无人水下航行器多模型切换控制方法研究

摘要

无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)工作环境复杂，当流体密度、运载器自身负载或执行不同任务时的工作方式发生变化时往往会导致其工况发生改变，而此时传统的单模型控制很难在偏离工况的情况下满足其动态性能，如备受青睐的PID控制方法在远工况点可能会出现比例环节过大导致系统出现超调，或微分环节过大引起系统不稳定等现象。此时，为获取一种在任何工况下都能使用的控制方法，提出了一种在各个工况下构建模型集和控制库的多模型控制算法。
　　本文以模型集的构建、控制库算法的挑选、切换策略的选择、稳定性的证明为主线展开，首先通过对UUV模型系统的进行分析，依据其动力学模型和运动学模型进行模型集的构建，将UUV的数学模型解耦成纵向速度模型、水平面模型、垂直面模型。通过分析，采用纵向速度作为其工况划分点进行局部模型集的构建，分别构建出航速不同的水平面、垂直面模型集。
　　为了保证每个自由度上被控状态变量的最优控制性能，必须设计出固定模型的最优控制算法。以纵向速度为2m/s的固定模型为例，采用PID，滑模变结构、模糊控制三种控制算法对UUV的纵向速度、艏向、深度进行控制，通过相应分析采用合适的控制算法作为固定模型的最优控制算法，然后利用此控制算法进行控制库的构建，实现模型集以及相对应工况点处控制器集的设计。
　　采用两种切换方式实现固定模型集之间控制器的选择切换—T-S模糊切换(软切换)和性能指标间接切换(硬切换)，以水平面的艏向控制为例，在有无海流的情况下对比多模型切换控制和单模型控制的艏向跟踪控制性能，证明了多模型切换控制在工况多变的环境中具有改善控制系统动态性能的作用；同时对比了硬切换和软切换控制两种不同的切换方式，指出了各自的优缺点，并且提出了一种软切换方式稳定性证明的方法。
　　最后，将多模型切换控制应用到UUV轨迹跟踪过程中，采用视线引导法作为艏向、纵倾制导器解算出艏向和纵倾角的大小。在变工况的情况下，使用多模型切换控制算法进行艏向角和纵倾角的跟踪。分别在水平面和垂直面上对比单模型控制和多模型切换控制算法对UUV路径跟踪的效果，验证多模型切换控制算法的有效性。

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第1章 绪论

1.1课题背景与意义

1.2研究现状

1.3论文主要内容与章节安排

第2章 水下航行器的运动与建模

2.1引言

2.2被控对象概述

2.3水下航行器六自由度建模

2.4水下航行器模型验证

2.5本章小结

第3章 模型集构建与控制器设计

3.1引言

3.2模型集构建的方法

3.3模型的解耦

3.4模型集的构建

3.5控制器的设计

3.6本章小结

第4章 切换策略研究

4.1引言

4.2 T-S模糊切换控制

4.3性能指标间接切换控制

4.4 UUV切换控制仿真研究

4.5本章小结

第5章 多模型切换控制在UUV航迹跟踪中的应用

5.1引言

5.2航迹跟踪控制算法研究

5.3水平面多模型航迹跟踪控制仿真

5.4垂直面多模型航迹跟踪控制仿真

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文和取得科研成果

致谢