欠驱动自主水下航行器的非线性鲁棒控制策略研究

【摘要】： 自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)在军用和民用领域有着广泛的应用前景,是当前国内外研究的一个热点。随着AUV应用范围的增加,对其自主性的要求也随之增加,而增加AUV自主性的关键之一就是提高其控制系统的性能。然而出于节约成本和减轻重量的考虑,很多AUV仅具有较其运动自由度更少的控制装置,是欠驱动系统,欠驱动AUV控制问题是目前国内外研究的一个难点。AUV的动力学是强非线性的,难以获得其足够精确的水动力系数,易受到海流等海洋环境的干扰,这些不确定性要求控制器有很强的鲁棒性,这使得一般的控制器很难胜任AUV的控制任务。因此对具有模型不确定性欠驱动AUV的非线性鲁棒控制研究是非常重要的。 本文对具有模型不确定性欠驱动AUV的定深、水平面轨迹跟踪和位置跟踪的非线性鲁棒控制策略作了深入系统的研究。 建立了欠驱动AUV控制模型。给出了AUV六自由度运动学和动力学方程,根据AUV平移速度对地可测或仅对周围水可测、粘性阻尼系数的标称值是否已知这四种情况,建立了四个考虑参数不确定性和外界干扰的欠驱动AUV水平面运动模型。利用小扰动方法建立了垂直面运动模型。介绍了一些相关的控制理论和方法,并给出了一些相关的基本概念和定理。 针对具有模型不确定性欠驱动AUV的定深控制问题,设计了一种模糊滑模控制器。为了获得更好的控制性能,模糊控制输入采用了压缩宽度隶属度函数,模糊控制输出采用了扩张宽度隶属度函数。为了更好地削弱抖振现象,在该模糊滑模控制器的基础上,设计了两种控制策略对该模糊滑模控制器进行性能优化,一是设计一定的模糊规则自适应地调整模糊控制器的比例因子,二是基于遗传算法对该模糊滑模控制器的参数进行了性能优化。为了验证所设计的控制器和控制策略的有效性和鲁棒性,对具有控制输入时滞、较大参数不确定性和未建模动态的欠驱动AUV系统进行了相应的数值仿真。 针对具有参数不确定性和外界干扰的欠驱动AUV的水平面轨迹跟踪问题,根据不同情况,提出了三种控制策略:一是对于小曲率轨迹跟踪问题,根据横向速度远小于纵向速度这一动力学特征,使用Backstepping方法提出了一种控制策略,其中设计了一种自适应控制律来补偿完全未知的粘性阻尼系数,使用滑模控制和模糊滑模控制方法来补偿别的参数不确定性和外界干扰,并基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环控制系统的稳定性;二是假设期望偏航角速度满足持续激励条件,基于级联方法提出了一种解耦控制策略,首先建立跟踪误差系统并将其解耦成两个独立的子系统,使用反馈线性化方法和滑模变结构控制方法各设计了一种控制律分别稳定两个子系统,最后根据级联系统的稳定性理论证明了闭环控制系统是全局K指数稳定的;三是对于一般情况下的欠驱动AUV轨迹跟踪问题,使用Backstepping方法设计了一种鲁棒轨迹跟踪控制器,其中使用传统滑模和准滑模控制方法补偿参数不确定性和外界干扰,推导出了滑模控制增益与参数不确定性、外界干扰和系统状态的关系,分析了正负质量和附加质量不确定性对控制系统性能和控制成本的不同影响,基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环控制系统的稳定性。为了验证这三种控制策略的有效性和鲁棒性,分别对具有参数不确定性和外界干扰的欠驱动AUV模型进行了相应的数值仿真。 针对具有参数不确定性和外界干扰的欠驱动AUV水平面位置跟踪问题,使用Backstepping和级联方法,为前面所建立的四个水平面运动模型各提出了一种控制策略;其中,使用Backstepping方法设计了鲁棒位置跟踪控制器,为了补偿完全未知的粘性阻尼系数,设计了一种自适应控制律,并使用滑模变结构控制方法来补偿其他参数不确定性和外界干扰;AUV平移速度仅对周围水可测情况下,为了估计完全未知的海流速度,设计了两种观测器,这两种海流观测器都能确保海流速度估计误差指数收敛到零;基于李雅普诺夫稳定性理论和一些级联系统稳定性定理证明了四个闭环控制系统的全局稳定性、以及系统状态和控制输入的有界性。仿真结果表明所提出的控制策略能够很好地实现欠驱动AUV的水平面位置跟踪控制,对完全未知的粘性阻尼系数和海流速度有很好的自适应性,对其它参数不确定性和外界干扰具有很强的鲁棒性。