欠驅(qū)動(dòng)自主水下航行器的非線性魯棒控制策略研究.pdf

1、自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）在軍用和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)。隨著 AUV應(yīng)用范圍的增加，對(duì)其自主性的要求也隨之增加，而增加 AUV自主性的關(guān)鍵之一就是提高其控制系統(tǒng)的性能。然而出于節(jié)約成本和減輕重量的考慮，很多AUV僅具有較其運(yùn)動(dòng)自由度更少的控制裝置，是欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，欠驅(qū)動(dòng)AUV控制問(wèn)題是目前國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)難點(diǎn)。AUV的動(dòng)力學(xué)是強(qiáng)非線性的,難以獲得

2、其足夠精確的水動(dòng)力系數(shù)，易受到海流等海洋環(huán)境的干擾，這些不確定性要求控制器有很強(qiáng)的魯棒性，這使得一般的控制器很難勝任AUV的控制任務(wù)。因此對(duì)具有模型不確定性欠驅(qū)動(dòng)AUV的非線性魯棒控制研究是非常重要的。
　　本文對(duì)具有模型不確定性欠驅(qū)動(dòng)AUV的定深、水平面軌跡跟蹤和位置跟蹤的非線性魯棒控制策略作了深入系統(tǒng)的研究。
　　建立了欠驅(qū)動(dòng)AUV控制模型。給出了AUV六自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，根據(jù) AUV平移速度對(duì)地可測(cè)或僅對(duì)周?chē)?/p>

3、可測(cè)、粘性阻尼系數(shù)的標(biāo)稱(chēng)值是否已知這四種情況，建立了四個(gè)考慮參數(shù)不確定性和外界干擾的欠驅(qū)動(dòng) AUV水平面運(yùn)動(dòng)模型。利用小擾動(dòng)方法建立了垂直面運(yùn)動(dòng)模型。介紹了一些相關(guān)的控制理論和方法，并給出了一些相關(guān)的基本概念和定理。
　　針對(duì)具有模型不確定性欠驅(qū)動(dòng)AUV的定深控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種模糊滑?？刂破?。為了獲得更好的控制性能，模糊控制輸入采用了壓縮寬度隸屬度函數(shù)，模糊控制輸出采用了擴(kuò)張寬度隸屬度函數(shù)。為了更好地削弱抖振現(xiàn)象，在該模糊滑?？?/p>

4、制器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩種控制策略對(duì)該模糊滑?？刂破鬟M(jìn)行性能優(yōu)化，一是設(shè)計(jì)一定的模糊規(guī)則自適應(yīng)地調(diào)整模糊控制器的比例因子，二是基于遺傳算法對(duì)該模糊滑?？刂破鞯膮?shù)進(jìn)行了性能優(yōu)化。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制器和控制策略的有效性和魯棒性，對(duì)具有控制輸入時(shí)滯、較大參數(shù)不確定性和未建模動(dòng)態(tài)的欠驅(qū)動(dòng)AUV系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值仿真。
　　針對(duì)具有參數(shù)不確定性和外界干擾的欠驅(qū)動(dòng)AUV的水平面軌跡跟蹤問(wèn)題，根據(jù)不同情況，提出了三種控制策略：一是對(duì)于小曲率

5、軌跡跟蹤問(wèn)題，根據(jù)橫向速度遠(yuǎn)小于縱向速度這一動(dòng)力學(xué)特征，使用Backstepping方法提出了一種控制策略，其中設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)控制律來(lái)補(bǔ)償完全未知的粘性阻尼系數(shù)，使用滑?？刂坪湍：？刂品椒▉?lái)補(bǔ)償別的參數(shù)不確定性和外界干擾，并基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論證明了閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；二是假設(shè)期望偏航角速度滿足持續(xù)激勵(lì)條件，基于級(jí)聯(lián)方法提出了一種解耦控制策略，首先建立跟蹤誤差系統(tǒng)并將其解耦成兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，使用反饋線性化方法和滑模變結(jié)構(gòu)控

6、制方法各設(shè)計(jì)了一種控制律分別穩(wěn)定兩個(gè)子系統(tǒng)，最后根據(jù)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論證明了閉環(huán)控制系統(tǒng)是全局K指數(shù)穩(wěn)定的；三是對(duì)于一般情況下的欠驅(qū)動(dòng)AUV軌跡跟蹤問(wèn)題，使用Backstepping方法設(shè)計(jì)了一種魯棒軌跡跟蹤控制器，其中使用傳統(tǒng)滑模和準(zhǔn)滑?？刂品椒ㄑa(bǔ)償參數(shù)不確定性和外界干擾，推導(dǎo)出了滑?？刂圃鲆媾c參數(shù)不確定性、外界干擾和系統(tǒng)狀態(tài)的關(guān)系，分析了正負(fù)質(zhì)量和附加質(zhì)量不確定性對(duì)控制系統(tǒng)性能和控制成本的不同影響，基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論證明了閉

7、環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了驗(yàn)證這三種控制策略的有效性和魯棒性，分別對(duì)具有參數(shù)不確定性和外界干擾的欠驅(qū)動(dòng) AUV模型進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值仿真。
　　針對(duì)具有參數(shù)不確定性和外界干擾的欠驅(qū)動(dòng) AUV水平面位置跟蹤問(wèn)題，使用Backstepping和級(jí)聯(lián)方法，為前面所建立的四個(gè)水平面運(yùn)動(dòng)模型各提出了一種控制策略；其中，使用Backstepping方法設(shè)計(jì)了魯棒位置跟蹤控制器，為了補(bǔ)償完全未知的粘性阻尼系數(shù)，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)控制律，并使用滑模變結(jié)

8、構(gòu)控制方法來(lái)補(bǔ)償其他參數(shù)不確定性和外界干擾；AUV平移速度僅對(duì)周?chē)蓽y(cè)情況下，為了估計(jì)完全未知的海流速度，設(shè)計(jì)了兩種觀測(cè)器，這兩種海流觀測(cè)器都能確保海流速度估計(jì)誤差指數(shù)收斂到零；基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論和一些級(jí)聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性定理證明了四個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性、以及系統(tǒng)狀態(tài)和控制輸入的有界性。仿真結(jié)果表明所提出的控制策略能夠很好地實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng) AUV的水平面位置跟蹤控制，對(duì)完全未知的粘性阻尼系數(shù)和海流速度有很好的自適應(yīng)性，對(duì)其它參數(shù)不確