自抗扰控制技术在AUV航向控制中的应用

摘要

AUV是一个具有六自由度，非线性、耦合性、模型不确定性以及外界干扰都非常严重的系统，因此其航向控制问题是一个难题。本文为提高AUV航向控制的精确性、鲁棒性和稳定性，对自抗扰控制技术，以及它在AUV航向控制中的应用进行了深入的分析和研究。 首先，根据流体力学理论和AUV的实际外形确定了AUV受到的水动力，得到了一个符合AUV运动特性的空间六自由度的数学模型，进而得到三自由度的AUV航向运动模型。 其次，介绍了自抗扰控制技术的基本原理，自抗扰控制器的结构及各个组成部分和离散算法，针对自抗扰控制器参数整定的问题，数值仿真研究了各个参数对控制效果的影响，确定了参数整定的原则。 再次，运用自抗扰控制技术设计了自抗扰航向控制器，使用MATLAB中的simulink搭建了自抗扰航向控制系统，进行航向控制的仿真。使用C++语言将所设计的自抗扰航向控制器算法编写成具有通用接口的函数形式，加入到AUV动态控制计算机中，进行航向控制的半实物仿真。 仿真结果表明，自抗扰航向控制器具有较好的控制效果，能够克服海流、脉冲偏航力矩、定常偏航力矩的干扰，与PID控制器相比，在无干扰和有海流干扰情况下，控制效果更好。本文的研究成果为自抗扰控制技术应用于AUV的航速、纵倾、深度、航迹跟踪控制提供了依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2 AUV控制技术的发展状况

1.3本文的研究方法

1.4本文的主要研究内容

第2章AUV的运动与建模

2.1引言

2.2研究对象概述

2.3 AUV航向控制系统模型的组成

2.4 AUV运动分析中的坐标系

2.4.1固定坐标系

2.4.2运动坐标系

2.4.3坐标系的变换

2.5 AUV空间运动方程

2.5.1 AUV的平移运动方程

2.5.2 AUV的旋转运动方程

2.6 AUV空间运动受力分析

2.6.1 AUV的艇体水动力

2.6.2 AUV的静力

2.6.3 AUV的舵力

2.6.4 AUV推进器的推力

2.7 AUV空间六自由度运动模型

2.8海流的干扰模型

2.9 AUV航向运动的数学模型

2.10本章小结

第3章 自抗扰控制技术的基本原理

3.1自抗扰控制技术的发展历程

3.1.1自抗扰控制技术的思想发展历程

3.1.2自抗扰控制器的发展历程

3.2自抗扰控制器的原理

3.2.1跟踪微分器

3.2.2扩张状态观测器

3.2.3非线性反馈控制律

3.3二阶自抗扰控制器的离散算法

3.3.1跟踪微分器TD离散算法的实现

3.3.2扩张状态观测器ESO离散算法的实现

3.3.3非线性误差反馈控制律NLSEF离散算法的实现

3.4自抗扰控制器的应用

3.5本章小结

第4章 自抗扰航向控制器的设计

4.1引言

4.2自抗扰控制器的设计思路

4.3自抗扰控制器的参数整定

4.3.1跟踪微分器参数的整定

4.3.2扩张状态观测器的参数整定

4.3.3非线性反馈控制律的参数整定

4.4自抗扰航向控制器的设计

4.4.1自抗扰航向控制器的设计

4.4.2自抗扰航向控制系统的各个模块的设计与实现

4.4.3自抗扰航向控制器整定的参数

4.5本章小结

第5章 AUV航向控制仿真

5.1引言

5.2 sjmulink环境下的航向控制仿真

5.3航向控制的半实物仿真

5.3.1无干扰环境下的仿真

5.3.2海流干扰下的航向控制仿真

5.3.3脉冲偏航力矩干扰下的航向控制仿真

5.3.4定常偏航力矩干扰下的航向控制仿真

5.3.5自抗扰控制器与PID控制器的性能比较

5.4本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致 谢