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AUV控制系统中非线性观测器设计方法研究

孔明  
【摘要】:自主水下航行器(AUV:Autonomous Underwater Vehicle)在民用和军用领域有着十分广泛的应用前景,已成为当前国内外研究的一个热点。随着AUV应用范围的扩广,其执行作业任务程度越来越复杂,对AUV控制性能指标的要求也越来越高。由于AUV系统本身具有强耦合、强非线性、模型参数摄动、易受外界环境(海浪、海流等)干扰等特性,这些复杂特性大大提高了AUV控制系统设计的难度。因此,需采用高效的控制策略方能满足AUV对于其控制高精度性能指标的需求。非线性观测器作为控制系统的重要环节,其不仅可以根据有效的测量信息观测出系统不可测的状态信息,还具有观测环境干扰,滤除高频测量噪声等作用,是提高非线性、耦合、扰动系统鲁棒性的有效方法。本文重点对AUV定速、航向、定深控制中非线性观测器的设计进行深入的研究。首先,深入研究了AUV动力学和运动学模型,建立了AUV的六自由度数学模型,包括海流、环境干扰力下的模型。为研究方便,把AUV六自由度模型解耦为两个轻微耦合的子系统:水平面模型和垂直面模型。通过仿真试验,验证了解耦后的水平面和垂直面模型的正确性。然后,详细介绍了一种不依赖于被控对象精确模型的非线性观测器—非线性扩张状态观测器(NESO:Nonlinear Extended State Observer)。以AUV水平面模型为研究对象,深入研究了在AUV定速、航向控制中NESO的设计。NESO可以实现对被控对象位置、速度、总和干扰的观测,通过对干扰的补偿,提高了被控系统对环境干扰的鲁棒性。通过仿真试验,验证了在AUV定速、航向控制系统中所设计NESO的有效性。其次,介绍了一种依赖于被控对象标称模型的非线性观测器—非线性龙伯格状态观测器(NLSO:Nonlinear Luenberger State Observer),并对其稳定性进行了简要分析。NLSO可以利用有效的位置测量信息重构出AUV的不可测状态、实现对作用在系统上的外界环境的估计,同时还具有降低由测量元件引入的高频测量噪声影响的作用。通过对AUV水平面模型运动控制仿真实验,验证了所设计NLSO的上述功能。最后,研究了AUV垂直面运动控制中非线性观测器的设计。把AUV垂直面模型简化为一个定深控制模型,以此模型为被控对象,分析和验证了NESO在其应用中的不足之处,借鉴NESO中以饱和函数估计干扰的设计思想,改进了NLSO。将NLSO与NESO相结合共同组成AUV定深控制中的非线性观测器环节,补偿了各自的不足。通过仿真,验证了NLSO-NESO方法能够满足设计需求,有利于提高控制系统的动态性能。


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