潛艇垂直面滑?？刂品抡嫜芯?/h1>
2018-01-18 15:21:18陸斌杰李文魁周崗陳永冰
計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化 2017年4期
陸斌杰+李文魁+周崗+陳永冰
摘 要：針對(duì)潛艇垂直面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)非線性、耦合性和參數(shù)不確定的特點(diǎn)，分別基于垂直面非線性和線性模型，考慮舵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，用艏舵控制深度，艉舵控制縱傾角，采用改進(jìn)型趨近律設(shè)計(jì)滑模控制器并進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，兩類滑?？刂破骶哂辛己玫目刂菩阅芎洼^強(qiáng)的魯棒性，且無(wú)明顯抖振。
關(guān)鍵詞：潛艇；滑?？刂疲霍敯粜?/p>
中圖分類號(hào)：U666.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Research and Simulation of Vertical Plane of Submarine Based on Sliding Control
LU Bin-jie，LI Wen-kui，ZHOU Gang，CHEN Yong-bing
（College of Electrical Engineering，Navy University of Engineering，Wuhan，Hubei 430033，China）
Abstract：Based on the submarine vertical nonlinear model and linear model and considering the rudder dynamic response ，the improved sliding reaching control law was used to design the bow rudder controller and the stern rudder controller in the presence of model of nonlinearity and parameter uncertainty for submarine vertical motion.The bow and stern rudder controller was used to control the depth and the pitch respectively.The simulations were carried and results show that the two control systems have great performance and strong robustness，and have few chattering problem.
Key words：submarine；sliding mode control；robustness
0 引 言
潛艇運(yùn)動(dòng)為六自由度空間運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)出大慣性、強(qiáng)非線性、各運(yùn)動(dòng)平面強(qiáng)耦合的復(fù)雜特點(diǎn)，通常難以獲得精確的數(shù)學(xué)模型，且用于潛艇控制設(shè)計(jì)的方程系數(shù)會(huì)由于環(huán)境、水深及潛艇狀態(tài)等的變化而變化，使系統(tǒng)工作點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)，影響控制效果，使控制器的設(shè)計(jì)難度大大增加。
國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者基于經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)了潛艇控制器?；诓聢D和根軌跡法設(shè)計(jì)的控制器對(duì)參數(shù)攝動(dòng)和擾動(dòng)魯棒性較差[1]。針對(duì)非線性系統(tǒng)的控制問(wèn)題，多名學(xué)者進(jìn)行了深入研究[2-3]，但控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)模糊方法設(shè)計(jì)非線性魯棒補(bǔ)償器，一定程度上可以簡(jiǎn)化控制器的復(fù)雜度[4]。近年來(lái)，滑?？刂疲⊿MC，sliding mode control）對(duì)滿足匹配條件的任意攝動(dòng)和外界干擾具有較強(qiáng)魯棒性，且其算法簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速、易于過(guò)程實(shí)現(xiàn)，受到廣泛關(guān)注[5-9]。傳統(tǒng)的滑?？刂品椒ú捎脴O點(diǎn)配置法、最優(yōu)控制等方法設(shè)計(jì)線性切換函數(shù)，利用基于邊界層方法的準(zhǔn)滑?？刂平档投墩?，設(shè)計(jì)潛艇垂直面準(zhǔn)滑?？刂破?。潛艇垂直面操縱運(yùn)動(dòng)為雙輸入雙輸出過(guò)程，深度控制通道與縱傾控制通道相互耦合，可通過(guò)解耦處理[10]，在確保魯棒性的情況下也可忽略耦合[11-12]。不同機(jī)動(dòng)情況下，潛艇水動(dòng)力差異巨大，對(duì)控制模型的設(shè)計(jì)和控制器的魯棒性提出較高要求。文獻(xiàn)[13]采用線性化模型研究了潛艇大攻角下的滑?？刂疲鸬搅溯^好地控制效果。同時(shí)在不增加模型復(fù)雜度的情況下也可結(jié)合模糊控制等方法設(shè)計(jì)滑?？刂破饕越档投墩馵14-16]。
基于以上考慮，為了獲得較為簡(jiǎn)潔的滑?？刂破骺刂颇Ｐ颓掖_保控制系統(tǒng)的魯棒性，以便應(yīng)用于工程實(shí)踐，本文在潛艇空間標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)方程的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到了垂直面非線性和線性操縱運(yùn)動(dòng)模型。分別進(jìn)行滑?？刂破髟O(shè)計(jì)，在無(wú)參數(shù)攝動(dòng)和部分參數(shù)攝動(dòng)及有無(wú)外界干擾情況下進(jìn)行了對(duì)比仿真。仿真結(jié)果表明該控制器具有較強(qiáng)的魯棒性和削弱抖振的性能。
1 潛艇設(shè)計(jì)模型簡(jiǎn)化
坐標(biāo)系、名詞術(shù)語(yǔ)、符號(hào)規(guī)則均采用ITTC和SNAME術(shù)語(yǔ)公報(bào)的體系[17，18]。固定坐標(biāo)系（定系）E-ξηζ和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系（動(dòng)系）O-xyz如圖1所示。
1.1 垂直面非線性設(shè)計(jì)模型
1）縱向方程
2）垂向方程
3）縱傾方程
3）運(yùn)動(dòng)方程
3 仿 真
為驗(yàn)證控制器的正確性，針對(duì)潛艇定深和變深運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行了仿真和分析。潛艇仿真方程為完整的非線性運(yùn)動(dòng)方程。采用文獻(xiàn)[1]的潛艇參數(shù)。線性控制器和非線性控制器設(shè)計(jì)參數(shù)選擇相同，為：kζ=0.1，kθ=0.08，εζ=5，εθ=2，λζ=100，λθ=400，μζ=0.00051，μθ=0.0051，γζ=3，γθ=4，χζ=0.1，χθ=0.05。
潛艇初始航速uc=10kn，初始深度ζ0=100m，指令深度ζd=10m，縱傾角指令θd=5o，初始潛艇已均衡。
分以下三種情況將線性模型控制器的控制效果和非線性模型控制器的控制效果進(jìn)行對(duì)比仿真：
1.潛艇參數(shù)無(wú)攝動(dòng)和無(wú)外界擾動(dòng)時(shí)，線性模型控制器的控制效果與非線性控制器的控制效果無(wú)明顯差異，深度能快速無(wú)超調(diào)趨近指令深度，達(dá)到指令深度后沿期望深度穩(wěn)定航行，縱傾符合限制條件。艏、艉舵打舵平滑無(wú)抖振，表明操舵合理，控制性能良好，如圖2、圖3所示。endprint
3.無(wú)參數(shù)攝動(dòng)但有外界擾動(dòng)，為便于分析，任意選取正弦擾動(dòng)信號(hào)：
dζ=50000sin（0.1πt）、dθ=50000cos（0.2πt）
控制器參數(shù)及初始條件不變，控制效果如圖6、圖7所示。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)外界擾動(dòng)力量級(jí)小于106時(shí)，系統(tǒng)仍能保持較好的控制性能，深度仍可快速無(wú)超調(diào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)，縱傾符合限制條件，舵角出現(xiàn)較小抖振。而當(dāng)擾動(dòng)量級(jí)大于107，兩類控制器控制下的系統(tǒng)均會(huì)出現(xiàn)大幅振蕩，舵角出現(xiàn)大幅高頻打舵現(xiàn)象，無(wú)法滿足控制條件。
4 結(jié) 論
基于潛艇垂直面非線性和線性模型，忽略艏艉舵之間的耦合，采用艏舵控制深度，艉舵控制縱傾的策略，分別設(shè)計(jì)滑模控制器。仿真結(jié)果表明，線性模型控制器和非線性模型控制器在參數(shù)無(wú)攝動(dòng)和有攝動(dòng)及有無(wú)外界干擾情況下控制效果無(wú)明顯差異，因此可采用垂直面線性模型設(shè)計(jì)垂直面滑?？刂破鳎覟榱舜_保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)控制器參數(shù)的整定優(yōu)化應(yīng)做進(jìn)一步研究，從而既降低了控制器復(fù)雜度，又有提高了控制器的魯棒性，對(duì)工程應(yīng)用及研究具有重要意義。
參考文獻(xiàn)
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陸斌杰+李文魁+周崗+陳永冰
摘 要：針對(duì)潛艇垂直面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)非線性、耦合性和參數(shù)不確定的特點(diǎn)，分別基于垂直面非線性和線性模型，考慮舵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，用艏舵控制深度，艉舵控制縱傾角，采用改進(jìn)型趨近律設(shè)計(jì)滑模控制器并進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，兩類滑?？刂破骶哂辛己玫目刂菩阅芎洼^強(qiáng)的魯棒性，且無(wú)明顯抖振。
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0 引 言
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國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者基于經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)了潛艇控制器?；诓聢D和根軌跡法設(shè)計(jì)的控制器對(duì)參數(shù)攝動(dòng)和擾動(dòng)魯棒性較差[1]。針對(duì)非線性系統(tǒng)的控制問(wèn)題，多名學(xué)者進(jìn)行了深入研究[2-3]，但控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)模糊方法設(shè)計(jì)非線性魯棒補(bǔ)償器，一定程度上可以簡(jiǎn)化控制器的復(fù)雜度[4]。近年來(lái)，滑?？刂疲⊿MC，sliding mode control）對(duì)滿足匹配條件的任意攝動(dòng)和外界干擾具有較強(qiáng)魯棒性，且其算法簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速、易于過(guò)程實(shí)現(xiàn)，受到廣泛關(guān)注[5-9]。傳統(tǒng)的滑?？刂品椒ú捎脴O點(diǎn)配置法、最優(yōu)控制等方法設(shè)計(jì)線性切換函數(shù)，利用基于邊界層方法的準(zhǔn)滑?？刂平档投墩?，設(shè)計(jì)潛艇垂直面準(zhǔn)滑?？刂破?。潛艇垂直面操縱運(yùn)動(dòng)為雙輸入雙輸出過(guò)程，深度控制通道與縱傾控制通道相互耦合，可通過(guò)解耦處理[10]，在確保魯棒性的情況下也可忽略耦合[11-12]。不同機(jī)動(dòng)情況下，潛艇水動(dòng)力差異巨大，對(duì)控制模型的設(shè)計(jì)和控制器的魯棒性提出較高要求。文獻(xiàn)[13]采用線性化模型研究了潛艇大攻角下的滑?？刂疲鸬搅溯^好地控制效果。同時(shí)在不增加模型復(fù)雜度的情況下也可結(jié)合模糊控制等方法設(shè)計(jì)滑?？刂破饕越档投墩馵14-16]。
基于以上考慮，為了獲得較為簡(jiǎn)潔的滑?？刂破骺刂颇Ｐ颓掖_保控制系統(tǒng)的魯棒性，以便應(yīng)用于工程實(shí)踐，本文在潛艇空間標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)方程的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到了垂直面非線性和線性操縱運(yùn)動(dòng)模型。分別進(jìn)行滑?？刂破髟O(shè)計(jì)，在無(wú)參數(shù)攝動(dòng)和部分參數(shù)攝動(dòng)及有無(wú)外界干擾情況下進(jìn)行了對(duì)比仿真。仿真結(jié)果表明該控制器具有較強(qiáng)的魯棒性和削弱抖振的性能。
1 潛艇設(shè)計(jì)模型簡(jiǎn)化
坐標(biāo)系、名詞術(shù)語(yǔ)、符號(hào)規(guī)則均采用ITTC和SNAME術(shù)語(yǔ)公報(bào)的體系[17，18]。固定坐標(biāo)系（定系）E-ξηζ和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系（動(dòng)系）O-xyz如圖1所示。
1.1 垂直面非線性設(shè)計(jì)模型
1）縱向方程
2）垂向方程
3）縱傾方程
3）運(yùn)動(dòng)方程
3 仿 真
為驗(yàn)證控制器的正確性，針對(duì)潛艇定深和變深運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行了仿真和分析。潛艇仿真方程為完整的非線性運(yùn)動(dòng)方程。采用文獻(xiàn)[1]的潛艇參數(shù)。線性控制器和非線性控制器設(shè)計(jì)參數(shù)選擇相同，為：kζ=0.1，kθ=0.08，εζ=5，εθ=2，λζ=100，λθ=400，μζ=0.00051，μθ=0.0051，γζ=3，γθ=4，χζ=0.1，χθ=0.05。
潛艇初始航速uc=10kn，初始深度ζ0=100m，指令深度ζd=10m，縱傾角指令θd=5o，初始潛艇已均衡。
分以下三種情況將線性模型控制器的控制效果和非線性模型控制器的控制效果進(jìn)行對(duì)比仿真：
1.潛艇參數(shù)無(wú)攝動(dòng)和無(wú)外界擾動(dòng)時(shí)，線性模型控制器的控制效果與非線性控制器的控制效果無(wú)明顯差異，深度能快速無(wú)超調(diào)趨近指令深度，達(dá)到指令深度后沿期望深度穩(wěn)定航行，縱傾符合限制條件。艏、艉舵打舵平滑無(wú)抖振，表明操舵合理，控制性能良好，如圖2、圖3所示。endprint
3.無(wú)參數(shù)攝動(dòng)但有外界擾動(dòng)，為便于分析，任意選取正弦擾動(dòng)信號(hào)：
dζ=50000sin（0.1πt）、dθ=50000cos（0.2πt）
控制器參數(shù)及初始條件不變，控制效果如圖6、圖7所示。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)外界擾動(dòng)力量級(jí)小于106時(shí)，系統(tǒng)仍能保持較好的控制性能，深度仍可快速無(wú)超調(diào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)，縱傾符合限制條件，舵角出現(xiàn)較小抖振。而當(dāng)擾動(dòng)量級(jí)大于107，兩類控制器控制下的系統(tǒng)均會(huì)出現(xiàn)大幅振蕩，舵角出現(xiàn)大幅高頻打舵現(xiàn)象，無(wú)法滿足控制條件。
4 結(jié) 論
基于潛艇垂直面非線性和線性模型，忽略艏艉舵之間的耦合，采用艏舵控制深度，艉舵控制縱傾的策略，分別設(shè)計(jì)滑模控制器。仿真結(jié)果表明，線性模型控制器和非線性模型控制器在參數(shù)無(wú)攝動(dòng)和有攝動(dòng)及有無(wú)外界干擾情況下控制效果無(wú)明顯差異，因此可采用垂直面線性模型設(shè)計(jì)垂直面滑?？刂破鳎覟榱舜_保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)控制器參數(shù)的整定優(yōu)化應(yīng)做進(jìn)一步研究，從而既降低了控制器復(fù)雜度，又有提高了控制器的魯棒性，對(duì)工程應(yīng)用及研究具有重要意義。
參考文獻(xiàn)
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