基于分层模糊系统的月球探测车协调驱动自适应容错控制方法

摘要

本发明涉及一种基于分层模糊系统的月球探测车协调驱动自适应容错控制方法。本发明在系统存在不确定性和外部干扰的情况下，针对执行器故障设计了容错控制器，步骤为：

说明书

技术领域

 本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种基于分层模糊系统的月球探测车协调驱动自适应容错控制方法。

背景技术

 在探月工程中，月球探测车发挥着极其重要的作用。月球探测车是各种探测仪器的载体，其基本功能是具有在未知环境的复杂路面行走的能力。月球表面大多数地方都覆盖着细尘和碎岩，称为月壤层。从物理特性来看，月壤层的土壤多数比较松软，并且有较多的小砂石分布。这种土壤条件对探测车的自主行驶提出了很大挑战，月球探测车在这种复杂的地形环境中执行科学探测任务，必须具备性能优越、自适应能力强的控制系统。月球探测车的驱动控制系统作为月球探测车最底层的执行机构，其稳定性及快速性在很大程度上制约着月球探测车的自主行为能力，并且在复杂的未知环境中，月球探测车机械部件和控制系统极易出现故障，同时人类往往无法对月球探测车进行直接干预，因此，要确保月球探测车能在较长的时间里和复杂的工作环境下顺利完成预定任务，就需要建立容错机制以提高控制系统的可靠性。另外，对于在月表复杂环境下运行的探测车来说，探测车精确的驱动动力学模型是很难得到的，因此，需要解决模型参数不确知情况下的容错控制问题。

迄今为止，对月球探测车的驱动容错控制问题的研究仅见于孙多青撰写的论文“六轮摇臂式月球探测车协调驱动自适应模糊容错控制”（《宇航学报》，2012年第1期）；该文利用模糊逻辑系统设计了容错控制器。由于月球探测车的驱动控制系统具有多个输入变量，而众所周知，当处理含有多个输入变量的系统时，采用模糊控制存在一个普遍的困难：模糊控制器中规则数目随系统变量个数呈指数增长，即“维数灾”问题，这严重降低了控制的实时性，使得在工程上难以实现。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种实时性好，控制精度较高，且能保证闭环系统稳定性的基于分层模糊系统的月球探测车协调驱动自适应容错控制方法，以提高复杂和未知环境中月球探测车的驱动控制系统的可靠性，防止因执行器故障引起的月球探测车失控。

实现本发明目的的技术方案是：一种基于分层模糊系统的月球探测车协调驱动自适应容错控制方法，其通过以下步骤实现：

 第一步，给定车轮滑转率                                               的期望值，；

 第二步，根据给定的车轮滑转率的期望值，限定在动态过程中的变化范围；

 第三步，根据已知参数和未知参数的变化范围，给出月球探测车在松软土壤上行驶时驱动系统动力学方程中的未知函数的界函数以及未知控制增益的上界函数和下界函数；即和,满足：

，，                  (1)

其中月球探测车在松软土壤上行驶时的驱动系统动力学方程为：

                     (2)

(2)式中：为状态向量；为车轮驱动力矩，是系统的输入；为系统的输出；为未知的干扰项；为未知的非线性故障函数，是故障发生函数，定义为

，

为故障发生的时刻；和为未知的非线性连续函数，其表达式分别为

          (3)

,    ；                                       (4)

(3)和(4)式中，为整车质量；为车轮半径；为车轮转动惯量；为车速；为车轮在竖直方向上的负载；，，，为拟合系数；

第四步，给出未知故障函数的界函数以及未知的干扰项的界；

第五步，给出各层模糊系统的输入变量的论域；并选取隶属函数；

第六步，分别用如下两层模糊逻辑系统：

，,      (5)

来逼近，和；且

     ，，；                  (6)

其中，，，，，，为模糊基函数；, , 为参数向量，； 

第七步，计算误差，并设计参数向量, , 的自适应律；

第八步，根据第七步得到的参数向量, , , 设计分层模糊容错控制器：

 ，                                          (7)                   

其中，

                                         (8)

(8)式中，表示检测出故障的时刻；

(8)式中为故障发生前的等效控制项，设计为

，                             (9)

(8)式中是故障发生后补偿的控制与等效控制量的和，设计为

，                          (10)

(8)式中为故障发生前的监督控制项，设计为

  ，          (11)

(11)式中，当时，当时；；是根据容许的状态量之上界而选定的正常数。符号的含义是： 当时，，当时，；

(8)式中为故障发生后的监督控制项，设计为

，         (12)

其中，(12)式中；

(7)式中为误差补偿控制项，设计为

，                                        (13)

(13)式中为设计参数，且的选取满足。

本发明的有益效果是：

 由于控制结构中使用了分层模糊系统，克服了当处理含有多个输入变量的系统时，存在的一个普遍的困难，即模糊控制器中规则数目随系统变量个数呈指数增长，使得模糊控制难以应用。利用分层模糊系统设计控制器，可使规则数目大大减少，便于实时控制。

 跟踪误差收敛到原点的小邻域内，且通过适当增大设计参数的值，可提高控制精度。

 故障发生前、后的控制精度均较高，且稳态时间短。

 当执行器故障发生时，是利用分层模糊系统来逼近，不需要使用两套模糊系统分别逼近和，因而，进一步减少了模糊规则数目，从而，减少了需要在线估计参数的数量，进而，进一步提高了控制的实时性。

 由于滑转率直接反映了各轮与整车及月面的运动关系，行驶过程中的某些危险状态可直接通过各轮的滑转率反映出来，故通过对滑转率的控制，可直接实现探测车的平稳、协调运动。此外，驱动效率主要取决于车轮的滑转率，通过对滑转率的合理控制，可有效提高整车的驱动效率。

 本发明提出的控制方法保证了闭环系统的稳定性。

附图说明   

图1为本发明实施例中对车轮滑转率的期望值的跟踪曲线图；

 图2为本发明实施例中对车轮滑转率的期望值的跟踪曲线图；

图3为本发明实施例中对车轮滑转率的期望值的跟踪曲线图。

具体实施方式

为使本发明的内容和技术方案更加清楚明白，下面结合实施例对本发明进一步详细说明。

实施例：

本基于分层模糊系统的月球探测车协调驱动自适应容错控制方法的具体实施步骤：

第一步，给定车轮滑转率的期望值，由于车体结构的对称性，仅需考虑整车的一半模型，即的情形。在实施例中，取，即期望的输出。

第二步，根据给定的车轮滑转率的期望值，限定在动态过程中的变化范围。在实施例中，的变化范围取。

第三步，根据已知参数和未知参数的变化范围，给出月球探测车在松软土壤上行驶时的驱动系统动力学方程中的未知函数的界函数以及未知控制增益的上界函数和下界函数；即和,满足：

，。                   (1)

其中月球探测车在松软土壤上行驶时的驱动系统动力学方程为：

                     (2)

(2)式中：为状态向量；为车轮驱动力矩，是系统的输入；为系统的输出；为未知的干扰项；为未知的非线性故障函数；是故障发生函数，定义为

，

为故障发生的时刻；和为未知的非线性连续函数，其表达式分别为

 ，        (3)

,    ；                                       (4)

(3)和(4)式中，为整车质量；为车轮半径；为车轮转动惯量；为车速；为车轮在竖直方向上的负载；，，，为拟合系数；

(3)式和(4)式中的各个参数值见文献“月球探测车动力学建模与协调驱动控制”（王佐伟, 吴宏鑫, 梁斌. 第22届中国控制会议论文集, 武汉理工大学出版社, 2003, 24(5): 554-557）。

在实施例中，假设, 和是未知的，但它们的界是已知的；为方便起见，不妨假设其它参数是已知的，且已知，，。则由(3)式和(4)式知

，；

；

；

, ；

 第四步，给出故障函数的界函数以及未知的干扰项的界。

在实施例中，未知的故障函数取为

,  。

故可假设已知。

加于3个车轮上的摄动及干扰取为

。

故可估计出，。

第五步，给出各层模糊系统的输入变量的论域，并选定隶属函数：

输入变量, , 的论域是根据的变化范围来确定的；在实施例中，由第二步可知的论域为；隶属函数取为

 ，，

           ，。

, 为第1层模糊系统的输入变量，第1层模糊系统的输出变量, , 连同是第2层模糊系统的输入变量；, , 的论域均为[0, 1]（参见文献：孙多青, 霍伟. 具有任意形状隶属函数的分层模糊系统逼近性能研究. 控制理论与应用, 2003, 20(3):377-381）。在实施例中，相应的隶属函数取为

，，。

第六步，分别用如下两层模糊逻辑系统：

，,     (5)

来逼近，和；且

     ，，。                   (6)

故障发生前只须用模糊系统和分别逼近和，不需要用模糊系统逼近。

其中，所采用的两层模糊逻辑系统规则库的形式为：

第1层模糊系统的规则形式为：

如果为且为，则。

式中分别是将模糊化后得到的模糊变量，是模糊集，，为第1层模糊规则库中所含模糊规则的个数，为的函数。若采用模糊单值产生器，乘积推理规则，加权平均去模糊化方法，则该层模糊系统的输出为：

，

式中分别为相应的隶属函数。

第2层模糊系统的规则形式为：

如果为，且为，则。

式中,分别是将模糊化后得到的模糊变量，,是模糊集，，为第2层模糊规则库中所含模糊规则的个数，为的函数。若采用模糊单值产生器，乘积推理规则，加权平均去模糊化方法，则第2层模糊系统的输出为：

，

其中，分别为,相应的隶属函数。

 记, ，定义模糊基函数如下：

    ; 。

则有

, 。                 (6—1)

其中，，，，

 于是模糊系统总的输出可表示为：

，                                  (6—2)

其中由(6—1)式确定。       

第七步，计算误差，并按如下的参数向量自适应律(6—3)至(6—7)式对, , 进行自适应调节。

1）采用下列自适应律来调节参数向量（；）：

        (6—3)

其中投影算子定义为。

 2）采用下列自适应律来调节参数向量（）：

          (6—4)

其中，。

 3）采用下列自适应律来调节参数向量（）：

当的某一分量时，采用

                              (6—5)

式中为的第个分量；

否则，采用

     (6—6)

其中，。

 4）采用下列自适应律来调节参数向量（；）：

        (6—7)

其中，。

在以上自适应律中，，都是调节增益；正常数，，由设计者给定。

在实施例中，取, , 。正常数，，可分别取为，，在变化范围内的最大值，分别为90.34，20.089，301.335。

第八步，根据第七步得到的参数向量, , , 设计分层模糊容错控制器：

 ，                                           (7)                   

其中，

                                         (8)

(8)式中，表示检测出故障的时刻；

 (8)式中设计为

，                             (9)

在实施例中，取。

 (8)式中设计为

，                          (10)

 (8)式中设计为

  ，          (11)

(11)式中，当时，当时；；是根据容许的状态量之上界而选定的正常数。在实施例中，因, 的期望值，则期望，取即可保证在期望的变化范围内。

(8)式中设计为

，         (12)

其中，(12)式中。

(7)式中设计为

，                                        (13)

(13)式中为设计参数，且的选取满足。在实施例中，取，则满足。 

在实施例中，初始条件取为: =[0.5, 0.5, 0.5]^T, (0), 和(0)在(0, 1)中随机选取。故障发生的时刻=0.01秒。

先取，仿真实验结果如图1、图2、图3中的虚线所示，图1中的虚线是对车轮滑转率的期望值的跟踪曲线，图2中的虚线是对车轮滑转率的期望值的跟踪曲线，图3中的虚线是对车轮滑转率的期望值的跟踪曲线；

再取，仿真实验结果如图1、图2、图3中的实线所示，图1中的实线是对车轮滑转率的期望值的跟踪曲线，图2中的实线是对车轮滑转率的期望值的跟踪曲线，图3 中的实线是对车轮滑转率的期望值的跟踪曲线；由图1、图2、图3可见，增大的值确实可使误差减小。

仿真实验结果表明，当执行器发生故障时，采用本发明提出的方法，系统可以在较短的时间内恢复正常工作。此外，本发明提出的方法还具有如下特点：通过适当增大设计参数的值可减小跟踪误差，提高了稳态精度。

采用传统模糊逻辑系统需要4³*6=384条规则，而本发明所采用的两层模糊逻辑系统中模糊规则数目为（16+20）*6=216，减少了44%的规则数目。如果在, , 的论域上均取5个隶属函数，且采用传统模糊逻辑系统则需5³*6=750条规则，而采用本发明所使用的两层模糊逻辑系统，则需要的模糊规则数目为（25+25）*6=300，减少了60%的规则数目。

另外，本发明中，当执行器故障发生时是利用分层模糊系统来逼近，不需要使用两套模糊系统分别逼近和。这说明，进一步减少了模糊规则数目，使得控制的实时性得到进一步提高。如果按现有理论，执行器故障发生后，使用两套模糊系统分别逼近和，采用传统模糊逻辑系统则需4³*9=576条规则，本发明与之相比减少了62.5%的规则数目；如果在, , 的论域上均取5个隶属函数，采用传统模糊逻辑系统则需5³*9=1125条规则，本发明与之相比减少了73.33%的规则数目。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。