一種在載荷布放強(qiáng)擾下的uuv自適應(yīng)模糊滑模控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及在載荷布放強(qiáng)擾下的UUV自適應(yīng)模糊滑?？刂品椒ā?br>【背景技術(shù)】
[0002] UUV隱蔽性好、突防能力強(qiáng)，如能攜帶可以完成某些特定任務(wù)的載荷(可以完成作 戰(zhàn)任務(wù)的魚雷、水雷，可以完成偵查任務(wù)的小型UUV、攝像機(jī)、聲納)并在特定區(qū)域完成布放， 定能夠達(dá)到出其不意的目的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)其他方式所不能夠?qū)崿F(xiàn)的任務(wù)。
[0003] UUV載荷布放強(qiáng)擾動下的控制屬于非線性，且十分復(fù)雜，而滑?？刂坪苓m合該過程 的應(yīng)用，但是單純的滑?？刂贫秳颖容^大效果不太理想，容易對UUV產(chǎn)生物理上的損害。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為了解決目前UUV的控制方法中沒有針對載荷布放強(qiáng)擾下的UUV控制的 研究問題，而提出的一種在載荷布放強(qiáng)擾下的UUV自適應(yīng)模糊滑模控制方法。
[0005] -種在載荷布放強(qiáng)擾下的UUV自適應(yīng)模糊滑模控制方法按以下步驟實現(xiàn)：
[0006] 步驟一 :UUV進(jìn)行載荷布放，對UUV產(chǎn)生兩種干擾，一種是載荷在柵狀管內(nèi)運動產(chǎn)生 的干擾，一種是補(bǔ)水艙進(jìn)水產(chǎn)生的干擾；
[0007] 步驟二:獲取UUV當(dāng)前狀態(tài)μ，構(gòu)建UUV在載荷布放擾動下的動力學(xué)模型；
[0008] 步驟三:根據(jù)步驟二設(shè)計滑模面s，構(gòu)造滑?？刂破?；
[0009] 步驟四：根據(jù)步驟三構(gòu)造的滑?？刂破髟O(shè)計模糊控制器，模糊控制器的輸入是滑 模面S，輸出是ΛΚ，所述ΛΚ是滑?？刂破鞯拈_關(guān)控制律系數(shù)的增量值；
[0010] 步驟五:利用自適應(yīng)算法優(yōu)化ΛΚ，得到;
[0011] 步驟六:將步驟五得到的Δ皮輸出給步驟三構(gòu)造的滑?？刂破?，得到新的自適應(yīng)模 糊滑模控制器τ;
[0012] 步驟七:利用步驟六得到的新的自適應(yīng)模糊滑?？刂破鳓涌刂芔UV，使UUV狀態(tài)發(fā)生 改變；
[0013] 步驟八:重新執(zhí)行步驟二至步驟七，直至UUV達(dá)到期望狀態(tài)μ<!為止。
[0014] 發(fā)明效果：
[0015] 本發(fā)明采用自適應(yīng)模糊控制來控制切換增益，具有外部干擾響應(yīng)的快速性，外部 干擾以及內(nèi)部參數(shù)的自適應(yīng)性，并且該控制器能顯著減小滑模控制器的抖振，避免了因抖 振問題對UUV造成損壞，使得UUV在完成載荷布放后能夠迅速的恢復(fù)到指定期望狀態(tài)。
【附圖說明】
[0016] 圖1為補(bǔ)水艙分布在載荷段兩側(cè)位置側(cè)視示意圖；圖中的1是UUV，2是載荷，3是補(bǔ) 水艙位置；
[0017] 圖2為基于自適應(yīng)模糊滑模控制的控制器結(jié)構(gòu)圖；
[0018] 圖3為UUV北向誤差曲線仿真圖；
[0019] 圖4為UUV東向誤差曲線仿真圖；
[0020] 圖5為UUV深度誤差曲線仿真圖；
[0021] 圖6為UUV橫傾誤差曲線仿真圖；
[0022] 圖7為UUV縱傾誤差曲線仿真圖；
[0023]圖8為UUV艏搖誤差曲線仿真圖。
【具體實施方式】
[0024]【具體實施方式】一：一種在載荷布放強(qiáng)擾下的UUV自適應(yīng)模糊滑?？刂品椒òㄒ?下步驟：
[0025] 步驟一 :UUV進(jìn)行載荷布放，對UUV產(chǎn)生兩種干擾，一種是載荷在柵狀管內(nèi)運動產(chǎn)生 的干擾，一種是補(bǔ)水艙進(jìn)水產(chǎn)生的干擾；
[0026] 步驟二:獲取UUV當(dāng)前狀態(tài)μ，構(gòu)建UUV在載荷布放擾動下的動力學(xué)模型；
[0027]步驟三:根據(jù)步驟二設(shè)計滑模面s，構(gòu)造滑?？刂破?；
[0028] 步驟四：根據(jù)步驟三構(gòu)造的滑模控制器設(shè)計模糊控制器，模糊控制器的輸入是滑 模面s，輸出是ΛΚ，所述ΛΚ是滑?？刂破鞯拈_關(guān)控制律系數(shù)的增量值；
[0029] 步驟五:利用自適應(yīng)算法優(yōu)化ΛΚ，得到;
[0030] 步驟六:將步驟五得到的輸出給步驟三構(gòu)造的滑?？刂破鳎玫叫碌淖赃m應(yīng)模 糊滑?？刂破鳓?
[0031 ]步驟七:利用步驟六得到的新的自適應(yīng)模糊滑模控制器τ控制UUV，使UUV狀態(tài)發(fā)生 改變；
[0032] 步驟八:重新執(zhí)行步驟二至步驟七，直至UUV達(dá)到期望狀態(tài)μ<!為止。
[0033]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:所述步驟一中UUV進(jìn)行 載荷布放，對UUV產(chǎn)生兩種干擾具體為：
[0034](一)載荷在柵狀管內(nèi)運動產(chǎn)生干擾；
[0035]載荷在柵狀管中的運動方程為：
⑴
[0037] 其中所述mT為載荷質(zhì)量，ντ為載荷在管內(nèi)的運動速度，λη為載荷在管內(nèi)運動方向 上的附加質(zhì)量，F(xiàn)t為載荷螺旋槳推力，R x為載荷所受流體阻力，F(xiàn)m為載荷與發(fā)射管之間的機(jī) 械摩擦阻力；
[0038] 由公式(1)得到運動時間t和載荷行程1的關(guān)系式：
[(2) V J-
.丄 1 /
[0040] 由公式(2)得到載荷負(fù)浮力對UUV造成的縱傾力矩：
[0041] Txl = Fzi(h+l) (3)
[0042] 其中Fzl為載荷負(fù)浮力，1:為載荷布放前其質(zhì)心與原點的距離；
[0043] UUV縱向受到載荷螺旋槳對自身的反作用力為：
[0044] Fxi = -FT+Rx+Fm (4)
[0045] (二)補(bǔ)水艙進(jìn)水產(chǎn)生的干擾；
[0046] 設(shè)在tn時刻已經(jīng)進(jìn)入補(bǔ)水艙中水的質(zhì)量是mo，進(jìn)水速度是Vn，在tn+l時刻進(jìn)入補(bǔ)水 艙中的水的(微小)質(zhì)量是dmo,在進(jìn)入補(bǔ)水艙之前，原質(zhì)點系速度應(yīng)當(dāng)是外部流場速度vo,兩 項合并后，整個質(zhì)點系的速度是Vn+l，則tn時刻整個質(zhì)點系的動能為：
[0048] tn+1時刻整個質(zhì)點系的動能為：
[
[0050]在[tn，tn+1 ]內(nèi)，整個質(zhì)點系的動能為：
7)
[0052]其中dW為合外力對整個質(zhì)點系所做的（微)功，dW為：
[0054]其中所述S為補(bǔ)水艙的等效截面積，P為tj寸刻補(bǔ)水艙內(nèi)氣體壓強(qiáng)，P2*tn+1時刻補(bǔ) 水艙內(nèi)氣體壓強(qiáng)，
卜水艙內(nèi)原有氣體對整個質(zhì)點系所做的(微)功，
的具 體形式為：
[0056] 其中Ρ〇為進(jìn)水前補(bǔ)水艙內(nèi)氣體的壓強(qiáng)，一般情況下都是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;Ρη為進(jìn)水后補(bǔ) 水艙內(nèi)氣體的壓強(qiáng)，X為補(bǔ)水艙中等效水深，^為仏時刻的等效水深，L為在絕熱壓縮階段補(bǔ) 水艙總長度，γ為氣體的絕熱指數(shù)，γ取值為1.4;
[0057] 由于補(bǔ)水艙進(jìn)水速度很快，整個載荷布放過程在2s中就會完成所以補(bǔ)水艙進(jìn)水工 作應(yīng)該在兩秒內(nèi)完成，由公式(9)得到補(bǔ)水艙進(jìn)水對UUV垂向產(chǎn)生的干擾力為：
(10)
[0059]補(bǔ)水艙補(bǔ)水過程對UUV造成的縱傾力矩為：
[0061]其中所述Ffu表示補(bǔ)水艙為空時的浮力，12為補(bǔ)水艙浮心距原心的距離；
[0062]根據(jù)公式(3)、（4)、（ 10)和(11)得到載荷布放期間因載荷布放對UUV產(chǎn)生的擾動：
(12)
[0064] 其中
[0070]其中Λ是運動坐標(biāo)系向固定坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換矩陣，Λ:表示未知干擾力，Λ2表示 未知干擾力矩，τΡ，Tq，Tr為縱向、橫向、垂向的干擾力矩。
[0071 ]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是:所述步驟二中獲 取UUV當(dāng)前狀態(tài)μ，構(gòu)建UUV在載荷布放擾動下的動力學(xué)模型為：
[0072] 通過UUV自身的一系列傳感器獲取UUV當(dāng)前狀態(tài)為= 草以/丨1， #=[1辦6 #,r]T描述UUV在大地坐標(biāo)系下的位置以及姿態(tài)向量，其中ξ，η，ζ為固定坐標(biāo)系下 的縱向、橫向、垂向坐標(biāo)，F(xiàn)為縱搖角、橫搖角、艏搖角；
[0073] UUV動力學(xué)模型為：
[0075] 其中x = |>，v，w，p，q，r]T，其中u，v，w分別為運動坐標(biāo)系下的縱向、橫向和垂向速 度，P，q，r分別運動坐標(biāo)系下為橫搖角、縱搖角、艏搖角速度，Μ代表系統(tǒng)慣性矩陣，(Χμ)代表 系統(tǒng)哥氏力離心力矩陣，D(y)代表流體阻尼矩陣，L (μ)代表UUV所受的其他水動力、水動力 矩，G(y)代表由重力、浮力造成的恢復(fù)力以及恢復(fù)力矩，τ代表UUV推進(jìn)系統(tǒng)提供的推進(jìn)力以 及推進(jìn)力矩，Td代表外部擾動力以及擾動力矩；
[0076] 因為UUV主要在布放載荷時航行在水下一定深度，受到的海風(fēng)、海浪影響較小，所 以將海風(fēng)、海浪的影響忽略，定義Td = Tdc;+Tdm，因此UUV在載荷布放擾動下的動力學(xué)模型為： Γ _
[0078]其中Tdm為布放載荷引起的擾動，Tdc為海流引起的環(huán)境干擾；分=;變換矩陣
，八為固定坐標(biāo)系下的角度向運動坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換矩陣；
LUUOOJ (J νμ；-J
\^)〇
【具體實施方式】 [0084] 四：本實施方式與一至三之一不同的是：所述步驟三 中設(shè)計滑模面S，構(gòu)造滑?？刂破鞯木唧w過程為：
[0085] UUV的狀態(tài)誤差為：
[0086] θ=μ<?-μ (25)
[0087] 其中所述W為UUV的期望狀態(tài)；
[0088]滑模面為： ______
_ …一 (26)
[0090]其中所述矩陣Η是正定對角陣；
[0091 ]為達(dá)到抵消載荷布放產(chǎn)生的擾動的目的，設(shè)計滑?？刂破鳛椋?br>[0093]其中所述K(t)為對角陣，即：
[0094] K(t) =diag(ki，k2, · · ·，k6)，kj=max(adj)+Xj，j = 1，2,…，6 (28)
[0095] 其中所述a<y為載荷擾動引起的加速度向量if (μΓ1^-中的第j個元素，參數(shù)\>0。弓丨 入?yún)?shù)M>0來保證控制器的穩(wěn)定性。引入切換增益K(t)的目的是為了補(bǔ)償干擾項Td m、Tdc，以 確保滑模存在條件一定能滿足。
【具體實施方式】 [0096] 五:本實施方式與一至四之一不同的是:所述步驟四 中設(shè)計模糊控制器的具體過程為：
[0097] 利用自適應(yīng)控制和模糊控制調(diào)整滑?？刂破鞯那袚Q增益的不確定部分ΛΚ，以達(dá) 到降低系統(tǒng)抖振的目的。因為滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的抖振現(xiàn)象主要是由滑模控制器的不連續(xù) 切換造成的，所以削弱系統(tǒng)抖振的有效途徑就是確保補(bǔ)償擾動的同時，減小切換項的增益。 因為干擾項T dm、id。是時變的而且有不確定因素在里面，所以必須使用具有自適