CN105487386B - 一种在载荷布放强扰下的uuv自适应模糊滑模控制方法 - Google Patents

Abstract

一种在载荷布放强扰下的UUV自适应模糊滑模控制方法，本发明涉及在载荷布放强扰下的UUV自适应模糊滑模控制方法。本发明是为了解决目前UUV的控制方法中没有针对载荷布放强扰下的UUV控制的研究问题。具体是按照以下步骤进行的：一：UUV进行载荷布放；二：获取UUV当前状态μ，构建UUV在载荷布放扰动下的动力学模型；三：设计滑模面s，构造滑模控制器；四：设计模糊控制器；五：利用自适应算法优化△K，得到六：得到新的自适应模糊滑模控制器τ；七：利用τ控制UUV，使UUV状态发生改变；八：重新执行步骤二至步骤七，直至UUV达到期望状态μ_d为止。本发明应用于UUV控制领域。

Description

一种在载荷布放强扰下的UUV自适应模糊滑模控制方法

技术领域

本发明涉及在载荷布放强扰下的UUV自适应模糊滑模控制方法。

背景技术

UUV隐蔽性好、突防能力强，如能携带可以完成某些特定任务的载荷(可以完成作战任务的鱼雷、水雷，可以完成侦查任务的小型UUV、摄像机、声纳)并在特定区域完成布放，定能够达到出其不意的目的，并且能够实现其他方式所不能够实现的任务。

UUV载荷布放强扰动下的控制属于非线性，且十分复杂，而滑模控制很适合该过程的应用，但是单纯的滑模控制抖动比较大效果不太理想，容易对UUV产生物理上的损害。

发明内容

本发明是为了解决目前UUV的控制方法中没有针对载荷布放强扰下的UUV控制的研究问题，而提出的一种在载荷布放强扰下的UUV自适应模糊滑模控制方法。

一种在载荷布放强扰下的UUV自适应模糊滑模控制方法按以下步骤实现：

步骤一：UUV进行载荷布放，对UUV产生两种干扰，一种是载荷在栅状管内运动产生的干扰，一种是补水舱进水产生的干扰；

步骤二：获取UUV当前状态μ，构建UUV在载荷布放扰动下的动力学模型；

步骤三：根据步骤二设计滑模面s，构造滑模控制器；

步骤四：根据步骤三构造的滑模控制器设计模糊控制器，模糊控制器的输入是滑模面s，输出是ΔK，所述ΔK是滑模控制器的开关控制律系数的增量值；

步骤五：利用自适应算法优化ΔK，得到

步骤六：将步骤五得到的输出给步骤三构造的滑模控制器，得到新的自适应模糊滑模控制器τ；

步骤七：利用步骤六得到的新的自适应模糊滑模控制器τ控制UUV，使UUV状态发生改变；

步骤八：重新执行步骤二至步骤七，直至UUV达到期望状态μ_d为止。

发明效果：

本发明采用自适应模糊控制来控制切换增益，具有外部干扰响应的快速性，外部干扰以及内部参数的自适应性，并且该控制器能显著减小滑模控制器的抖振，避免了因抖振问题对UUV造成损坏，使得UUV在完成载荷布放后能够迅速的恢复到指定期望状态。

附图说明

图1为补水舱分布在载荷段两侧位置侧视示意图；图中的1是UUV，2是载荷，3是补水舱位置；

图2为基于自适应模糊滑模控制的控制器结构图；

图3为UUV北向误差曲线仿真图；

图4为UUV东向误差曲线仿真图；

图5为UUV深度误差曲线仿真图；

图6为UUV横倾误差曲线仿真图；

图7为UUV纵倾误差曲线仿真图；

图8为UUV艏摇误差曲线仿真图。

具体实施方式

具体实施方式一：一种在载荷布放强扰下的UUV自适应模糊滑模控制方法包括以下步骤：

步骤一：UUV进行载荷布放，对UUV产生两种干扰，一种是载荷在栅状管内运动产生的干扰，一种是补水舱进水产生的干扰；

步骤二：获取UUV当前状态μ，构建UUV在载荷布放扰动下的动力学模型；

步骤三：根据步骤二设计滑模面s，构造滑模控制器；

步骤四：根据步骤三构造的滑模控制器设计模糊控制器，模糊控制器的输入是滑模面s，输出是ΔK，所述ΔK是滑模控制器的开关控制律系数的增量值；

步骤五：利用自适应算法优化ΔK，得到

步骤六：将步骤五得到的输出给步骤三构造的滑模控制器，得到新的自适应模糊滑模控制器τ；

步骤七：利用步骤六得到的新的自适应模糊滑模控制器τ控制UUV，使UUV状态发生改变；

步骤八：重新执行步骤二至步骤七，直至UUV达到期望状态μ_d为止。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中UUV进行载荷布放，对UUV产生两种干扰具体为：

(一)载荷在栅状管内运动产生干扰；

载荷在栅状管中的运动方程为：

其中所述m_T为载荷质量，v_T为载荷在管内的运动速度，λ₁₁为载荷在管内运动方向上的附加质量，F_T为载荷螺旋桨推力，R_x为载荷所受流体阻力，F_m为载荷与发射管之间的机械摩擦阻力；

由公式(1)得到运动时间t和载荷行程l的关系式：

由公式(2)得到载荷负浮力对UUV造成的纵倾力矩：

τ_x1＝F_z1(l₁+l) (3)

其中F_z1为载荷负浮力，l₁为载荷布放前其质心与原点的距离；

UUV纵向受到载荷螺旋桨对自身的反作用力为：

F_x1＝-F_T+R_x+F_m (4)

(二)补水舱进水产生的干扰；

设在t_n时刻已经进入补水舱中水的质量是m₀，进水速度是v_n，在t_n+1时刻进入补水舱中的水的(微小)质量是dm₀，在进入补水舱之前，原质点系速度应当是外部流场速度v₀，两项合并后，整个质点系的速度是v_n+1，则t_n时刻整个质点系的动能为：

t_n+1时刻整个质点系的动能为：

在[t_n,t_n+1]内，整个质点系的动能为：

其中dW为合外力对整个质点系所做的(微)功，dW为：

其中所述S为补水舱的等效截面积，P为t_n时刻补水舱内气体压强，P₂为t_n+1时刻补水舱内气体压强，为补水舱内原有气体对整个质点系所做的(微)功，的具体形式为：

其中P₀为进水前补水舱内气体的压强，一般情况下都是标准大气压；P_n为进水后补水舱内气体的压强，x为补水舱中等效水深，x_n为t_n时刻的等效水深，L为在绝热压缩阶段补水舱总长度，γ为气体的绝热指数，γ取值为1.4；

由于补水舱进水速度很快，整个载荷布放过程在2s中就会完成所以补水舱进水工作应该在两秒内完成，由公式(9)得到补水舱进水对UUV垂向产生的干扰力为：

补水舱补水过程对UUV造成的纵倾力矩为：

其中所述F_fu表示补水舱为空时的浮力，l₂为补水舱浮心距原心的距离；

根据公式(3)、(4)、(10)和(11)得到载荷布放期间因载荷布放对UUV产生的扰动：

其中

F_x＝F_x1+Δ₁ (15)

F_z＝F_z1+F_z2 (16)

其中Λ是运动坐标系向固定坐标系转换的转换矩阵，Δ₁表示未知干扰力，Δ₂表示未知干扰力矩，τ_p,τ_q,τ_r为纵向、横向、垂向的干扰力矩。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中获取UUV当前状态μ，构建UUV在载荷布放扰动下的动力学模型为：

通过UUV自身的一系列传感器获取UUV当前状态为 描述UUV在大地坐标系下的位置以及姿态向量，其中ξ,η,ζ为固定坐标系下的纵向、横向、垂向坐标，θ,ψ为纵摇角、横摇角、艏摇角；

UUV动力学模型为：

其中χ＝[u,v,w,p,q,r]^T，其中u,v,w分别为运动坐标系下的纵向、横向和垂向速度，p,q,r分别运动坐标系下为横摇角、纵摇角、艏摇角速度，M代表***惯性矩阵，C(χ)代表***哥氏力离心力矩阵，D(χ)代表流体阻尼矩阵，L(χ)代表UUV所受的其他水动力、水动力矩，G(μ)代表由重力、浮力造成的恢复力以及恢复力矩，τ代表UUV推进***提供的推进力以及推进力矩，τ_d代表外部扰动力以及扰动力矩；

因为UUV主要在布放载荷时航行在水下一定深度，受到的海风、海浪影响较小，所以将海风、海浪的影响忽略，定义τ_d＝τ_dc+τ_dm，因此UUV在载荷布放扰动下的动力学模型为：

其中τ_dm为布放载荷引起的扰动，τ_dc为海流引起的环境干扰；变换矩阵A为固定坐标系下的角度向运动坐标系下转换的转换矩阵；

M^*(μ)＝J^-T(μ)MJ^-1(μ) (20)

G^*(μ)＝J^-T(μ)G(μ) (24)。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三中设计滑模面s，构造滑模控制器的具体过程为：

UUV的状态误差为：

e＝μ_d-μ (25)

其中所述μ_d为UUV的期望状态；

滑模面为：

其中所述矩阵H是正定对角阵；

为达到抵消载荷布放产生的扰动的目的，设计滑模控制器为：

其中所述K(t)为对角阵，即：

K(t)＝diag(k₁,k₂,...,k₆),k_j＝max(a_dj)+λ_j,j＝1,2,…,6 (28)

其中所述a_dj为载荷扰动引起的加速度向量M^*(μ)^-1τ_dm中的第j个元素，参数λ_j＞0。引入参数λ_i＞0来保证控制器的稳定性。引入切换增益K(t)的目的是为了补偿干扰项τ_dm、τ_dc，以确保滑模存在条件一定能满足。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤四中设计模糊控制器的具体过程为：

利用自适应控制和模糊控制调整滑模控制器的切换增益的不确定部分ΔK，以达到降低***抖振的目的。因为滑模变结构***中的抖振现象主要是由滑模控制器的不连续切换造成的，所以削弱***抖振的有效途径就是确保补偿扰动的同时，减小切换项的增益。因为干扰项τ_dm、τ_dc是时变的而且有不确定因素在里面，所以必须使用具有自适应特性的方法来调整切换增益，使***能稳定的同时能有效减弱抖振。

(1)、模糊控制器的输入是滑模面s，针对变量s_i(i＝1,2)，定义Q个模糊集合A_i ^m(m＝1,2,…,Q)；

(2)设计模糊规则IF s_i is A_i ^m THEN Δk_i is B_i ^m，其中，m＝1,2,…,Q，i＝1,2,3,4,5,6，A_i ^m和B_i ^m为单值模糊集；具体如下：

式中设置七个模糊集：NB代表负大，NM代表负中，NS代表负小，ZE代表零，PS代表正小，PM代表正中，PB代表正大，Δk_j为开关控制律增益的增量；

由以上分析可知，当|s_i|值较大时，|Δk_i|应取较大值以保证是较大负值。当|s_i|值较小时，|Δk_i|应取较小值以保证取到负值；

(3)隶属度函数采用高斯函数：

使用单值模糊器和中心平均解模糊器完成模糊***的构造工作，模糊***的输出值为：

其中是自由参数向量，是模糊基函数，代表第i个滑模面在第m条规则中的权重；

得到ΔK＝diag(Δk₁,Δk₂,…,Δk₆)。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤五中利用自适应算法优化ΔK，得到的具体过程为：

是开关控制律最优增益k_jd的估计值，是k_jd的误差，估计增益的增量表示为：

式中，是自由参数向量的估计值，是可调单值控制参数，的自适应律设定为：

其中所述η_kj＞0(j＝1,2,...,6)为自适应***的学习率；

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤六中利得到新的自适应模糊滑模控制器τ的过程为：

得到的输出给滑模控制器，得到新的自适应模糊滑模控制器：

其中

实施例一：

取UUV纵向为北向，横向为东向，UUV长度5.5m，宽度2m，高度1m，载荷质量为m_T＝150kg，载荷长度为2m，海水密度为1040kg/m³，载荷浮力为1324N，载荷出管时的速度为3.1m/s，出管时间为1.49s，载荷与自航发射管之间的机械摩擦阻力F_m＝44N，载荷的流体运动阻力R_x＝338N，进行仿真后，得到的状态误差e＝μ_d-μ的曲线如图3—图8所示，由图3-图8的UUV状态误差曲线可以看出，各个参数的误差都逐渐减小趋近于0，即UUV的实际状态很快趋近于UUV的期望状态，因此本发明的控制器具有很好的控制效果。

Claims (7)

1.一种在载荷布放强扰下的UUV自适应模糊滑模控制方法，其特征在于，所述一种在载荷布放强扰下UUV的控制方法包括以下步骤：

步骤一：UUV进行载荷布放，对UUV产生两种干扰，一种是载荷在栅状管内运动产生的干扰，一种是补水舱进水产生的干扰；

步骤二：获取UUV当前状态μ，构建UUV在载荷布放扰动下的动力学模型；

步骤三：根据步骤二设计滑模面s，构造滑模控制器；

步骤四：根据步骤三构造的滑模控制器设计模糊控制器，模糊控制器的输入是滑模面s，输出是ΔK，所述ΔK是滑模控制器的开关控制律系数的增量值；

步骤五：利用自适应算法优化ΔK，得到

步骤六：将步骤五得到的输出给步骤三构造的滑模控制器，得到新的自适应模糊滑模控制器τ；

步骤七：利用步骤六得到的新的自适应模糊滑模控制器τ控制UUV，使UUV状态发生改变；

步骤八：重新执行步骤二至步骤七，直至UUV达到期望状态μ_d为止。

2.根据权利要求1所述的一种在载荷布放强扰下的UUV自适应模糊滑模控制方法，其特征在于所述步骤一中UUV进行载荷布放，对UUV产生两种干扰具体为：

(一)载荷在栅状管内运动产生干扰；

载荷在栅状管中的运动方程为：

其中所述m_T为载荷质量，v_T为载荷在管内的运动速度，λ₁₁为载荷在管内运动方向上的附加质量，F_T为载荷螺旋桨推力，R_x为载荷所受流体阻力，F_m为载荷与发射管之间的机械摩擦阻力；

由公式(1)得到运动时间t和载荷行程l的关系式：

由公式(2)得到载荷负浮力对UUV造成的纵倾力矩：

τ_x1＝F_z1(l₁+l) (3)

其中F_z1为载荷负浮力，l₁为载荷布放前其质心与原点的距离；

UUV纵向受到载荷螺旋桨对自身的反作用力为：

F_x1＝-F_T+R_x+F_m (4)

(二)补水舱进水产生的干扰；

设在t_n时刻已经进入补水舱中水的质量是m₀，进水速度是v_n，在t_n+1时刻进入补水舱中的水的质量是dm₀，在进入补水舱之前，原质点系速度是外部流场速度v₀，两项合并后，整个质点系的速度是v_n+1，则t_n时刻整个质点系的动能为：

t_n+1时刻整个质点系的动能为：

在[t_n,t_n+1]内，整个质点系的动能为：

其中dW为合外力对整个质点系所做的功，dW为：

其中所述S为补水舱的等效截面积，P为t_n时刻补水舱内气体压强，P₂为t_n+1时刻补水舱内气体压强，为补水舱内原有气体对整个质点系所做的功，的具体形式为：

其中P₀为进水前补水舱内气体的压强，P_n为进水后补水舱内气体的压强，x为补水舱中等效水深，x_n为t_n时刻的等效水深，L为在绝热压缩阶段补水舱总长度，γ为气体的绝热指数；

由公式(10)得到补水舱进水对UUV垂向产生的干扰力为：

补水舱补水过程对UUV造成的纵倾力矩为：

其中所述F_fu表示补水舱为空时的浮力，l₂为补水舱浮心距原心的距离；

根据公式(3)、(4)、(10)和(11)得到载荷布放期间因载荷布放对UUV产生的扰动：

其中

F_x＝F_x1+Δ₁ (15)

F_z＝F_z1+F_z2 (16)

其中Λ是运动坐标系向固定坐标系转换的转换矩阵，Δ₁表示未知干扰力，Δ₂表示未知干扰力矩，τ_p,τ_q,τ_r为纵向、横向、垂向的干扰力矩。

3.根据权利要求2所述的一种在载荷布放强扰下的UUV自适应模糊滑模控制方法，其特征在于所述步骤二中获取UUV当前状态μ，构建UUV在载荷布放扰动下的动力学模型为：

获取UUV当前状态为其中ξ,η,ζ为固定坐标系下的纵向、横向、垂向坐标，θ,ψ为纵摇角、横摇角、艏摇角；

UUV动力学模型为：

其中χ＝[u,v,w,p,q,r]^T，其中u,v,w分别为运动坐标系下的纵向、横向和垂向速度，

p,q,r分别运动坐标系下为横摇角、纵摇角、艏摇角速度，M代表***惯性矩阵，C(χ)代表***哥氏力离心力矩阵，D(χ)代表流体阻尼矩阵，L(χ)代表UUV所受的其他水动力、水动力矩，G(μ)代表由重力、浮力造成的恢复力以及恢复力矩，τ代表UUV推进***提供的推进力以及推进力矩，τ_d代表外部扰动力以及扰动力矩；

定义τ_d＝τ_dc+τ_dm，因此UUV在载荷布放扰动下的动力学模型为：

其中τ_dm为布放载荷引起的扰动，τ_dc为海流引起的环境干扰；变换矩阵A为固定坐标系下的角度向运动坐标系下转换的转换矩阵；

M^*(μ)＝J^-T(μ)MJ^-1(μ) (20)

G^*(μ)＝J^-T(μ)G(μ) (24)。

4.根据权利要求3所述的一种在载荷布放强扰下的UUV自适应模糊滑模控制方法，其特征在于所述步骤三中设计滑模面s，构造滑模控制器的具体过程为：

UUV的状态误差为：

e＝μ_d-μ (25)

其中所述μ_d为UUV的期望状态；

滑模面为：

其中所述矩阵H是正定对角阵；

设计滑模控制器为：

其中所述K(t)为对角阵，即：

K(t)＝diag(k₁,k₂,...,k₆),k_j＝max(a_dj)+λ_j,j＝1,2,…,6 (28)

其中所述a_dj为载荷扰动引起的加速度向量M^*(μ)^-1τ_dm中的第j个元素，参数λ_j＞0。

5.根据权利要求4所述的一种在载荷布放强扰下的UUV自适应模糊滑模控制方法，其特征在于所述步骤四中设计模糊控制器的具体过程为：

(1)、模糊控制器的输入是滑模面s，针对变量s_i(i＝1,2)，定义Q个模糊集合A_i ^m(m＝1,2,…,Q)；

(2)设计模糊规则IF s_i is A_i ^m THENΔk_i is B_i ^m，其中，m＝1,2,…,Q，i＝1,2,3,4,5,6，A_i ^m和B_i ^m为单值模糊集；具体如下：

式中设置七个模糊集：NB代表负大，NM代表负中，NS代表负小，ZE代表零，PS代表正小，PM代表正中，PB代表正大，Δk_j为开关控制律增益的增量；

(3)隶属度函数采用高斯函数：

使用单值模糊器和中心平均解模糊器完成模糊***的构造工作，模糊***的输出值为：

其中是自由参数向量，是模糊基函数，代表第i个滑模面在第m条规则中的权重；

得到ΔK＝diag(Δk₁,Δk₂,…,Δk₆)。

6.根据权利要求5所述的一种在载荷布放强扰下的UUV自适应模糊滑模控制方法，其特征在于所述步骤五中利用自适应算法优化ΔK，得到的具体过程为：

是开关控制律最优增益k_jd的估计值，是k_jd的误差，估计增益的增量表示为：

式中，是自由参数向量的估计值，是可调单值控制参数，的自适应律设定为：

其中所述为自适应***的学习率；

7.根据权利要求6所述的一种在载荷布放强扰下的UUV自适应模糊滑模控制方法，其特征在于所述步骤六中利得到新的自适应模糊滑模控制器τ的过程为：

得到的输出给滑模控制器，得到新的自适应模糊滑模控制器：

其中