本申請(qǐng)屬于水下航行器，具體涉及一種基于暫態(tài)性能優(yōu)化的水下航行器模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、水下航行器的控制技術(shù)是指水下航行器在水下環(huán)境中，根據(jù)自身的運(yùn)動(dòng)情況，在某種控制規(guī)律作用下，控制各舵面或螺旋槳的運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)地以規(guī)定的姿態(tài)沿某一預(yù)定的航程航行?？刂葡到y(tǒng)是對(duì)水下航行器在復(fù)雜的海洋環(huán)境擾動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制。因此，航行器的控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是研究被控對(duì)象在隨機(jī)擾動(dòng)作用下的控制方法。

2、在實(shí)際航行中，水下航行器仍存在如下問題：

3、水下航行器屬于一個(gè)強(qiáng)耦合、高度非線性的復(fù)雜多輸入多輸出(mimo)系統(tǒng)，其控制器的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)方法是局部線性化和pid控制。然而，傳統(tǒng)控制方法需要對(duì)系統(tǒng)的流體動(dòng)力模型參數(shù)有比較準(zhǔn)確的了解，并且設(shè)計(jì)好的控制器其有效性僅僅局限在平衡點(diǎn)附近。控制系統(tǒng)必須滿足航行器大范圍機(jī)動(dòng)的需求。當(dāng)航行器做較大的機(jī)動(dòng)時(shí)，非線性模型誤差會(huì)導(dǎo)致控制效果下降和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。

4、在航行過程中，航行器受到波浪和海流的隨機(jī)干擾，傳統(tǒng)的控制方式會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，不能滿足航行器快速響應(yīng)、魯棒性強(qiáng)和自適應(yīng)高的需求。

5、在航行過程中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不確定性如舵機(jī)零點(diǎn)偏差，舵力系數(shù)不確定和其他未建模誤差等問題，常常會(huì)影響控制系統(tǒng)的暫態(tài)性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)的目的在于克服現(xiàn)有水下航行器當(dāng)部分流體參數(shù)未知的情況下，穩(wěn)定性差、響應(yīng)速度慢、自適應(yīng)能力不高的缺陷。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N基于暫態(tài)性能優(yōu)化的水下航行器模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

3、所述系統(tǒng)的系統(tǒng)模型為：

4、

5、其中，x＝[ψω]t為系統(tǒng)狀態(tài)變量，ψ為水下航行器的航向角，ω為水下航行器的航向角速度；t為向量轉(zhuǎn)置；為系統(tǒng)狀態(tài)變量的導(dǎo)數(shù)，u(t)為系統(tǒng)輸入信號(hào)量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)的舵角；a、b為可控矩陣；d(x,t)為不確定項(xiàng)；t為時(shí)間；λ＞0為對(duì)角陣，滿足李普希思條件：

6、

7、其中，l為常數(shù)；||·||為取范數(shù)計(jì)算；

8、所述系統(tǒng)的參考模型為：

9、

10、其中，xr為參考模型的系統(tǒng)狀態(tài)變量，為參考模型的系統(tǒng)狀態(tài)變量的導(dǎo)數(shù)，yr為輸出設(shè)定值；

11、為特征根在右半平面的赫爾維茨矩陣；k1為調(diào)節(jié)閉環(huán)極點(diǎn)；

12、br＝bk2；參數(shù)k2的選取原則是根據(jù)yr進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出為yr；所述系統(tǒng)的系統(tǒng)控制量u表示為：

13、u＝u+u+v

14、其中，un為標(biāo)稱控制量；ua為附加控制量；v為暫態(tài)性能增強(qiáng)控制量。

15、作為上述系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述標(biāo)稱控制量un為：

16、un＝-k1x+k2?yr。

17、作為上述系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述附加控制量ua為：

18、

19、其中，θ(x)＝[θ0(x),un]t，θ0(x)為基函數(shù)；

20、為估計(jì)權(quán)重。

21、作為上述系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述基函數(shù)θ0(x)為一組高斯函數(shù)。

22、作為上述系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述暫態(tài)性能增強(qiáng)控制量v為：

23、

24、其中，μ為濾波器時(shí)間常數(shù)；s為拉普拉斯變換中的復(fù)變量。

25、作為上述系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述參數(shù)k2的選取滿足：

26、-ca-1bk2＝-i

27、其中，i為單位矩陣；c為矩陣，滿足：

28、

29、其中，y為系統(tǒng)輸出值。

30、本申請(qǐng)還提供一種基于暫態(tài)性能優(yōu)化的水下航行器模型參考自適應(yīng)控制方法，基于上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，所述方法包括：

31、搭建系統(tǒng)模型和參考模型；

32、根據(jù)影響水下航行器航跡的因素確定基函數(shù)，計(jì)算標(biāo)稱控制量、附加控制量和暫態(tài)性能增強(qiáng)控制量，確定自適應(yīng)控制系統(tǒng)；

33、將執(zhí)行機(jī)構(gòu)舵角輸入系統(tǒng)模型，即可輸出水下航行器的航行姿態(tài)，完成水下航行器的模型參考自適應(yīng)控制。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)的優(yōu)勢(shì)在于：

35、1、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)水下航行器的快速無穩(wěn)差控制，緩解控制系統(tǒng)的快速性與誤差之間的矛盾，達(dá)到無穩(wěn)差的控制效果；

36、2、采用本發(fā)明可降低工程設(shè)計(jì)成本，在不做水動(dòng)力試驗(yàn)，參數(shù)誤差較大的情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不確定性,當(dāng)航行器遇到較大干擾時(shí)，可以自適應(yīng)補(bǔ)償舵機(jī)零點(diǎn)、舵力系數(shù)，以及其他未建模誤差，實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定自適應(yīng)控制效果；

37、3、自適應(yīng)方法可以抵消參數(shù)不確定性的影響，但是自適應(yīng)的過程，是待估計(jì)參數(shù)的變化過程，影響系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)，導(dǎo)致暫態(tài)響應(yīng)出現(xiàn)振蕩，采用本發(fā)明提出的方法，可有效抑制模型參考自適應(yīng)控制過程中的暫態(tài)響應(yīng)振蕩現(xiàn)象，確保暫態(tài)性能的優(yōu)化。

技術(shù)特征：

1.一種基于暫態(tài)性能優(yōu)化的水下航行器模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于暫態(tài)性能優(yōu)化的水下航行器模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述標(biāo)稱控制量un為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于暫態(tài)性能優(yōu)化的水下航行器模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述附加控制量ua為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于暫態(tài)性能優(yōu)化的水下航行器模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述基函數(shù)θ0(x)為一組高斯函數(shù)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于暫態(tài)性能優(yōu)化的水下航行器模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述暫態(tài)性能增強(qiáng)控制量v為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于暫態(tài)性能優(yōu)化的水下航行器模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述參數(shù)k2的選取滿足：

7.一種基于暫態(tài)性能優(yōu)化的水下航行器模型參考自適應(yīng)控制方法，基于權(quán)利要求1-6任一所述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，所述方法包括：

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N基于暫態(tài)性能優(yōu)化的水下航行器模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括航行器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器；控制方法為：針對(duì)被控對(duì)象水下航行器，設(shè)計(jì)模型參考自適應(yīng)控制器，對(duì)控制量進(jìn)行暫態(tài)性能優(yōu)化。其中，控制量u由三部分組成，即系統(tǒng)控制量u＝u<subgt;n</subgt;+u<subgt;a</subgt;+v，u<subgt;n</subgt;為系統(tǒng)標(biāo)稱控制量，u<subgt;a</subgt;為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的附加控制量，v為暫態(tài)性能優(yōu)化控制量。通過設(shè)計(jì)控制入量u，可抑制系統(tǒng)的匹配不確定性。本申請(qǐng)的優(yōu)勢(shì)在于：實(shí)現(xiàn)水下航行器的快速無穩(wěn)差控制，緩解控制系統(tǒng)的快速性與誤差之間的矛盾，達(dá)到無穩(wěn)差的控制效果；可降低工程設(shè)計(jì)成本，在不做水動(dòng)力試驗(yàn)，參數(shù)誤差較大的情況下，可以實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定自適應(yīng)控制效果。

技術(shù)研發(fā)人員：劉宇,朱曉萌,朱昀,馬曉川,袁東玉,楊星
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17