水下機(jī)器人特性分析及其控制方法研究.pdf

1、水下機(jī)器人作為人類探索和開發(fā)海洋的工具，其在軍事和民用兩方面都發(fā)揮著重要的作用，21世紀(jì)將是水下機(jī)器人技術(shù)迅速發(fā)展和應(yīng)用的時代，水下機(jī)器人這一高新技術(shù)也將成為學(xué)者們研究的重點(diǎn)。到目前為止，學(xué)者們已經(jīng)將多種控制方法應(yīng)用到了水下機(jī)器人系統(tǒng)中，已取得了很多優(yōu)秀的成果，但是對于水下機(jī)器人的控制來說仍有很多問題有待于解決?？紤]到水下機(jī)器人所處的海洋環(huán)境的復(fù)雜多變，如何在不同海況下實(shí)時判定水動力系數(shù)，進(jìn)而建立相對精確的數(shù)學(xué)模型，如何設(shè)計(jì)更為有效的控

2、制器來控制水下機(jī)器人的運(yùn)動，如何在系統(tǒng)出現(xiàn)執(zhí)行器和傳感器故障情況下設(shè)計(jì)穩(wěn)定的控制器來幫助水下機(jī)器人完成任務(wù)，這些都是需要我們進(jìn)一步研究的問題。
　　 本論文首先從水下機(jī)器人的系統(tǒng)特性出發(fā)，以速度勢函數(shù)作為橋梁，利用勢流理論研究了水下機(jī)器人所處海況與水動力系數(shù)的關(guān)系；其次，在不考慮系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，對水下機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行線性化處理，進(jìn)而給出了水下機(jī)器人航向和潛深控制器的設(shè)計(jì)方法；最后，針對水下機(jī)器人的強(qiáng)耦合、非線性的特點(diǎn)，同時考

3、慮執(zhí)行器和傳感器故障，提出了幾種容錯控制方法。
　　 本論文在充分繼承前人成果的基礎(chǔ)上，作了進(jìn)一步的研究，主要取得了下面的創(chuàng)新性成果：
　　 一、設(shè)計(jì)了魯棒H∞航向控制器和潛深控制器。在不考慮執(zhí)行器和傳感器故障的情況下，利用線性矩陣不等式知識為水下機(jī)器人航向控制系統(tǒng)、潛深控制系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了魯棒H∞航向控制器和潛深控制器。所設(shè)計(jì)的基于狀態(tài)觀測器的魯棒H∞控制器，解決了部分狀態(tài)不可測的自治式水下機(jī)器人航向控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)

4、問題，并實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)觀測器和控制器的同時設(shè)計(jì)，和前人給出的方法相比具有收斂速度快和待求參數(shù)矩陣少的特點(diǎn)。另外，在已有的自治式水下機(jī)器人潛深動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，給控制輸入引入了一個具有硬性限制的控制舵角擾度，使得所研究的控制問題更具有實(shí)際意義。應(yīng)用線性矩陣不等式的處理方法，將控制受限的水下機(jī)器人的潛深控制器的存在問題轉(zhuǎn)化為線性矩陣不等式是否有可行解的問題。該方法的給出為水下機(jī)器人潛深控制器設(shè)計(jì)方法提供了新的思路；
　　 一、提出了基

5、于線性矩陣不等式的H∞容錯控制方法。利用線性矩陣不等式知識，針對一類非線性項(xiàng)滿足利普希茨條件的非線性系統(tǒng)，分別給出了只發(fā)生執(zhí)行器故障和同時發(fā)生傳感器、執(zhí)行器故障兩種情況下的H∞容錯控制器設(shè)計(jì)方法，并將該方法成功應(yīng)用到水下機(jī)器人航向控制系統(tǒng)中。該H∞容錯控制方法不僅保證了水下機(jī)器人系統(tǒng)在故障和正常情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且對干擾具有較好的抑制作用，它不僅適用于水下機(jī)器人航向控制系統(tǒng)，也適用于非線性項(xiàng)滿足李普希茨條件的多輸入的非線性系統(tǒng)，該容

6、錯控制方法為非線性系統(tǒng)的容錯控制提供了新途徑；
　　 三、提出了基于反饋線性化的水下機(jī)器人保性能容錯控制方法，該方法不僅可以保證具有傳感器故障時的系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以使系統(tǒng)具有指定的性能指標(biāo)，為解決水下機(jī)器人傳感器故障問題提供了新思路，具有一定的理論和實(shí)際意義；
　　 四、提出了基于故障診斷觀測器的容錯控制方法，分別針對具有常值故障和時變故障兩種故障形式的非線性系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了故障診斷觀測器和容錯控制器，將適用于線性系統(tǒng)的容