和修正狀態(tài)量的反饋項::_W，其計算方法步驟如下： 1根據(jù)LQ抗飽和控制補償器的狀態(tài)量與輸入的維數(shù)選擇正定對稱方陣胃^和胃# ;選 擇常數(shù)
[0020] 2定義自由變量矩陣
[0021] 3解線性矩陣不等式（LMI)優(yōu)化問題，使得Yaw值最小，求出自由變量矩陣Q，U，Y， KjLjXijX2; 使得：
根據(jù)優(yōu)化解方案計算出自由變量矩陣以及反饋量：
修正控制量的反饋項：
修正狀態(tài)量的反饋項：
其中，在步驟七中所述的經(jīng)LQ抗飽和控制補償器修正后的事件觸發(fā)（event-triggered) 控制器輸入/Ca和事件觸發(fā)（event-triggered)控制器輸出·，其計算方法如下：
最終，纖_經(jīng)飽和非線性環(huán)節(jié)后得到的:纖雜薄即為用于運動體非線性模型的控制量。
[0022] (3)優(yōu)點及效果： 本發(fā)明"一種帶有執(zhí)行器飽和問題的運動體姿態(tài)事件觸發(fā)控制方法"，與現(xiàn)有技術(shù)比， 其優(yōu)點是： 1) 本方法根據(jù)事件觸發(fā)（event-triggered)控制理論設(shè)計得到事件觸發(fā)（event-triggered) 控制器，能夠良好的抑制控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)過載對整個系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)穩(wěn)定； 2) 本方法根據(jù)抗飽和理論應(yīng)用LQ抗飽和方法設(shè)計抗飽和控制補償器，使得執(zhí)行期飽 和問題得到了大幅度有效的改善； 3) 本方法基于線性化模型設(shè)計，算法結(jié)構(gòu)簡單，步驟簡潔高效，響應(yīng)速度快，易于工程 實現(xiàn)，且能夠運用于非線性模型，并保證閉環(huán)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性。
[0023] 在應(yīng)用過程中，控制工程師可以根據(jù)實際要求給定運動體任意期望姿態(tài)角，并將 由該方法計算得到的控制量直接傳輸至執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)姿態(tài)跟蹤控制的功能。
[0024]
【附圖說明】： 圖1為本發(fā)明所述控制方法流程框圖； 圖2為本發(fā)明運動體姿態(tài)運動示意圖。
[0025] 符號說明如下： 鮝經(jīng)為狀態(tài)誤差輸出； Λ Λ為消除期望姿態(tài)角與實際姿態(tài)角之間誤差所需的無限制控制量，即事件觸發(fā) (event-triggered)控制器輸出量；
為消除期望姿態(tài)角與實際姿態(tài)角之間誤差所需的飽和控制量；
:為修正控制量的反饋項； 為修正狀態(tài)量的反饋項；
::為經(jīng)LQ抗飽和控制補償器修正后的事件觸發(fā)（event-triggered)控制 器輸入量；
為經(jīng)LQ抗飽和控制補償器修正后的事件觸發(fā)（event-triggered)控制器 輸出量；
慣性坐標系； 體坐標系。
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明中的各部分設(shè)計方法作進一步的說明： 本發(fā)明"一種帶有執(zhí)行器飽和問題的運動體姿態(tài)事件觸發(fā)控制方法"，見圖1所示，其 具體步驟如下： 步驟一：給定期望跟蹤值 1) 如圖2所示，以運動體質(zhì)心為原點建立體坐標系·錄:；以地面上任一點為原點建立 慣性坐標系
，其中原點ft為地面任意一點，
指向北