CN111638722B - 一种油浸式变压器微型仿生鱼姿态控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种油浸式变压器微型仿生鱼姿态控制方法，其技术特点是：建立油浸式变压器微型仿生鱼姿态控制下的变压器世界坐标系和微型仿生鱼随体坐标系；建立变压器微型仿生鱼简化动力学模型，并根据控制需求构建变压器微型仿生鱼滑模变结构控制器；变压器微型仿生鱼根据变压器微型仿生鱼滑模变结构控制器的控制移动至目标位置。本发明通过构建变压器微型仿生鱼滑模变结构控制器，能够控制变压器微型仿生鱼准确移动至目标位置，满足了变压器微型仿生鱼的工作任务需求,解决了常规滑模控制器频繁的切换控制率引起的微型仿生鱼推进力的突然变化造成的鱼体抖动问题。
Description
技术领域
本发明属于变压器技术领域，尤其是一种油浸式变压器微型仿生鱼姿态控制方法。
背景技术
变压器是输电***中的关键设备之一。调查表明，电气设备绝缘性能的下降是其失效的主要原因。目前电力设备局部放电在线监测***未能将局部放电信号的特征变化与电气设备绝缘体故障有效结合，难以通过局部放电对变压器内部的放电类型、放电位置、放电严重程度进行可靠的判断。但是，由于微型仿生鱼具有体积小、有能源、能运动、能感知、能定位、能通讯、少维护等优点，通过将微型仿生鱼置于变压器内部直接对绕组、绝缘纸板表面的碳痕的有无、长短进行观察，可较直观地确定绝缘故障位置以及绝缘劣化程度。
变压器微型仿生鱼需要在大型变压器油中进行巡视，大型变压器体积巨大且内部结构复杂。变压器微型仿生鱼在检测过程中，如何实现微型仿生鱼的位姿准确控制是仿生鱼任务完成的关键。由于微型仿生鱼受变压器油的影响，各自由度运动之间具有较强的耦合关系、具有强烈的非线性，因此，很难建立精确的微型仿生鱼动力学模型，通常需要大量的实验来估计多个油动力系数。但是，对于静止的油、流动的油及波动的油流，油动力性能是不一样的，所以对变压器油中微型仿生鱼的位置和姿态控制，需要控制***鲁棒性强、具有良好动态与稳定性。典型的PID控制虽然算法简单但鲁棒性不够，对被控对象模型参数变化比较敏感，并且PID控制的整定较为费时。虽然在水下航行器运动控制中神经网络控制、模糊控制已有研究和应用，但是控制器设计存在参数调节困难、结构复杂等问题。模糊控制器中隶属度函数的设定，推理方法和反模糊化方法，以及模糊规则的获取存在相当的难度。神经网络控制器的结构设计和参数设定不易确定，另外，变压器油环境的复杂性使神经网络在学习过程中容易出现明显的滞后现象，控制器易发生振荡，甚至***发散，不能满足控制器的实时性和稳定性要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种油浸式变压器微型仿生鱼姿态控制方法，解决了常规滑模控制器频繁的切换控制率引起的微型仿生鱼推进力的突然变化造成的鱼体抖动问题。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种油浸式变压器微型仿生鱼姿态控制方法，包括以下步骤：
步骤1、建立油浸式变压器微型仿生鱼姿态控制下的变压器世界坐标系和微型仿生鱼随体坐标系；
步骤2、建立变压器微型仿生鱼简化动力学模型，并根据控制需求，构建变压器微型仿生鱼滑模变结构控制器；
步骤3、变压器微型仿生鱼根据变压器微型仿生鱼滑模变结构控制器的控制移动至目标位置。
而且，所述变压器世界坐标系OwXwYwZw用来描述变压器的空间环境，其建立方法为：坐标系原点Ow以变压器一个角的顶点为原点，OwXw轴位于水平面内，方向沿着变压器的宽边且向外，OwYw轴位于水平面内，方向沿着变压器的长边且向右，OwZw轴根据坐标系右手定则确定。
而且，所述微型仿生鱼随体坐标系OfXfYfZf用来描述微型仿生鱼相对于变压器坐标系的运动，其建立方法为：坐标系的原点Of位于鱼体的中央，OfYf轴与鱼体水平中轴线重合，方向指向其游动的方向，OfZf轴与鱼体竖直轴线重合，方向向上，OfXf轴根据坐标系右手定则确定。
而且，所述变压器微型仿生鱼简化动力学模型为：
式中：ρ是当前变压器微型仿生鱼的状态量[L θ h]T，L为变压器微型仿生鱼的前进距离，θ为微型仿生鱼的绕Z轴的偏转角，h为微型仿生鱼垂直移动的距离；
为对ρ各分量的微分，
为对
各分量的微分，
U＝[u1 u2 u3]T为动力学模型输入量，u1为微型仿生鱼前进移动的推力，u2为微型仿生鱼自转时的推力，u3为微型仿生鱼垂直方向推力；
所述变压器微型仿生鱼滑模变结构控制器包括：切换函数S(x)和滑膜控制器的控制律U，即微型仿生鱼动力学模型输入量，其中：
切换函数S(x)表示如下：
式中，ζ是3×3的正定对称常值矩阵，e微型仿生鱼当前状态量ρ＝[L θ h]T和目标状态量ρ*＝[Lg θg hg]T的实时偏差；
滑膜控制器的控制律U表示如下：
式中，λ、K均为三阶正定对角阵。
而且，所述步骤2中的控制需求包括变压器微型仿生鱼的航向控制、前进移动距离控制和垂直深度控制。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明通过建立变压器微型仿生鱼简化动力学模型，并根据变压器微型仿生鱼航向控制、前进距离控制和垂直深度控制的需求，构建变压器微型仿生鱼滑模变结构控制器，解决了常规滑模控制器频繁的切换控制率引起的微型仿生鱼推进力的突然变化造成的鱼体抖动问题。
2、本发明利用变压器微型仿生鱼滑模变结构控制器，通过航向控制、前进移动距离和垂直深度控制使变压器微型仿生鱼准确移动至目标位置，且具有较好的鲁棒性和稳定性，该控制器能够满足变压器微型仿生鱼的工作任务需求。
附图说明
图1为本发明建立的变压器空间直角坐标系示意图；
图2为变压器微型仿生鱼运动过程。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
本实施例是在一种用于大型变压器内部缺陷检测的微型机器鱼装置(专利文献CN110793969A)上实现的，该微型机器鱼装置(变压器微型仿生鱼)整体结构包括头部、中部和尾部三部分。其中，仿生鱼头部为变压器的检测探头(如摄像头、测距超声传感器阵列等)，仿生鱼中部的上端部位为非密封部分，在此处安装气囊，为微型仿生鱼提供向上的浮力，除了安装气囊外此处还加装光纤陀螺仪和深度计等设备，以实现仿生鱼的闭环控制；仿生鱼中部的下端部位为密封部分，里面安装有电池、控制***、油泵、舵机和步进电机等设备，在中部两侧各安装有一对胸鳍，通过控制胸鳍的旋转方向和角度，实现变压器仿生鱼不同方向的移动。仿生鱼尾部安装有3个仿生喷口，其中仿生鱼端部的喷口为仿生鱼的前进、后退提供推力，仿生鱼侧面的喷口为仿生鱼的转弯提供旋转力矩。
本发明针对变压器油中微型仿生鱼在移动过程中的位姿控制问题，采用滑模变结构控制实现，滑模变结构控制是一种特殊的非线性控制，由于控制***中滑动模态可以进行设计且与被控对象参数及外界扰动无关，这就使滑膜控制就有较强的鲁棒性，它无需***在线辨识，具有计算量小，物理实现简单等优点，在工程实践中已有广泛应用。
本发明的设计思想是：通过建立变压器微型仿生鱼简化动力学模型，并根据变压器微型仿生鱼航向控制、前进距离控制和垂直深度控制的需求，设计了变压器微型仿生鱼滑模变结构控制器。利用该方法缩减改进滑膜控制器，解决了常规滑模控制器频繁的切换控制率引起的微型仿生鱼推进力的突然变化造成的鱼体抖动问题；在改进滑模控制器控制下变压器微型仿生鱼在航向控制、前进移动距离和垂直深度控制下可准确的移动至目标位置，且具有较好的鲁棒性和稳定性，该控制器能够满足变压器微型仿生鱼的工作任务需求。
基于上述设计思想，本发明提出一种油浸式变压器微型仿生鱼姿态控制方法，包括以下步骤：
步骤1、为便于描述变压器微型仿生鱼的位姿，建立了空间直角坐标系，如图1所示，各坐标系的定义如下：
1、变压器世界坐标系OwXwYwZw：坐标系原点Ow以变压器一个角的顶点为原点，OwXw轴位于水平面内，方向沿着变压器的宽边且向外，OwYw轴位于水平面内，方向沿着变压器的长边且向右，OwZw轴根据坐标系右手定则确定，此坐标系用来描述变压器的空间环境。
2、微型仿生鱼随体坐标系OfXfYfZf：坐标系的原点Of位于鱼体的中央，OfYf轴与鱼体水平中轴线重合，方向指向其游动的方向，OfZf轴与鱼体竖直轴线重合，方向向上，OfXf轴根据坐标系右手定则确定，此坐标系用来描述微型仿生鱼相对于变压器坐标系的运动。
变压器微型仿生鱼在执行监测任务过程中，如何有效地控制微型仿生鱼的位姿是微型仿生鱼精确到达指定位置的重要条件。由于变压器微型仿生鱼体积较小，所能配置的油中推进机构较少，包括一个主推喷口，为微型仿生鱼的前进提供推力；两个侧边喷口，为微型仿生鱼的偏航提供推力；一个体积可变气囊，为微型仿生鱼的垂直移动提供上浮、下沉的推力。变压器微型仿生鱼运动是欠自由度的，不能实现水平横移。
假设变压器世界坐标系中设置目标点的位置为Pg＝[xg,yg,zg]；微型仿生鱼当前位置为Pf＝[xf,yf,zf]；微型仿生鱼从Pf移动至Pg过程如图2所示。其移动过程为：变压器微型仿生鱼首先绕Z轴偏转θ度使得微型仿生鱼的前进方向正对目标点在水平面上的投影点，然后微型仿生鱼主推机构和垂直推力分别推动微型仿生鱼，使微型仿生鱼在水平方向上移动距离L，在垂直方向上移动距离h后到达目标点。
步骤2、建立变压器微型仿生鱼简化动力学模型，并根据变压器微型仿生鱼航向控制、前进距离控制和垂直深度控制的需求，构建变压器微型仿生鱼滑模变结构控制器。
本发明采用滑膜变结构来实现微型仿生鱼的位姿控制。滑膜控制(SMC)是一种具有滑动模式的变结构控制。当***状态到达特定的状态平面，即滑动平面时，通过切换控制量将***状态保持在滑动平面，并渐近地接***衡点。因此，通过设计滑动模态，可以得到比较满意的受控对象的动态品质。
变压器油中微型仿生鱼运动参数由向量
定义，其中，L为变压器微型仿生鱼的前进距离，
为变压器微型仿生鱼的前进速度，θ为微型仿生鱼的绕Z轴的偏转角，
为微型仿生鱼的偏航角速度，h为微型仿生鱼垂直移动的距离，
为微型仿生鱼垂直移动的速度。
变压器油中微型仿生鱼简化动力学方程如下：
式中，m为微型仿生鱼的质量，C1为微型仿生鱼在变压器油中前进移动时的阻力系数，C2为微型仿生鱼自转时的粘性系数，C3是仿生鱼垂直移动时的阻力系数，I为微型仿生鱼绕Z轴的转动惯量，d1是鱼体半径，u1为微型仿生鱼前进移动的推力，u2为微型仿生鱼自转时的推力，u3为微型仿生鱼垂直方向推力。
将
作为状态变量，U＝[u1,u2,u3]T作为输入量，Y＝[L,θ,h]T作为输出量，结合式(1)，则变压器油中微型仿生鱼的相对运动模型用状态空间方程形式表示可写为：
其中，
为便于说明滑模控制器设计的相关问题，将上述的A、B、C记为如下形式：
B＝[03×3 B1]T
C＝[I3×3 03×3]。
其中，
则变压器微型仿生鱼动力学方程则化成为：
式中，ρ是当前变压器微型仿生鱼的状态量[L θ h]T。为完成滑模控制器设计及有效性验证，设定目标状态由ρ*＝[Lg θg hg]T表示，实时偏差由e表示，ρ、ρ*、e三者之间关系为：
e＝ρ-ρ* (5)
则有
则
在本发明中，变压器微型仿生鱼滑模变结构控制器包括两部分，一部分是切换函数S(x)，该切换函数具有决策功能，可以衡量当前***的运动状态；另一部分是决定瞬时***应采取的反馈控制律。滑模控制***是由若干个子***共同构成的，其优点是各子***有其固定的控制结构，且仅作用在特定的区域内。因此，变压器微型仿生鱼滑模变结构控制器可独立设计，并分两步完成：
(1)构建切换函数S(x)；
可将滑模面(切换函数)设计成如下形式：
式中ζ是3×3的正定对称常值矩阵。
(2)根据滑动模态的到达条件设计滑模控制器。
为保证到达条件，本发明采用趋近律法，选取指数趋近律为：
式中λ、K是三阶正定对角阵。
由公式(9)和式(10)可得滑膜控制器的控制律:
由公式(11)可知，当***状态到达滑动面时，由于微型仿生鱼在移动的过程中会受到外部的一些的干扰，使得滑模控制器不停的切换控制律，来确保***在滑动平面上，但频繁的切换控制率会引起微型仿生鱼推进力的突然变化，引起仿生鱼的抖动，为解决该抖动问题，本发明对滑模控制率进行了改进，改进后的滑模控制律如下：
步骤3、变压器微型仿生鱼根据变压器微型仿生鱼滑模变结构控制器的控制下移动至目标位置。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种油浸式变压器微型仿生鱼姿态控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、建立油浸式变压器微型仿生鱼姿态控制下的变压器世界坐标系和微型仿生鱼随体坐标系；
步骤2、建立变压器微型仿生鱼简化动力学模型，并根据控制需求，构建变压器微型仿生鱼滑模变结构控制器；
步骤3、变压器微型仿生鱼根据变压器微型仿生鱼滑模变结构控制器的控制移动至目标位置；
所述变压器微型仿生鱼简化动力学模型为：
式中：ρ是当前变压器微型仿生鱼的状态量[Lθh]T，L为变压器微型仿生鱼的前进距离，θ为微型仿生鱼的绕Z轴的偏转角，h为微型仿生鱼垂直移动的距离；
为对ρ各分量的微分，
为对
各分量的微分，
U＝[u1u2u3]T为动力学模型输入量，u1为微型仿生鱼前进移动的推力，u2为微型仿生鱼自转时的推力，u3为微型仿生鱼垂直方向推力；
所述变压器微型仿生鱼滑模变结构控制器包括：切换函数S(x)和滑膜控制器的控制律U，即微型仿生鱼动力学模型输入量，其中：
切换函数S(x)表示如下：
式中，ζ是3×3的正定对称常值矩阵，e微型仿生鱼当前状态量ρ＝[Lθh]T和目标状态量ρ*＝[Lgθghg]T的实时偏差；
滑膜控制器的控制律U表示如下：
式中，λ、K均为三阶正定对角阵。
2.根据权利要求1所述的一种油浸式变压器微型仿生鱼姿态控制方法，其特征在于：所述变压器世界坐标系OwXwYwZw用来描述变压器的空间环境，其建立方法为：坐标系原点Ow以变压器一个角的顶点为原点，OwXw轴位于水平面内，方向沿着变压器的宽边且向外，OwYw轴位于水平面内，方向沿着变压器的长边且向右，OwZw轴根据坐标系右手定则确定。
3.根据权利要求1所述的一种油浸式变压器微型仿生鱼姿态控制方法，其特征在于：所述微型仿生鱼随体坐标系OfXfYfZf用来描述微型仿生鱼相对于变压器坐标系的运动，其建立方法为：坐标系的原点Of位于鱼体的中央，OfYf轴与鱼体水平中轴线重合，方向指向其游动的方向，OfZf轴与鱼体竖直轴线重合，方向向上，OfXf轴根据坐标系右手定则确定。
4.根据权利要求1所述的一种油浸式变压器微型仿生鱼姿态控制方法，其特征在于：所述步骤2中的控制需求包括变压器微型仿生鱼的航向控制、前进移动距离控制和垂直深度控制。
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