基于非线性观测器的潜艇滑模控制联合操舵技术研究

摘要

在陆地资源日益匮乏的今天，人们逐渐将目光聚焦到了海洋上，作为海洋防御的重要军事武器，关于潜艇的技术研究已经在世界范围内广泛展开。因为其任务的隐秘性和机动性，使得潜艇具有复杂的机械结构，它的系统具有高度的非线性且系统参数时变，因此，良好的操纵性在潜艇的运动控制过程中就表现的尤为重要。操舵控制是潜艇的操纵控制系统中的关键组成环节，针对复杂的海域情况和作战任务，研究设计出良好的操舵控制系统具有十分重要的意义。 潜艇在海洋环境中的运动控制可以解耦为在水平面上的航向控制和在垂直面上的深度及纵倾控制，本文主要研究潜艇在垂直面上的定深控制问题。对于同时具备围壳舵和艉舵来实现垂直面运动控制的潜艇系统，设计出了不同的操舵控制策略；针对定深控制过程中的纵倾角控制问题，设计了基于视线角的自适应制导律来获得合适的期望纵倾角；针对运动控制过程中可能出现的不确定动态误差干扰，设计了非线性干扰观测器（NDO）和扩张状态观测器（ESO），并基于这两种非线性观测器设计出了鲁棒性较好的滑模控制器来进行干扰存在时的运动控制，最后利用数字模拟仿真实验来对比分析所设计的操舵策略的优劣，同时验证了基于观测器的控制器的可行性和有效性。 首先，本文通过整理相关的资料文献，总结归纳出了潜艇垂直面运动控制技术的研究现状及发展趋势，介绍了观测器技术以及滑模变结构控制在潜艇运动控制过程中的应用，并针对参与研究的实际项目“小尺度无人潜艇”的结构特性，控制系统组成进行了介绍，拓展到一般的潜艇系统，针对潜艇的运动特性，建立了潜艇运动的参考坐标系，推导出了潜艇的运动学模型和动力学模型，并进一步得到了潜艇垂直面运动的简化模型。 其次，分析围壳舵和艉舵在潜艇垂直面运动控制中的特性，设计出了单舵定深控制、双舵分离定深控制以及联合操舵定深控制的操舵控制策略；针对潜艇垂直面定深运动过程中纵倾角与深度的耦合问题，设计出了基于视线角的自适应制导律，为潜艇提供符合操纵性特点的运动制导；利用深度通道和纵倾通道的误差，设计了鲁棒性较好的滑模控制器，针对滑模控制过程中出现的抖振现象，采用幂次趋近加边界层的方法予以解决。 然后，为了解决在控制过程中可能出现的建模误差、测量误差、环境变化等干扰，设计了可以直接观测干扰值的非线性干扰观测器（NDO）和可以观测干扰作用影响的扩张状态观测器（ESO），并基于所设计的观测器，设计出了相应的滑模控制器，对于所设计的观测器和控制器都进行了稳定性证明。 最后，通过模拟仿真实验观察了非线性观测器的观测效果，得到了干扰情况下的基于非线性观测器的控制效果和不基于观测器的控制效果，对比分析得到了基于非线性观测器的控制器的优越性，验证了基于非线性观测器的控制器的可行性和有效性。

目录

第一个书签之前

摘 要

Abstract

目 录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 潜艇操纵控制技术发展现状及趋势

1.3 滑模控制及观测器技术研究现状

1.4 本文的主要研究工作

2 小尺度无人潜艇系统介绍

2.1 小尺度无人潜艇硬件组成架构

2.2 小尺度无人潜艇控制系统组成

2.2.1 水面监控系统

2.2.2 艇载控制系统

2.3 运动规划及控制单元简介

2.3.1 运动规划及控制单元功能设计

2.3.2 运动规划及控制单元算法设计

2.4 本章小结

3 潜艇操纵运动建模

3.1 坐标系及符号规则

3.2 潜艇运动学模型

3.3 潜艇动力学模型

3.4 垂直面深度控制模型简化

3.5 本章小结

4 潜艇定深控制联合操舵技术研究

4.1 滑模控制

4.1.1 滑模控制原理

4.1.2 潜艇定深运动滑模控制器设计

4.1.3 滑模控制抖振问题分析

4.1.4 仿真结果对比

4.2 单舵控制

4.3 联合操舵控制

4.4 仿真结果对比

4.4.1 单舵控制

4.4.2 联合操舵控制

4.4.3 单舵控制VS联合操舵控制

4.5 本章小结

5 基于非线性观测器的联合操舵算法研究

5.1 非线性干扰观测器（NDO）设计

5.2 基于NDO的反演滑模控制器设计

5.3 扩张状态观测器（ESO）设计

5.4 基于ESO的滑模控制器设计

5.5本章小结

6 潜艇定深运动控制仿真实验研究

6.1 不基于观测器的定深运动滑模控制

6.1.1 无外部环境干扰也无内部参数摄动

6.1.2 存在外部环境干扰无内部参数摄动

6.1.3 同时存在外界环境干扰及内部参数摄动

6.2 基于NDO的定深运动反演滑模控制

6.2.1 只存在外界环境干扰

6.2.2 同时存在外界环境干扰及内部参数摄动

6.3 基于ESO的定深运动滑模控制

6.3.1 只存在外界环境干扰

6.3.2 同时存在内部参数扰动及外界环境干扰

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 课题展望

致 谢

参考文献

附录一 攻读硕士学位期间撰写的论文