廉成斌 ，唐獻(xiàn)平 ，荊雪燕 ，郝?lián)碥姡ㄖ袊?guó)艦船研究院，北京 100101）

魚(yú)雷型無(wú)人水下航行器魯棒控制器設(shè)計(jì)

廉成斌 ，唐獻(xiàn)平 ，荊雪燕 ，郝?lián)碥?br/>（中國(guó)艦船研究院，北京 100101）

針對(duì)魚(yú)雷型無(wú)人水下航行器航行過(guò)程中外界環(huán)境干擾復(fù)雜，航行體系統(tǒng)內(nèi)部干擾嚴(yán)重的特殊問(wèn)題，并同時(shí)考慮系統(tǒng)參數(shù)劇烈變化造成的系統(tǒng)不確定性，設(shè)計(jì)縱向魯棒控制器。該控制器采用 PID 控制器作為標(biāo)稱控制器控制標(biāo)稱受控對(duì)象。利用非線性狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)受控系統(tǒng)中的不確定性和外界環(huán)境干擾，并通過(guò)補(bǔ)償控制律補(bǔ)償，使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)具有魯棒性。將此方法應(yīng)用于魚(yú)雷型無(wú)人水下航行器魯棒控制器的設(shè)計(jì)，可大大提高魚(yú)雷型無(wú)人水下航行器航行過(guò)程中對(duì)干擾的抑制和對(duì)不確定性的適應(yīng)能力，保證魚(yú)雷型無(wú)人水下航行器在整個(gè)航行過(guò)程中的姿態(tài)穩(wěn)定，以保證航行任務(wù)的完成。

魚(yú)雷型無(wú)人水下航行器；不確定性；魯棒控制器；非線性狀態(tài)觀測(cè)器

0　引 言

無(wú)人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）自 20 世紀(jì)中期開(kāi)始探索發(fā)展至今，其在海洋活動(dòng)及軍事中的作用和價(jià)值越來(lái)越受到海洋國(guó)家的高度重視。其中，以魚(yú)雷型UUV為載體加裝模塊化的功能載荷，具備海洋環(huán)境調(diào)查、海戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)搜集等任務(wù)的信息型UUV受到海洋國(guó)家尤其是海洋軍事強(qiáng)國(guó)的重視［1-2］，其典型的航行體外型如圖1所示。

魚(yú)雷型信息 UUV 航行速度低，工作環(huán)境干擾多，流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)含有建模誤差。由于其搭載的眾多聲、光學(xué)成像載荷對(duì)載體穩(wěn)定姿態(tài)要求高，使得設(shè)計(jì)魚(yú)雷型 UUV的姿態(tài)控制系統(tǒng)成為一個(gè)難題。

本文針對(duì)魚(yú)雷型 UUV 航行過(guò)程中外界干擾強(qiáng)烈問(wèn)題，并同時(shí)考慮系統(tǒng)中的不確定性，提出一種由標(biāo)稱控制器、擾動(dòng)估計(jì)器和補(bǔ)償控制器構(gòu)成的魯棒控制器。在該魯棒控制器中，避免了復(fù)雜控制率轉(zhuǎn)換和大量的控制增益調(diào)節(jié)，就能保證控制系統(tǒng)具有好的魯棒性?；谠O(shè)計(jì)的控制器構(gòu)型，標(biāo)稱控制器為 PID 控制器，擾動(dòng)估計(jì)器為非線性狀態(tài)觀測(cè)器，其主要作用是對(duì)系統(tǒng)的不確定項(xiàng)和外界干擾組成的復(fù)合干擾項(xiàng)進(jìn)行觀測(cè)逼近。并合理設(shè)計(jì)補(bǔ)償控制器以解決流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)和外界擾動(dòng)大范圍劇烈變化情況下的UUV 航行姿態(tài)魯棒控制問(wèn)題。

圖1　魚(yú)雷型 UUV 外型圖Fig.1　TheeExternal configuration of torpedo type UUV

1　魚(yú)雷型 UUV 魯棒控制器

1.1魯棒控制器的原理

傳統(tǒng)的魯棒控制方法具有無(wú)法兼顧系統(tǒng)的性能和魯棒性的缺陷，經(jīng)過(guò)深入魚(yú)雷型 UUV 航行特點(diǎn)和控制需求，設(shè)計(jì)主魯棒控制器構(gòu)型。該控制器可分為 2 部分，一是以跟蹤誤差為輸入的主控制器，二是以觀測(cè)誤差為輸入的補(bǔ)償控制器。主控制器可用現(xiàn)有的控制理論設(shè)計(jì)，主要考慮系統(tǒng)的性能；補(bǔ)償控制器主要考慮如何容忍各種不確定性和外部干擾，這意味著在魯棒控制器構(gòu)型下，系統(tǒng)性能和魯棒性可以同時(shí)兼顧。

本文所設(shè)計(jì)的魯棒控制器構(gòu)型如圖2所示。

圖2　魯棒控制器構(gòu)型Fig.2　The configuration of robust controller

由圖2可見(jiàn)，該魯棒控制器由主控制器、擾動(dòng)估計(jì)器和補(bǔ)償控制器3個(gè)子模塊構(gòu)成。其中，主控制器以跟蹤誤差為輸入，補(bǔ)償控制器以擾動(dòng)估計(jì)為輸入，這里擾動(dòng)包括系統(tǒng)不確定性、流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)偏離標(biāo)稱值的變化或 UUV 航行時(shí)外部環(huán)境的干擾。

當(dāng)受控系統(tǒng)未受到擾動(dòng)時(shí)，僅主控制器起作用，擾動(dòng)估計(jì)器輸出為 0 ；當(dāng)受控系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)或流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)偏離標(biāo)稱值時(shí)，擾動(dòng)估計(jì)器對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)并輸出補(bǔ)償調(diào)整信號(hào)，驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償控制器工作來(lái)克服系統(tǒng)擾動(dòng)對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)性能、甚至閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。補(bǔ)償控制作用可在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)，使整個(gè)受控系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性［3］。

1.2魚(yú)雷型 UUV 縱向魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控制器可采用現(xiàn)有成熟的控制方法來(lái)設(shè)計(jì)，本文采用 PID 控制器。通過(guò)選取航路上的平衡點(diǎn)，利用小擾動(dòng)線性化方法得到魚(yú)雷型 UUV 縱向線性化模型如下：

式中：

本文研究的魚(yú)雷型 UUV，口徑 210mm，長(zhǎng)度 2.85m，重量 175kg，表面積為 2.114m2，設(shè)計(jì)航速為 2kn，航深 50m。利用 CFD 計(jì)算其流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)并以此得到縱向傳遞函數(shù)如下：

針對(duì) UUV 航行特點(diǎn)，選取 PID 控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　縱向PID控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3　The longitudinal PID controller

對(duì)于補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)，主要研究基于 NESO的擾動(dòng)估計(jì)器設(shè)計(jì)和補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)。

1.3基于 NESO的擾動(dòng)估計(jì)器

擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（Extended state observer，ESO）能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)和干擾估計(jì)的一種應(yīng)用廣泛的觀測(cè)器，其以輸出誤差為輸入，即可以對(duì)受控對(duì)象的狀態(tài)量進(jìn)行估計(jì)，還可對(duì)受控系統(tǒng)的不確定性模型和外界環(huán)境擾動(dòng)總和進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。按照其估計(jì)原理可以分為線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（Linear extended state observer，LESO）和非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（Nonlinear extended state observer，NESO）2 種［4］。

為了設(shè)計(jì)擾動(dòng)估計(jì)器，針對(duì)于魚(yú)雷型 UUV 縱向動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)如下 NESO［5-6］：

其中，

由上式可看出，擴(kuò)張狀態(tài) z3可以逼近魚(yú)雷型 UUV縱向模型中的干擾項(xiàng)△。

圖4　基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的擾動(dòng)估計(jì)Fig.4　The disturbance estimation based on extended state observer

1.4基于 NESO的補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的原理，下面以單變量系統(tǒng)為例說(shuō)明其補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)方法和穩(wěn)定性分析，擴(kuò)張狀態(tài)補(bǔ)償控制律為［8］：

加入補(bǔ)償控制律后的系統(tǒng)和二階擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器一起構(gòu)成的整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)為：

其中，

式中v（t）為假設(shè)的擴(kuò)張狀態(tài)的導(dǎo)數(shù)。

在本文設(shè)計(jì)的魯棒控制構(gòu)型下，當(dāng)受控系統(tǒng)未受到外界環(huán)境干擾或者流體動(dòng)力參數(shù)沒(méi)有出現(xiàn)偏差的情況下，利用主控制器控制控制魚(yú)雷型 UUV 是閉環(huán)穩(wěn)定的且滿足工程設(shè)計(jì)要求。若受控系統(tǒng)受到外界干擾或流體動(dòng)力參數(shù)出現(xiàn)偏差，則 NESO 可對(duì)其進(jìn)行估計(jì)，并通過(guò)補(bǔ)償控制器輸出的補(bǔ)償控制信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，即可保證在主控制器和補(bǔ)償控制器共同作用下的系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定，且具有較好的性能。

圖5　基于 NESO的魯棒控制系統(tǒng)Fig.5　robust control system based on NESO

2　仿真驗(yàn)證

將所設(shè)計(jì)的魯棒控制器應(yīng)用于魚(yú)雷型 UUV的縱向姿態(tài)控制問(wèn)題。由于魚(yú)雷型 UUV流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)存在很大的不確定性。另外，由于利用 CFD 計(jì)算得到的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)與真實(shí)流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間存在一定的偏差，流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)偏差會(huì)導(dǎo)致 UUV 動(dòng)態(tài)特性的變化，所有這些不確定性和偏差可以歸結(jié)為系統(tǒng)方程中的干擾項(xiàng)。為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的魯棒控制器的控制特性。

首先，選取彈道上某特征點(diǎn)，針對(duì)小擾動(dòng)線性化模型進(jìn)行仿真，考察在控制器作用下實(shí)際攻角對(duì)指令攻角的跟蹤效果。

1）特征點(diǎn)選取為航行深度 100m，航行速度 8kn。

2）根據(jù) PID 控制器參數(shù)理論設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后，確立PID控制器參數(shù)為：內(nèi)環(huán)反饋控制增益K=30。

3）根據(jù) NESO 理論給出的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)際仿真效果，確立NESO參數(shù)為

考慮到魚(yú)雷型 UUV 在執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)航行深度變化寬廣，該區(qū)域流體參數(shù)存在很大的不確定性，基于目前的測(cè)試手段，很難得到精確值。另外，由于理論計(jì)算得到的流體動(dòng)力參數(shù)與真實(shí)參數(shù)之間存在一定的偏差，而這些偏差會(huì)導(dǎo)致航行體動(dòng)態(tài)特性的變化，因此引入 75％的俯仰力矩系數(shù)偏差作為干擾輸入，分別以 PID和 PID+NESO 兩種控制結(jié)構(gòu)跟蹤指令攻角，具體仿真結(jié)果如下圖6～圖9所示。

圖6　無(wú)干擾模型的PID 控制跟蹤效果Fig.6　PID control tracking effect without interference

圖7　縱向力矩參數(shù)正向拉偏+外界干擾的PID 控制跟蹤效果Fig.7　PID control tracking effect of the longitudinal moment parameters of the positive bias+external disturbance

圖8　縱向力矩參數(shù)正向拉偏+外界干擾的PID+NESO 控制跟蹤效果Fig.8　PID +NESO control tracking effect of the longitudinal moment parameters of the positive bias+external disturbance

圖9　縱向力矩參數(shù)負(fù)向拉偏+外界干擾的PID 控制跟蹤效果Fig.9　PID control tracking effect of the longitudinal moment parameters of the negative bias+external disturbance

圖10　縱向力矩參數(shù)正向拉偏加外界干擾的PID+NESO 控制跟蹤效果Fig.10　PID +NESO control tracking effect of the longitudinal moment parameters of the negative bias+external disturbance

由圖3～圖5可見(jiàn)，如果僅采用 PID 控制器，由于俯仰力矩系數(shù)偏差和外加干擾的影響，在整個(gè)仿真航行過(guò)程中，實(shí)際攻角對(duì)指令攻角的跟蹤效果有一定誤差；而采用 PID+NESO 控制器仍然具有較好的跟蹤效果。這說(shuō)明 PID+NESO 控制器克服了參數(shù)偏差所帶來(lái)的影響，具有較強(qiáng)的魯棒性。

3　結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)分析魚(yú)雷型 UUV 進(jìn)行偵察任務(wù)時(shí)的航行特點(diǎn)，對(duì)航行控制的特點(diǎn)及不確定性進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。設(shè)計(jì)魯棒控制器構(gòu)型。在此構(gòu)型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)以跟蹤誤差為輸入的控制器，以及以觀測(cè)誤差為輸入的補(bǔ)償控制器，對(duì)控制量進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)償。

根據(jù)魚(yú)雷型 UUV 航行所需控制器的特點(diǎn)，采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器來(lái)估計(jì)流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化及外部干擾所形成的不確定性。在應(yīng)用擴(kuò)張觀測(cè)器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)補(bǔ)償控制器，對(duì)系統(tǒng)及外界環(huán)境產(chǎn)生的不確定性進(jìn)行補(bǔ)償。將補(bǔ)償控制器與設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的主控制器按照控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行結(jié)合，共同構(gòu)成了魚(yú)雷型UUV的魯棒控制器。

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Design method of robustness controller for torpedo type unmanned underwater vehicle

LIAN Cheng-bin，TANG Xian-ping，JING Xue-yan，HAO Yong-jun
（China Ship Research and Development Academy，Beijing 100101，China）

For special problems of torpedo type unmanned underwater vehicle including complex external environmental disturbance and serious internal system interference，taking the system parameters and system uncertainty caused dramatic changes into account，this paper proposes a robustness controller.This new controller，which is divided into nominal controller and compensate controller，uses PID controller as the nominal controller，and nonlinear state observer to estimate uncertain interference in system.The robust compensation control law is designed to strengthen the entire closedloop control system robustness.Through designing robustness attitude controller of torpedo type unmanned underwater vehicle based on this method，the capacity resist interference and uncertainty during torpedo type unmanned underwater vehicle can be promoted，which ensures steady flight of hypersonic vehicle throughout the entire flight.

torpedo type unmanned underwater vehicle；uncertainty；robust controller；nonlinear state observer

TJ63

A

1672-7619（2016）07-0077-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.017

2016-04-08；

2016-05-09

廉成斌（1982-），男，博士，工程師，主要從事魚(yú)雷及無(wú)人水下航行器控制技術(shù)研究及工程管理。