收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

欠驱动自主水下航行器的非线性鲁棒控制策略研究

毕凤阳  
【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。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 刘盛平;陆震;吴立成;;欠驱动VTOL空间飞行器系统的非线性跟踪控制[J];系统仿真学报;2006年S2期
2 栾楠,明爱国,赵锡芳,陈建平;含有非驱动关节机器人的学习控制[J];机器人;2002年02期
3 傅雪冬,裴海龙,吴国钊;Pendubot的基于能量的非线性控制[J];机器人;2000年06期
4 高剑;徐德民;严卫生;刘明雍;张福斌;;欠驱动自主水下航行器轨迹跟踪控制[J];西北工业大学学报;2010年03期
5 孙汉旭,肖爱平,贾庆轩,王亮清;二驱动球形机器人的全方位运动特性分析[J];北京航空航天大学学报;2005年07期
6 张淑君;方勃;刘峰;童新华;;欠驱动非线性系统的控制方法研究[J];机电产品开发与创新;2006年06期
7 姜伟;何广平;;基于变结构控制的惯性轮摆控制器设计[J];北方工业大学学报;2010年01期
8 王芳;万磊;李晔;苏玉民;徐玉如;;欠驱动AUV的运动控制技术综述[J];中国造船;2010年02期
9 栾楠,明爱国,赵锡芳,陈建平;欠驱动机器人的最优轨道生成与实现[J];上海交通大学学报;2002年10期
10 施建洪;张友安;梁勇;;飞行器落角与撞击时间控制研究[J];海军航空工程学院学报;2011年04期
11 俞建蔚;肖健梅;王锡淮;;基于滑模控制的集装箱起重机防摇控制[J];控制工程;2009年S2期
12 姜紫庆;谭跃刚;;一种新型非完整开链式欠驱动机械手臂设计[J];机械设计与研究;2006年02期
13 戈新生;吴永东;;欠驱动空间机械臂输入参数化的运动规划方法[J];机械科学与技术;2011年02期
14 赵荣岗,吕恬生;一类欠驱动移动机器人动力学分析[J];上海交通大学学报;2004年09期
15 张冰,厉虹;欠驱动机械臂A crobot的模糊控制[J];北京机械工业学院学报;2005年03期
16 胡兵;戈新生;;欠驱动航天器姿态稳定的非线性控制[J];北京机械工业学院学报;2009年01期
17 周鑫;郭源博;张晓华;陈宏钧;;基于自适应跟踪控制的三相电压型PWM整流器[J];中国电机工程学报;2010年27期
18 黄兴宏;徐世杰;;欠驱动航天器的分段解耦姿态控制[J];宇航学报;2007年03期
19 刘庆波;余跃庆;;平面2R欠驱动机器人的轨迹规划与控制[J];中国机械工程;2007年24期
20 林壮;朱齐丹;原新;;欠驱动水平机械臂的遗传优化分层滑模控制[J];哈尔滨工程大学学报;2007年12期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 郑敏捷;徐世杰;;欠驱动航天器姿态控制系统退步控制设计方法[A];全国第十二届空间及运动体控制技术学术会议论文集[C];2006年
2 时红军;郑艳;;倒立摆系统的分层滑模控制[A];2009中国控制与决策会议论文集(2)[C];2009年
3 张冰;厉虹;刘小河;;粒子群优化算法在Pendubot摇起控制中的应用[A];2007年中国智能自动化会议论文集[C];2007年
4 苏朋;戈新生;;欠驱动陀螺摆的摇起和平衡控制研究[A];2007年中国智能自动化会议论文集[C];2007年
5 傅雪冬;吴国钊;裴海龙;;欠驱动机器人Pendubot的上摆和平衡控制及吸引域分析[A];1999年中国智能自动化学术会议论文集(下册)[C];1999年
6 李祖枢;谭智;张华;王育新;谢健;;三关节单杠体操机器人的倒立稳定控制[A];第二十三届中国控制会议论文集(下册)[C];2004年
7 高剑;徐德民;严卫生;刘明雍;;欠驱动自主水下航行器的非线性横向跟踪控制[A];中国自动化学会控制理论专业委员会A卷[C];2011年
8 侯恩广;董云云;李建新;;基于李雅普诺夫理论的Acrobot的摇起控制[A];自动化技术与冶金流程节能减排——全国冶金自动化信息网2008年会论文集[C];2008年
9 罗亦彪;赖旭芝;吴敏;;平面欠驱动机器人Acrobot的位置控制策略[A];中国自动化学会控制理论专业委员会A卷[C];2011年
10 张智焕;沈萌红;;欠驱动两足机器人的运动规划综述[A];全国先进制造技术高层论坛暨第九届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 毕凤阳;欠驱动自主水下航行器的非线性鲁棒控制策略研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
2 毕凤阳;欠驱动自主水下航行器的非线性鲁棒控制策略研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 刘杨;欠驱动水面船舶的非线性自适应控制研究[D];大连海事大学;2010年
4 姜宇;欠驱动质量矩飞行器的控制设计方法研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
5 朱东方;欠驱动Lagrange系统的同步控制[D];哈尔滨工业大学;2011年
6 汪洋;基于动态神经模糊模型的欠驱动水面船舶运动控制[D];大连海事大学;2010年
7 于瑞亭;欠驱动水面船舶的全局镇定控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
8 孟威;欠驱动水面船舶运动的非线性控制研究[D];大连海事大学;2012年
9 刘文江;欠驱动水面船舶航向、航迹非线性鲁棒控制研究[D];山东大学;2012年
10 刘庆波;水平运动的欠驱动机器人运动规划与控制研究[D];北京工业大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 胡云艳;欠驱动水面无人艇的航迹跟踪控制研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
2 王勇;欠驱动船舶航迹跟踪控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
3 张镇;欠驱动三连杆机器人控制策略研究[D];中南大学;2011年
4 李继平;欠驱动机械手结构与参数的优化设计[D];东北大学;2010年
5 杨开艳;欠驱动垂直起降无人飞行器的非线性控制研究[D];天津大学;2010年
6 Joseph Mudare;采用滑模控制在欠驱动系统的解决问题[D];华北电力大学;2012年
7 叶壮;欠驱动机器人的模糊控制与应用实例开发[D];北京邮电大学;2010年
8 王嘉研;欠驱动机械手的设计与实验研究[D];东北大学;2009年
9 何川骄;变掌式欠驱动机械手的研究与设计[D];东北大学;2008年
10 刘力灵;欠驱动机器人的两种新型控制方法研究[D];燕山大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 李新;ISE交付首创自主水下航行器[N];中国船舶报;2009年
2 刘勇;ABB在华关注新能源领域[N];中国能源报;2009年
3 尤莉 周楠;如东严打“两抢一盗”[N];江苏法制报;2005年
4 李文艳、臧波;借用《几何画板》进行椭圆的教学[N];中国电脑教育报;2003年
5 白静;的士司机有了安全“护身符”[N];苏州日报;2007年
6 范文;我首款交通路况预测产品问世[N];科技日报;2008年
7 本报记者 徐维欣;广州拟尝试“公车有偿私用”[N];文汇报;2011年
8 记者 何颖思 通讯员 市城管委;李坑厂排放低于欧标[N];广州日报;2011年
9 白静;苏州出租车GPS定位系统显威力[N];江苏法制报;2007年
10 齐齐哈尔大学计算机系讲师 赵鑫;新技术在数字娱乐和动漫领域的应用[N];齐齐哈尔日报;2008年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978