欠驅(qū)動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，是當前國內(nèi)外研究的一個熱點。隨著 AUV應(yīng)用范圍的增加，對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僅具有較其運動自由度更少的控制裝置，是欠驅(qū)動系統(tǒng)，欠驅(qū)動AUV控制問題是目前國內(nèi)外研究的一個難點。AUV的動力學(xué)是強非線性的,難以獲得

2、其足夠精確的水動力系數(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)。因此對具有模型不確定性欠驅(qū)動AUV的非線性魯棒控制研究是非常重要的。
　　本文對具有模型不確定性欠驅(qū)動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AUV控制模型。給出了AUV六自由度運動學(xué)和動力學(xué)方程，根據(jù) AUV平移速度對地可測或僅對周圍水

3、可測、粘性阻尼系數(shù)的標稱值是否已知這四種情況，建立了四個考慮參數(shù)不確定性和外界干擾的欠驅(qū)動 AUV水平面運動模型。利用小擾動方法建立了垂直面運動模型。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。
　　針對具有模型不確定性欠驅(qū)動AUV的定深控制問題，設(shè)計了一種模糊滑?？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)計了兩種控制策略對該模糊滑?？刂破鬟M行性能優(yōu)化，一是設(shè)計一定的模糊規(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該模糊滑?？刂破鞯膮?shù)進行了性能優(yōu)化。為了驗證所設(shè)計的控制器和控制策略的有效性和魯棒性，對具有控制輸入時滯、較大參數(shù)不確定性和未建模動態(tài)的欠驅(qū)動AUV系統(tǒng)進行了相應(yīng)的數(shù)值仿真。
　　針對具有參數(shù)不確定性和外界干擾的欠驅(qū)動AUV的水平面軌跡跟蹤問題，根據(jù)不同情況，提出了三種控制策略：一是對于小曲率

5、軌跡跟蹤問題，根據(jù)橫向速度遠小于縱向速度這一動力學(xué)特征，使用Backstepping方法提出了一種控制策略，其中設(shè)計了一種自適應(yīng)控制律來補償完全未知的粘性阻尼系數(shù)，使用滑模控制和模糊滑?？刂品椒▉硌a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)激勵條件，基于級聯(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)并將其解耦成兩個獨立的子系統(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)計了一種控制律分別穩(wěn)定兩個子系統(tǒng)，最后根據(jù)級聯(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；三是對于一般情況下的欠驅(qū)動AUV軌跡跟蹤問題，使用Backstepping方法設(shè)計了一種魯棒軌跡跟蹤控制器，其中使用傳統(tǒng)滑模和準滑?？刂品椒ㄑa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，分析了正負質(zhì)量和附加質(zhì)量不確定性對控制系統(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。為了驗證這三種控制策略的有效性和魯棒性，分別對具有參數(shù)不確定性和外界干擾的欠驅(qū)動 AUV模型進行了相應(yīng)的數(shù)值仿真。
　　針對具有參數(shù)不確定性和外界干擾的欠驅(qū)動 AUV水平面位置跟蹤問題，使用Backstepping和級聯(lián)方法，為前面所建立的四個水平面運動模型各提出了一種控制策略；其中，使用Backstepping方法設(shè)計了魯棒位置跟蹤控制器，為了補償完全未知的粘性阻尼系數(shù)，設(shè)計了一種自適應(yīng)控制律，并使用滑模變結(jié)

8、構(gòu)控制方法來補償其他參數(shù)不確定性和外界干擾；AUV平移速度僅對周圍水可測情況下，為了估計完全未知的海流速度，設(shè)計了兩種觀測器，這兩種海流觀測器都能確保海流速度估計誤差指數(shù)收斂到零；基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論和一些級聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性定理證明了四個閉環(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現(xiàn)欠驅(qū)動 AUV的水平面位置跟蹤控制，對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，對其它參數(shù)不確