一種基于T?S模型和PDC的UUV垂直面運動H_∞控制方法

一種基于T?S模型和PDC的UUV垂直面運動H_∞控制方法
【專利摘要】本發明屬于水下運動體控制技術領域，具體涉及一種基于T?S模型和PDC的UUV垂直面運動H∞控制方法。本發明包括建立UUV垂直面運動模型，包括UUV深度控制模型和UUV縱傾控制模型；利用T?S模型對UUV的深度及縱傾系統進行建模；基于并行分布補償PDC方法設計H∞控制器；運用深度?縱傾協調控制變深的方法控制UUV的下潛，以保證縱傾角滿足設計要求。通過建立基于T?S模型的UUV的深度及縱傾模型，并且基于并行分布補償(PDC)方法設計垂直面運動H∞控制器，利用深度?縱傾協調控制變深的方法控制UUV的下潛，解決UUV下潛過程中縱傾角過大的問題，以保證UUV作業的安全性。
【專利說明】
一種基于T-S模型和PDC的UUV垂直面運動Hoo控制方法
技術領域
[0001] 本發明屬于水下運動體控制技術領域，具體涉及一種基于τ-s模型和PDC的UUV垂 直面運動Ε?控制方法。
【背景技術】
[0002] 無人水下航行器(11]11]^11116(11]11(16,3丨61^611；[016，1]群)是一種基于高新技術的小型 水下自航載體，可以通過遙控或者自主操作的方式完成特定的水下作業任務。利用UUV可以 進行深海勘探，海洋資源開發，沉船打撈以及軍事上的港口戰術偵查等任務。垂直面運動雖 然是UUV空間運動的一個特殊情形，但卻是其完成使命任務的關鍵，對UUV垂直面運動控制 問題的研究在理論研究與工程實踐方面都有著重要的意義。UUV的運動具有嚴重的非線性， 而且航速經常需要改變。隨著UUV智能化和控制精度要求以及對外界干擾抑制能力要求的 提高，UUV運動控制技術也面臨著巨大的挑戰，一些經典的控制算法由于自身的局限性已不 能滿足對UUV的高精度控制。
[0003] 文獻《基于LMI的He?濾波器在UUV縱傾控制中的應用》（中國造船，2013年，第54卷第 4期)基于LMI方法為UUV的縱傾控制系統設計了一個最優魯棒ft?濾波器，然后，利用特殊的 雙線性變換方法解決了 UUV縱傾控制系統方程的虛軸上存在極點不滿足濾波器設計條件的 問題。最后將設計的魯棒Η?濾波器應用于UUV縱傾控制系統，然而文獻并沒有建立具體的 UUV垂直面的Τ-S模型，而是通過濾波器的魯棒性來解決縱傾控制問題，本發明采取的控制 方法與其有著本質的區別。
[0004] 文獻《潛器垂直面運動的綜合控制技術研究》（哈爾濱工程大學碩士學位論文， 2008.)研究了 UUV下潛過程中縱傾角過大的問題，并利用滑模變結構控制器在UUV下潛過程 中加入縱傾角判斷模塊，用以實現對下潛過程中縱傾角的限制，但未對深度和縱傾的控制 進行協調切換，本發明采用Η?深度控制器對UUV的深度進行控制，同時加入縱傾角判斷模 塊，實現了深度控制和縱傾控制的切換，可以對UUV下潛過程的深度-縱傾進行協調控制。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的在于提供了一種能夠在UUV處于變航速及受到海流干擾的情況下， 對uuv垂直面的運動進行控制的基于τ-s模型和roc的uuv垂直面運動Ε?控制方法。
[0006] 本發明的目的是這樣實現的：
[0007] (1)建立UUV垂直面運動模型，包括UUV深度控制模型和UUV縱傾控制模型；
[0008] UUV垂直面運動模型為
[0009] 垂向方程：
[0021] 式中，m為UUV質量;L為UUV的長度;P為海水密度;B為UUV所受的浮力;u、V、w為UUV 縱向、橫向和垂向分速度;q、P、r為UUV縱傾、橫傾和垂向角速度;x、y、z為UUV縱蕩、橫蕩和垂 蕩位移;xc、yc、z G為UUV縱向、橫向和垂向重心；供為UUV橫搖角、Θ為UUV縱傾角、Φ為UUV艏搖 角；心為水平舵舵角;X、Y、Z為UUV縱向、橫向和垂向作用力;K、M、N為UUV縱向、橫向和垂向作 用力矩;Z' (.)、)為無因次水動力系數，I (.)為艇體坐標系下對軸的轉動慣量;重心與浮 心坐標分別為(〇,〇,〇)、（〇,〇, ZB); J為UUV對原點不在重心坐標系的慣量矩陣，
[0023 ] (2)利用T-S模型對UUV的深度及縱傾系統進行建模；
[0024] UUV深度及縱傾控制系統含有擾動的非線性系統的狀態空間描述為：
[0025] i⑴=/(x(，)，i/(，), tv ⑴）
[0026] 式中，X(t) eRn為狀態變量;U(t) eRm為控制輸入變量;w(t) er，w(t) eL2(R)為 外界擾動;f(t)為非線性函數；
[0027] 用如下τ-s模糊系統逼近上述UUV垂直面子系統，規則如下：
[0028] Ri: if ξι(?) is Mil and ξ2(?) is Mi2. · .andlp(t) is MiP
[0029] theni(,)二 4.-'·(〇 +盡〃 (，) + "?'⑴ / = 1，2，··，?·
[0030] z(t)=Cx(t)+Du(t)
[0031] 式中石(1:)4 = 1，2，...，1'模糊規則的前件變量此」(」=1，2，-_4)為模糊集合# 為規則個數；（A i，B i，Η)為第i個子系統相應維數的矩陣;R i為模糊系統的第i條規則;C，D為 被控輸出相應維數的矩陣，得到UUV垂直面子系統的全局模糊模型：
[0035] &(〖(〇)表示|(t)屬于模糊集合的隸屬函數，同時也表示第i條規則的適用度； hUU))表示規范化隸屬度函數；
[0036] (3)基于并行分布補償roc方法設計Ε?控制器；
[0037] 模糊系統為：
[0039] 得到模糊控制結構：
[0040] Ri: if ξι(?) is Mil and. · · ξΡ(?) is MiP
[0041] then u(t) =KiX(t)，i = 1，2，···，r;
[0042] 全局系統模糊控制器為：
[0044] 閉環系統為：

[0047] (4)運用深度-縱傾協調控制變深的方法控制UUV的下潛，以保證縱傾角滿足設計 要求。
[0048]本發明的有益效果在于:通過建立基于T-S模型的UUV的深度及縱傾模型，并且基 于并行分布補償(PDC)方法設計垂直面運動ft?控制器，利用深度-縱傾協調控制變深的方法 控制UUV的下潛，解決UUV下潛過程中縱傾角過大的問題，以保證UUV作業的安全性。
【附圖說明】
[0049] 圖1 UUV垂直面運動控制硬件結構圖；
[0050] 圖2 UUV深度控制系統原理圖；
[0051 ]圖3 UUV縱傾控制系統原理圖；
[0052] 圖4 PDC原理圖；
[0053]圖5 UUV深度-縱傾協調控制的流程圖。
【具體實施方式】
[0054]下面結合附圖對本發明做更詳細地描述。
[0055]本發明公開了一種基于T-S模型和roCXParallei Distributed Compensation)的 UUV(Unmanned Underwater Vehicle)垂直面運動H〇〇控制方法，其目的在于針對UUV處于變 航速工作特點以及受海流干擾情況下，對UUV垂直面的運動進行控制。首先，利用T-S模型對 UUV的深度及縱傾控制系統進行逼近；然后，基于PDC方法利用LMI (Linear Matrix Inequality)設計ft?控制器;最后，針對UUV下潛過程縱傾角過大的問題，利用設計的ft?深度 控制器及縱傾控制器進行深度縱傾協調控制，本發明對于設定的航速區間內能夠較好的實 現深度及縱傾控制，具有較好的動態性能，而利用設計的深度控制器及縱傾控制器進行 深度-縱傾協調控制變深方法可以有效減小UUV下潛過程的縱傾角，保證航行器的安全。 [0056]本發明涉及的一種基于T-S模型和PDC的UUV垂直面運動Η~控制方法的工作原理： 運動控制計算機在接收到控制指令后，將UUV的俯仰角、航速初始狀態輸入τ-s模型計算出 狀態反饋系數輸入基于roc設計的He?控制器，利用深度控制器對UUV的深度進行控制，同 時加入縱傾角判斷模塊：當縱傾角大于設計要求時，從He?深度控制切換至He?縱傾控制，當縱 傾角不大于設計要求時，則切換回深度控制。具體包括：
[0057] 1建立UUV垂直面運動模型，包括UUV深度控制模型和UUV縱傾控制模型；
[0058] 2利用Τ-S模型對UUV的深度及縱傾系統進行建模；
[0059] 3基于并行分布補償(PDC)方法設計Ε?控制器；
[0060] 4運用深度-縱傾協調控制變深的方法控制UUV的下潛，以保證縱傾角滿足設計要 求。
[0061 ] 1、結合圖5, 一種基于Τ-s模糊模型和PDC的UUV垂直面控制具體實施步驟可描述 為：
[0062] 1)用戶輸入UUV的期望深度；
[0063] 2)進行深度控制，運動控制計算機接收期望深度指令，結合傳感器反饋的初始狀 態信息輸入τ-s模糊模型求解出控制器狀態反饋系數。
[0064] 3)控制器通過解算當前傳感器反饋的實時狀態信息，輸出舵角控制指令；
[0065] 4)舵機執行控制指令時，若縱傾角沒有超過限制，UUV繼續運行直至達到期望深度 并輸出控制深度，若縱傾角超過限制則需要進行縱傾控制并轉至步驟2。如此形成閉環控制 系統實現UUV垂直面的深度控制和縱傾控制。
[0066] 2、UUV垂直面的深度控制和縱傾控制包含了硬件結構的搭建、基于Τ-S模型建立的 UUV深度及縱傾模型、垂直面運動Ε?控制器的解算，結合附圖對本發明詳細的描述：
[0067] 結合圖1，搭建的UUV垂直面運動控制硬件結構圖。多普勒計程儀、可編程運動控制 器、深度傳感器、姿態傳感器組成UUV垂直面的傳感器系統;ARM和運動控制計算機組成UUV 垂直面的控制器系統;可編程運動控制器和水平舵組成UUV垂直面的執行機構。傳感器系統 提供俯仰角、航速、深度信息，這些信息通過串口發送給運動控制計算機。運動控制計算機 在接收到數據后進行相應的模數轉換并結算出舵角指令，同時通過以太網輸出舵角指令給 ARM后控制執行機構控制UUV的深度和縱傾角。
[0068] 3、結合圖2和圖3，建立UUV垂直面運動模型，包括UUV深度控制模型和UUV縱傾控制 模型。
[0069]由于UUV結構的對稱性，假設艇體坐標系的原點位于UUV的重心，參考六自由度模 型，可得UUV垂直面運動模型如式（1)~式(4)所示。
[0070] 垂向方程：

[0081 ] 式中，m為UUV質量;L為UUV的長度;P為海水密度;B為UUV所受的浮力;u、V、W為UUV 縱向、橫向和垂向分速度;q、P、r為UUV縱傾、橫傾和垂向角速度;x、y、z為UUV縱蕩、橫蕩和垂 蕩位移;xc、yc、z G為UUV縱向、橫向和垂向重心；辦為UUV橫搖角、Θ為UUV縱傾角、Φ為UUV艏搖 角；心為水平舵舵角;X、Y、Z為UUV縱向、橫向和垂向作用力;K、M、N為UUV縱向、橫向和垂向作 用力矩;Z' (.)、)為無因次水動力系數，I (.)為艇體坐標系下對軸的轉動慣量;重心與浮 心坐標分別為（〇,〇,〇)、（〇,〇，^);】為[]1^對原點不在重心坐標系的慣量矩陣，
[0082]為了便于控制器的設計，下面對UUV的深度及縱傾模型進行適當的簡化。
[0083] 1)UUV深度控制模型
[0084]在對UUV進行深度控制時，忽略水平面運動以及方程中一些非主要因素的作用，并 且不計垂向方程（1)對深度控制的影響，在UUV航速為U0的工況下進行線性化處理(w~0，v ~〇，口~〇，1^〇，識》〇.，(3〇8 0^；1，8；[110~0)，得到方程組：
[0086] 0 = q + de (5)
[0087] ζ ^-ιιβ + d
[0088] 式中，dq，de，ck包括模型線性化產生的誤差、不確定性以及外界擾動，對于系統的 有界輸入，它們是有界的。令UUV的深度指令為常數，滿足€ = 0 ,引入新的變量ζβ = ζΓ-ζ 得：
[0090]由（5)式和(6)式可得UUV在航速為U0時的線性標稱深度控制系統的狀態方程：
[0093] 2)UUV縱傾控制模型
[0094]假設UUV的重心G位于運動坐標系的原點0，同時忽略水平面運動以及橫搖運動參 數的影響（即認為v，P，r是小量），并且不計運動參數的高階項，可得方程組：
[0097]式中，dq，dw，de包括模型線性化產生的誤差、不確定性以及外界擾動，對于系統的 有界輸入，它們是有界的。令UUV平臺的縱傾角指令為常數I，其滿足條件4 =〇,引入新的 變量0e=0r-0，得：
[0099]由（8)式和(9)式可得UUV在航速為uo時的線性標稱縱傾控制系統的狀態方程：
[0101]其中，A = H-= %
[0103] 4、基于τ-s模型的Η~控制器設計
[0104] 1)UUV垂直面子系統的T-S模型描述
[0105]假設UUV垂直面子系統(深度及縱傾控制系統)含有擾動的非線性系統的狀態空間 描述為：
[0106] Λ·(/)-/(.ν(/),/?(/),νν(/)) (11)
[0107] 式中，x(t) eRn為狀態變量;U(t) eRm為控制輸入變量;w(t) er，w(t) eL2(R)為 外界擾動(海流、海流及測量噪聲等）；f(t)為非線性函數。
[0108] 用如下τ-s模糊系統逼近上述UUV垂直面子系統，規則如下：
[0109] Ri: if ξι(?) is Mil and ξ2(?) is Mi2. · .and ξΡ(?) is MiP
[0110] thenx(t) = Aix(t) + Biif(t) + Hw(t) / = 1,2,···,γ (12)
[0111] z(t) =Cx(t)+Du(t)
[0112] 式中，Ci(t) ,i = l ,2,. . . ,r模糊規則的前件變量;Mij( j = l ,2,··· ,p)為模糊集合;r 為規則個數；（A i, B i, Η)為第i個子系統相應維數的矩陣;R i為模糊系統的第i條規則;C, D為 被控輸出相應維數的矩陣，則可得UUV垂直面子系統的全局模糊模型：
[0115] &(〖(〇)表示|(t)屬于模糊集合的隸屬函數，同時也表示第i條規則的適用度； hUU))表示規范化隸屬度函數。
[0116] 2)基于roc的Ε?控制器設計
[0117] 由圖4PDC的原理可知，基于roc的模糊控制器的設計享用模糊模型的前件。假設模 糊系統如（14)式所示，則可得(15)式的模糊控制結構：
[0120]全局系統模糊控制器為：
[0122]由（13)式及（16)式可得閉環系統：
[0125] 對于T-S模糊系統（13)，設計狀態反饋控制器(16)，使得閉環系統（17)漸進穩定并 且對于給定的γ>〇,對所有的w(t)eL 2[0，+00)，滿足| |z(t)| |2<γ | |w(t)| |2,即具有Η? 范數界。
[0126] 定理1:對于給定常數γ>0,存在狀態反饋控制器u(t)=K(h)x(t)，使得閉環系統 (17)漸進穩定且滿足| |z(t)| |2<γ | |w(t)| |2的充要條件是存在正定矩陣Q和矩陣R(h)，使 得：
[0128]成立，那么所設計的狀態反饋控制器為：
[0131]下面分析不等式(18)的可解性：
[0134] 成立。其中，Q = P-
[0135] 對T-S模糊廣義系統進行了魯棒ft?控制問題的研究，以此為基礎結合上述分析，有 下面定理成立：
[0136] 定理2:系統（13)是Ε?可穩定的，如果存在共同的非奇異正定對稱矩陣Q，滿足：

[0139]其中：Ri = KiQ。狀態反饋控制器為：
[0141] (21)式和(22)式是一個關于Q、Ri的LMIs。
[0142] 5、基于T-S模型的UUV深度-縱傾協調控制
[0143] 對于UUV下潛過程中縱傾角過大的問題，利用滑模變結構控制器在UUV下潛過程中 加入縱傾角判斷模塊，用以實現對下潛過程中縱傾角的限制，本發明利用設計的控制器 實現UUV下潛過程的深度-縱傾協調控制。深度-縱傾協調控制的基本思路為:首先利用ft?深 度控制器對UUV的深度進行控制，同時加入縱傾角判斷模塊：當縱傾角大于設計要求時，從 Η?深度控制切換至Ε?縱傾控制，當縱傾角不大于設計要求時，則切換回Ε?深度控制。
[0144] 本發明的優點是運用深度-縱傾協調控制在UUV變深過程中對縱傾角起到了嚴格 的限制效果，對UUV作業的安全性也更高。
【主權項】
1. 一種基于T-S模型和PDC的UUV垂直面運動He?控制方法，其特征在于，包括如下步驟： (1)建立UUV垂直面運動模型，包括UUV深度控制模型和UUV縱傾控制模型； UUV垂直面運動模型為 垂向方程：式中，m為UUV質量;L為UUV的長度;P為海水密度;B為UUV所受的浮力;u、v、w為UUV縱向、 橫向和垂向分速度;q、P、r為UUV縱傾、橫傾和垂向角速度;X、y、Z為UUV縱蕩、橫蕩和垂蕩位 移;XG、yG、ZG為UUV縱向、橫向和垂向重屯、;為抓乂橫搖角、θ為UUV縱傾角、Φ為UUV臘搖角；Ss 為水平艙艙角;X、Y、Z為UUV縱向、橫向和垂向作用力;K、M、N為UUV縱向、橫向和垂向作用力 矩;2/(.)、1/(.)為無因次水動力系數，1(.)為艇體坐標系下對軸的轉動慣量;重屯、與浮屯、坐 標分別為(0,0,0)、（0,0，ZB);J為UUV對原點不在重屯、坐標系的慣量矩陣，(2) 利用T-S模型對UUV的深度及縱傾系統進行建模； UUV深度及縱傾控制系統含有擾動的非線性系統的狀態空間描述為：式中，x(t)er為狀態變量;u(t)er為控制輸入變量;w(t)eR9，w(t)eL2(R)為外界擾 動;f(t)為非線性函數； 用如下T-S模糊系統逼近上述UUV垂直面子系統，規則如下： Ri:if Ci(t)is Mil andC2(t)is Mi2...and Cp(t)is Mip then 0 = (i) +.聳!(i) +.化 i. (?) / = 1，2,…，/' z(t) =Cx(t)+Du(t) 式中，Ci (t)，i = 1，2，. . .，r模糊規則的前件變量;Mij (j = 1，2，…，p)為模糊集合;r為規 則個數；（Αι,Βι,Η)為第i個子系統相應維數的矩陣;Ri為模糊系統的第i條規則;C，D為被控 輸出相應維數的矩陣，得到UUV垂直面子系統的全局模糊模型：βι(ξ(υ)表示ξ(υ屬于模糊集合Mu的隸屬函數，同時也表示第i條規則的適用度； hia(t))表示規范化隸屬度函數； (3) 基于并行分布補償PDC方法設計He?控制器； 模糊系統為：全局系統模糊控制器為：(4)運用深度-縱傾協調控制變深的方法控制UUV的下潛，W保證縱傾角滿足設計要求。
【文檔編號】G05D1/06GK106094842SQ201610487739
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】張勛, 李昀澄, 凌飛, 周佳加, 陳濤, 張宏瀚
【申請人】哈爾濱工程大學