一种双闭环自抗扰控制的水下动态子平台高精度稳速方法

本发明涉及海洋工程装备与水下机器人运动控制，具体涉及一种双闭环自抗扰控制的水下动态子平台高精度稳速方法，所述水下动态子平台如水下精密探测拖体、水下施工定位平台及需要恒定对地或对水速度的作业子平台。

背景技术：

1、缆绳牵引式水下动态子平台广泛应用于海洋调查、深海探测及水下工程作业等领域，其典型工作模式为母船通过牵引绞车及缆绳对子平台进行拖曳或布放回收。在此过程中，子平台速度并非由执行机构直接控制，而是通过调节缆绳张力间接实现，由此构成了具有力矩—张力—速度传递链的间接控制结构。

2、缆绳属于柔性连续体，其动力学特性具有以下特征：

3、其一，缆绳在受力作用下存在弹性形变，且该形变与载荷及缆绳长度相关；

4、其二，张力沿缆绳传递存在时间延迟及分布效应；

5、其三，缆绳等效刚度随放缆长度、环境压力及材料特性变化而变化；

6、其四，系统同时受到水动力作用、摩擦作用及结构振动等多源耦合影响。

7、基于上述特性，水下动态子平台的速度控制问题本质上属于一种由张力驱动并产生速度响应的间接控制问题，具有强耦合、强非线性及参数时变等显著特征。

8、现有技术中，针对该类系统的控制方法主要包括如下几类：（1）滑模控制与扩张状态观测器复合控制方法，通过构建双环结构并利用观测器估计扰动；（2）模糊自适应自抗扰控制方法，通过模糊规则在线调整控制参数；（3）复合扰动观测器控制方法，通过多观测器对不同频段扰动进行分离估计。

9、上述方法在部分机电系统中能够实现基本控制功能，但在缆绳牵引式水下动态子平台中仍存在如下问题：

10、（1）张力与速度之间的强耦合关系缺乏结构化处理。执行机构输出为绞车驱动力矩，其直接作用对象为缆绳张力，而非水下动态子平台速度。现有方法通常将系统简化为单一控制对象，未对“驱动力矩—张力—速度”的能量传递链进行分层建模，导致控制输入与控制目标之间存在非直接映射关系。

11、（2）扰动来源复杂且难以精确建模。系统扰动来源涵盖洋流、波浪、母体平台运动等外部扰动，以及缆绳弹性形变、摩擦及结构振动等内部扰动。现有方法通常依赖动力学模型对各类扰动进行建模估计，当模型存在偏差时，控制性能显著下降。

12、（3）对模型参数存在依赖。扩张状态观测器在实际设计过程中通常依赖模型参数。当系统参数发生变化时，观测误差可能增大，从而影响控制精度。

13、（4）动态过程中张力存在振荡。在速度指令变化或扰动作用下，张力响应可能出现振荡现象，其恢复时间较长，对系统稳定性产生影响。

14、（5）缆绳时变刚度导致观测器与被控对象失配。在长缆作业场景中，缆绳等效刚度随放缆长度的大范围变化而显著漂移，若观测器补偿因子保持固定，则观测器内部模型与被控对象实际动力学之间产生结构性失配，导致扰动估计精度在全作业区间内严重退化。现有技术通常仅在单一工况点整定观测器参数，未能解决大范围放缆工况下的全区间自适应问题。

15、（6）张力饱和引发速度失控连锁反应。在极端海况下，期望张力指令受安全限幅截断后，速度外环输出与张力内环实际输入之间产生偏差，若缺乏有效的跨环信息反馈机制，速度环观测器将因长期未感知张力截断而持续积累误差，最终导致速度环输出深度饱和及平台速度失控。现有技术的双环控制均采用单向信息流（外环→内环），缺乏内环状态向外环的反向信息通道。

16、因此，有必要提供一种不依赖精确模型、能够对多源扰动进行统一处理、并兼顾张力与速度耦合特性的控制方法，且该方法应具备缆绳时变刚度自适应能力与跨环信息交互能力，以在全工况范围内持续保持稳速精度。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双闭环自抗扰控制的水下动态子平台高精度稳速方法，其目的在于通过构建速度外环与张力内环的双闭环级联控制架构，结合物理模型增强前馈与机电模型复合前馈的协同控制策略，提供一种不依赖精确模型、能够对多源扰动进行统一处理并兼顾张力与速度耦合特性的水下动态子平台高精度稳速控制方法，由此解决了现有技术中张力-速度解耦困难、主动抗扰能力不足以及模型依赖性强导致鲁棒性差的技术问题，特别是解决了缆绳时变刚度漂移导致观测器全区间失配以及张力饱和引发速度环连锁失效的衍生难题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双闭环自抗扰控制的水下动态子平台高精度稳速方法，包括以下步骤，各步骤之间具有递进依赖与闭环反馈的逻辑关系：

3、s1：构建包含速度外环模块与张力内环模块的双闭环控制拓扑结构，并采用双速率采样策略实现内外环频带分离，在每一次速度外环模块执行周期内，张力内环模块运行多个控制周期，保证张力内环模块对速度外环模块输出指令的快速跟踪；

4、s2：步骤s1构建的速度外环模块接收目标速度指令与当前采样周期的实际速度信号，经线性跟踪微分、线性扩张状态观测、线性状态误差反馈及物理模型增强前馈补偿，并对缆绳波传播延迟进行主动补偿，输出期望张力指令；

5、s3：通过步骤s1构建的张力内环模块接收步骤s2输出的期望张力指令与当前采样周期的实际张力信号，经线性扩张状态观测、线性状态误差反馈及机电模型符合前馈补偿，输出驱动力矩控制量；

6、s4：将步骤s3输出的驱动力矩控制量经减速机构和卷筒转化为作用在卷筒出口处的缆绳张力，由张力测量单元采集后作为实际张力信号反馈至张力内环模块，且张力内环模块的集总扰动观测值经低通滤波后前馈至所述速度外环模块的扩张状态观测器，实现跨环双向信息交互。

7、其中，步骤s1为基础构建步骤，建立双闭环控制拓扑结构与双速率采样机制；步骤s2和步骤s3在步骤s1构建的所述控制拓扑中基于双速率采样策略运行，步骤s3的输入依赖于步骤s2的输出；步骤s4将步骤s3的输出经物理执行机构转化为实际张力信号并反馈至步骤s3，形成张力内环闭环控制；同时，水下动态子平台的实际速度信号经速度测量单元采集后反馈至步骤s2，形成速度外环闭环控制；由此构成速度外环嵌套张力内环的双闭环控制回路。

8、作为优选，所述速度外环模块以实际速度与目标速度的偏差为输入、以期望张力指令为输出，所述张力内环模块以实际张力与所述期望张力指令的偏差为输入、以驱动力矩控制量为输出；同时限定张力内环的响应频带高于速度外环的响应频带。

9、作为优选，步骤s2具体包括以下步骤：

10、s21：步骤s1构建的速度外环模块接收目标速度指令与当前采样周期的实际速度信号，对输入的目标速度指令进行平滑处理，提取目标速度过渡过程信号及其微分信号；

11、s22：根据实际速度信号输出与上一时刻输出的期望张力指令，实时估计水下动态子平台的速度状态、加速度状态，并将主导时间尺度内的内部未建模动态与外部扰动通过扩张状态观测器统一扩张为第三阶状态变量进行估计，并对缆绳波传播延迟进行主动补偿，获得所述第三阶状态变量包括实际速度观测值、速度微分观测值与速度环集总扰动观测值；

12、s23：根据步骤s21提取的过渡过程信号及其微分信号与步骤s22获得的观测值计算误差，采用线性组合控制律生成速度环基础控制量；

13、s24：将步骤s23生成的速度环基础控制量与步骤s22获得的速度环集总扰动观测值进行叠加，并引入目标速度滤波值和目标加速度信号的物理模型前馈项，生成期望张力指令并对生成的指令进行安全限幅与抗饱和处理，形成最终期望张力指令。

14、作为优选，步骤s21中，所述实际速度信号v(k)由多普勒速度计程仪采集，在输入所述扩张状态观测器之前，对所述实际速度信号进行测量延迟预估补偿，其预估公式为：

15、

16、其中，为多普勒速度计程仪的固有测量延迟，为上一时刻的速度微分观测值；经预估补偿后的替代原始作为后续处理的输入信号，且步骤s21采用一阶低通滤波器形式的线性跟踪微分器。

17、作为优选，步骤s22中在所述扩张状态观测器之前设置缆绳波传播的延迟补偿器，所述延迟补偿器基于缆绳纵向波传播模型对实际速度信号进行延迟预估补偿，其计算公式为：

18、

19、其中，为经测量延迟预估补偿后的速度信号，为延迟补偿步数且为正整数，round(·)为四舍五入取整函数，为缆绳张力波传播延迟，为缆绳纵向波传播速度，e为缆绳弹性模量，a为缆绳截面积，μ为缆绳单位长度质量，l为当前放缆长度；为第时刻的速度微分观测值；所述扩张状态观测器以替代作为输入，使观测器仅需补偿延迟补偿器的残差及未知扰动；

20、步骤s22中实际速度观测值的计算公式为：

21、

22、速度微分观测值的计算公式为：

23、

24、速度环集总扰动观测值的计算公式为：

25、

26、其中，k为离散采样时刻索引；为速度外环采样周期；

27、为速度环观测误差，为输入所述扩张状态观测器的实际速度信号，其包括未经预处理的原始速度信号或经测量延迟补偿及缆绳波传播延迟补偿预处理后的速度信号；为上一时刻输出的期望张力指令；为实际速度观测值，为速度微分观测值，为速度环集总扰动观测值；，，，为速度环观测器带宽；为速度环系统补偿因子，，为包含附加质量的平台名义质量。

28、作为优选，所述速度环系统补偿因子依据当前放缆长度l进行在线自适应调度：

29、

30、其中，为标称放缆长度下的基准补偿因子；所述调度关系基于缆绳分布质量及流体附加质量对平台有效惯性的附加效应随放缆长度近似成比例增长的物理特性，使速度环观测器的补偿因子与缆绳时变物理参数保持匹配。

31、作为优选，步骤s23中误差计算公式为：

32、

33、

34、速度环基础控制量的计算公式为：

35、

36、其中，为比例增益，为微分增益；

37、步骤s24中安全限幅处理：

38、，当

39、，当

40、，其他情况

41、其中，设定为缆绳额定破断拉力的30%至40%，设定为0 n；

42、抗饱和处理：当超出限幅区间时，对速度环扩张状态观测器的第三阶状态变量执行抗饱和重置。

43、作为优选，步骤s3具体包括以下步骤：

44、s31：根据当前时刻的实际张力信号与上一时刻输出的驱动力矩控制量，实时估计缆绳在卷筒出口处的真实张力状态、张力变化率状态，并将缆绳弹性形变、摩擦、未建模动态及外部扰动统一扩张为第三阶状态变量进行估计，获得第三阶状态变量包括实际张力观测值、张力微分观测值与张力环集总扰动观测值；

45、s32：根据步骤s2输出的期望张力指令与步骤s31获得的张力状态观测值计算误差，采用线性组合控制律生成张力环基础控制量；

46、s33：将步骤s32生成的张力环基础控制量与步骤s31获得的张力环集总扰动观测值及机电系统模型前馈项进行叠加，生成驱动力矩指令并对生成的指令进行执行器限幅处理与主动抗饱和处理，生成最终驱动力矩指令。

47、作为优选，步骤s31中实际张力观测值的计算公式为：

48、

49、张力微分观测值的计算公式为：

50、

51、张力环集总扰动观测值的计算公式为：

52、

53、其中，为张力环观测误差，为经低通滤波预处理后的张力信号；，，；

54、张力环观测器带宽和张力环补偿因子依据当前放缆长度l进行在线调度：，，其中，l为当前实时放缆长度，为标称放缆长度，为标称放缆长度下的基准观测器带宽，为标称放缆长度下的基准补偿因子；

55、步骤s32中误差计算公式为：

56、

57、

58、张力环基础控制量的计算公式为：

59、

60、其中，为步骤s2输出的期望张力指令，为步骤s31获得的实际张力观测值，为步骤s31获得的张力微分观测值，为张力环比例增益，为张力环微分增益。

61、作为优选，步骤s33中执行器限幅处理：

62、，当

63、，当

64、，其他情况

65、其中，设定为驱动电机的额定输出力矩；

66、主动抗饱和处理机制为：当超出限幅区间时，触发对张力环扩张状态观测器的第三阶状态变量执行抗饱和修正的抗饱和操作。

67、优选地，所述速度环扩张状态观测器的第三阶状态变量的更新方程中引入来自张力内环的跨环扰动前馈项：

68、

69、其中，lpf(·)为低通滤波算子，γ为跨环前馈增益，为步骤s31获得的张力环集总扰动观测值。

70、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

71、（1）构建力矩-张力-速度分层解耦的双闭环级联控制架构。本发明针对缆绳牵引式水下动态子平台“驱动力矩—缆绳张力—平台速度”的间接控制结构，构建速度外环嵌套张力内环的双闭环级联控制架构，并采用双速率采样策略实现内外环频带分离。该架构将能量传递链分层建模，使速度外环专注于平台速度跟踪、张力内环专注于张力快速调节，从结构上解耦了控制输入与控制目标之间的非直接映射关系，为后续各项性能提升奠定架构基础。

72、（2）复合前馈与延迟补偿协同降低观测器估计负担，提升观测精度与控制带宽。本方案在速度外环构建含惯性力项与阻尼力项的物理模型增强前馈，在张力内环构建含机电系统动态的复合前馈，使双环扩张状态观测器仅需针对前馈模型失配量及系统未建模扰动实施补偿校正，有效降低估计运算负荷并提升动态响应速率；进一步地，在速度环eso前端引入基于缆绳纵向波传播物理模型的延迟补偿器，将已知结构的张力波传播延迟从eso扰动估计任务中剥离，使eso仅需补偿延迟补偿残差及未知扰动，在长缆作业场景下显著提升了速度环的有效控制带宽与估计精度。

73、（3）实现双环观测器参数随放缆长度在线自适应整定。针对缆绳等效刚度及分布质量随放缆长度大范围变化的特性，依据实时放缆长度对张力内环观测器带宽及补偿因子进行动态自适应调节，同时对速度外环补偿因子进行同源调度，使双环观测器的动力学特性均与系统实时物理运行特性保持匹配，保障全作业区间内扰动估计效果与控制性能持续稳定。

74、（4）构建跨环双向信息通道，消除双环控制的信息孤岛效应。本发明将张力内环的集总扰动观测值经低通滤波后前馈至速度外环eso第三阶状态方程，使速度环能够利用张力内环已有的快速扰动估计结果，打破了传统双环级联控制中“外环→内环”单向信息流的局限，构建了双向信息交互的双环架构，使速度环能够间接感知缆绳弹性形变、摩擦等扰动信息。

75、（5）强化极端工况下系统抗饱和与稳定运行能力。当期望张力指令受安全幅值限制出现截断时，对速度外环观测器启用主动抗饱和重置机制；同时通过上述跨环扰动前馈通道将张力内环感知的截断信息迅速传递至速度外环，与抗饱和重置机制形成快速感知与主动修正的双重保护，规避因积分长期累积引发的控制器输出深度饱和及状态恢复滞后问题，增强系统在极限工况下的运行安全性与鲁棒性。

76、（6）降低工程落地与现场调试难度。本发明采用线性扩张状态观测器及线性状态误差反馈控制策略，将控制器待整定参数精简为观测器带宽、补偿因子、反馈增益等具备明确物理含义的关键参数；配合通用带宽参数化整定方法，便于工程技术人员快速完成控制系统调试与工程部署。

77、（7）抑制缆绳动态张力振荡并实现全工况高精度稳速。依托双闭环级联架构、复合前馈补偿、参数自适应调度及跨环信息融合的协同作用，实现缆绳动态张力的周期性精准调控，有效抑制张力振荡，并在全工况范围内持续保持平台高精度稳速性能。