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水下机器人特性分析及其控制方法研究

温秀平  
【摘要】:水下机器人作为人类探索和开发海洋的工具,其在军事和民用两方面都发挥着重要的作用,21世纪将是水下机器人技术迅速发展和应用的时代,水下机器人这一高新技术也将成为学者们研究的重点。到目前为止,学者们已经将多种控制方法应用到了水下机器人系统中,已取得了很多优秀的成果,但是对于水下机器人的控制来说仍有很多问题有待于解决。考虑到水下机器人所处的海洋环境的复杂多变,如何在不同海况下实时判定水动力系数,进而建立相对精确的数学模型,如何设计更为有效的控制器来控制水下机器人的运动,如何在系统出现执行器和传感器故障情况下设计稳定的控制器来帮助水下机器人完成任务,这些都是需要我们进一步研究的问题。 本论文首先从水下机器人的系统特性出发,以速度势函数作为桥梁,利用势流理论研究了水下机器人所处海况与水动力系数的关系;其次,在不考虑系统出现故障的情况下,对水下机器人系统进行线性化处理,进而给出了水下机器人航向和潜深控制器的设计方法;最后,针对水下机器人的强耦合、非线性的特点,同时考虑执行器和传感器故障,提出了几种容错控制方法。 本论文在充分继承前人成果的基础上,作了进一步的研究,主要取得了下面的创新性成果: 一、设计了鲁棒H∞航向控制器和潜深控制器。在不考虑执行器和传感器故障的情况下,利用线性矩阵不等式知识为水下机器人航向控制系统、潜深控制系统分别设计了鲁棒H∞航向控制器和潜深控制器。所设计的基于状态观测器的鲁棒H∞控制器,解决了部分状态不可测的自治式水下机器人航向控制系统的控制器设计问题,并实现了状态观测器和控制器的同时设计,和前人给出的方法相比具有收敛速度快和待求参数矩阵少的特点。另外,在已有的自治式水下机器人潜深动力学模型的基础上,给控制输入引入了一个具有硬性限制的控制舵角扰度,使得所研究的控制问题更具有实际意义。应用线性矩阵不等式的处理方法,将控制受限的水下机器人的潜深控制器的存在问题转化为线性矩阵不等式是否有可行解的问题。该方法的给出为水下机器人潜深控制器设计方法提供了新的思路; 二、提出了基于线性矩阵不等式的H∞容错控制方法。利用线性矩阵不等式知识,针对一类非线性项满足利普希茨条件的非线性系统,分别给出了只发生执行器故障和同时发生传感器、执行器故障两种情况下的H∞容错控制器设计方法,并将该方法成功应用到水下机器人航向控制系统中。该H∞容错控制方法不仅保证了水下机器人系统在故障和正常情况下系统的稳定性,而且对干扰具有较好的抑制作用,它不仅适用于水下机器人航向控制系统,也适用于非线性项满足李普希茨条件的多输入的非线性系统,该容错控制方法为非线性系统的容错控制提供了新途径; 三、提出了基于反馈线性化的水下机器人保性能容错控制方法,该方法不仅可以保证具有传感器故障时的系统的稳定性,还可以使系统具有指定的性能指标,为解决水下机器人传感器故障问题提供了新思路,具有一定的理论和实际意义; 四、提出了基于故障诊断观测器的容错控制方法,分别针对具有常值故障和时变故障两种故障形式的非线性系统,设计了故障诊断观测器和容错控制器,将适用于线性系统的容错控制方法推广到了一类特殊的非线性系统,拓宽了应用范围,并将该方法应用到水下机器人航向控制系统中。文中所设计的容错控制器不仅可以保证故障系统的渐进稳定性,还可以使故障系统满足多种性能指标。在矩阵不等式的处理过程中,采用分块矩阵形式,使得运算简单方便。


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