CN105573327A - 基于t-s模糊时滞模型的欠驱动uuv垂直面控制方法 - Google Patents

Abstract

基于T-S模糊时滞模型的欠驱动UUV垂直面控制方法，涉及一种水下运动体的控制方法。本发明是为了实现在通信时滞情况下，控制欠驱动无人水下航行器平稳达到指定深度。运动控制计算机接到深度指令后，将深度指令偏差及UUV的舵角、俯仰角、航速初始状态输入T-S模糊时滞数学模型计算出状态反馈系数；控制器根据传感器系统传输的实时状态信息结合状态反馈系数计算出舵角指令；执行机构通过执行舵角指令来控制UUV下潜深度。若达到指定深度，则完成本次下潜任务，否则运动控制计算机继续解算、发送指令。本发明实现了欠驱动UUV在通信时滞状态下的垂直面的控制。

Description

基于T-S模糊时滞模型的欠驱动UUV垂直面控制方法

技术领域

本发明涉及一种水下运动体的控制方法。具体涉及一种欠驱动无人水下航行器(UUV)在通信时滞状态下垂直面的运动控制方法。

背景技术

无人水下航行器(UUV)是高技术的集成体，其运动控制问题是UUV诸多关键技术中迫切需要究、解决的关键技术之一。同时UUV的运动控制是完成UUV使命的重要技术保障，也是一直是困扰AUV技术工作者的一个十分复杂的问题。UUV运动控制系统的信息量交换大、实时性要求高。UUV垂直面的控制是UUV运动控制系统的一个重要环节。然而网络通信时滞造成信息的不确定使得UUV垂直面控制的难度加大。因此如何抑制在UUV垂直面控制中时滞现象给系统性能造成的影响已成为亟待解决的基本问题。

T-S模糊模型将线性系统理论与模糊理论相结合来解决非线性系统控制问题，将整个非线性系统的控制看作是多个局部线性系统控制的模糊逼近。这不仅开创了模糊模型辩识的新方法，同时也为模糊控制系统的稳定性分析和设计提供了模型基础。

文献《模型不确定时滞欠驱动AUV的模糊变结构控制》(哈尔滨工业大学学报，2010年3月，第42卷第3期)和文献《时滞时变AUV的模糊变结构控制》(系统工程与电子技术，2009年8月，第31卷第8期)均设计的一个模糊变结构控制器，该控制器以变结构控制的切换函数及其变化率为模糊控制器的输入，以变结构控制律的变化率为模糊控制器的输出，为了得到更好的性能，引入了压缩扩张隶属度函数。同时前者设计一定的模糊规则自适应地调整模糊控制器中的比例因子和量化因子。数值仿真表明，各自控制器都能很好地实现对具有控制输入时滞以及各自附加现象AUV的深度控制。然而两篇文献都没有建立具体的UUV垂直面的时滞模型，而是通过控制器的鲁棒性来解决控制输入时滞问题。

文献《含状态时滞的受扰水下航行器的滑模与最优跟踪控制》(中国优秀硕士学位论文全文数据库，2013)研究了一类受到持续扰动的含有状态时滞的水下航行器的滑模控制与最优跟踪控制，该文献建立了AUV的时滞模型，设计了滑模控制器解决AUV水平面在含有状态时滞情况下的位置跟踪问题。该文献研究的是航行器的水平面运动控制。

发明内容

本发明是为了实现在通信时滞情况下，控制欠驱动无人水下航行器平稳达到指定深度，从而提供一种基于T-S模糊时滞模型的欠驱动UUV垂直面控制方法。

基于T-S模糊时滞模型的欠驱动UUV垂直面控制方法，它由以下步骤实现：

步骤一、初始化UUV，获取初始状态信息当前深度、俯仰角和下潜速度；

步骤二、运动控制计算机接收深度指令，结合传感器反馈的初始状态信息输入T-S模糊时滞数学模型求解出控制器状态反馈系数；

步骤三、控制器通过解算当前传感器反馈的实时状态信息，输出舵角控制指令；

步骤四、舵机执行控制指令，完成UUV深度控制，并判断是否达到指定深度，如果判断结果为是，则结束本次下潜任务；如果判断结果为否，则返回执行步骤三；

实现欠驱动UUV垂直面在时滞状态下的闭环运动控制。

步骤二中所述的T-S模糊时滞数学模型采用UUV垂直面模糊时滞数学模型实现，所述UUV垂直面模糊时滞数学模型具体为：

步骤A1、建立UUV垂直面数学模型：

假设UUV的轴向速度为恒定值，所有横向参数都为零，且系统有且只有一个控制输入，即：水平舵舵角δ_s；

则其运动学和动力学方程表示为：

$\begin{array}{c}m\[\stackrel{\·}{w}-uq-x_G\stackrel{\·}{q}-z_G{q}^2\]=Z_{\stackrel{\·}{q}}\stackrel{\·}{q}+Z_{\stackrel{\·}{w}}\stackrel{\·}{w}+Z_{uq}uq+Z_{uw}uw+Z_{w\left|w\right|}w\left|w\right|+Z_{q\left|q\right|}q\left|q\right|\\ +(W-B_0)\cos \mathrm{\θ}+Z_{uu}{u}^2{\mathrm{\δ}}_s\end{array}$

$\begin{array}{c}{I}_{yy}+m\[x_G(uq-\stackrel{\·}{w})+z_{G}wq\]=M_{\stackrel{\·}{q}}\stackrel{\·}{q}+M_{\stackrel{\·}{w}}\stackrel{\·}{w}+M_{uq}uq+M_{uw}uw+M_{w\left|w\right|}w\left|w\right|\\ +M_{q\left|q\right|}q\left|q\right|-(x_{G}W-x_B{B}_0)\cos \mathrm{\θ}-(z_{G}W-z_B{B}_0)\sin \mathrm{\θ}+M_{uu}{u}^2{\mathrm{\δ}}_s\end{array}$

$\stackrel{\·}{z}=wcos\mathrm{\θ}-usin\mathrm{\θ}$

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=q---\left(1\right)$

式中：m为UUV的质量，q为纵倾角速度，为纵倾角的加速度，θ为纵倾角，w为基于艇体坐标系的下潜速度，为基于艇体坐标系的下潜加速度，I_yy为关于纵倾角的转动惯量，u为UUV的巡航速度，z为UUV的深度，为基于固定坐标系下潜速度，W和B₀分别为的重力和浮力，Z_uq、Z_uw、Z_w|w|、Z_q|q|、Z_uu、M_uq、M_uw、M_w|w|、M_q|q|、M_uu为的水动力参数；(x_G，y_G，z_G)和(x_B，y_B，z_B)分别为UUV的重心和浮力中心。

忽略二阶系数且令(x_G，y_G，z_G)＝(x_B，y_B，z_B)＝0，x＝(wqθz)^T，u(t)＝δ_s(t)则式(1)线性化的方程组为：

$W\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=Ax\left(t\right)+Bu\left(t\right)---\left(2\right)$

其中：

$W=\left[\begin{array}{cccc}m-Z_{\stackrel{\·}{w}}& -Z_{\stackrel{\·}{q}}& 0& 0\\ -M_{\stackrel{\·}{w}}& I_{yy}-M_{\stackrel{\·}{q}}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$A=\left[\begin{array}{cccc}{Z}_{uw}u& Z_{uq}+mu& 0& 0\\ M_{uw}u& M_{uq}u& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 1& 0& -u& 0\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{c}{Z}_{uu}{u}^2\\ M_{uu}{u}^2\\ 0\\ 0\end{array}\right];$

步骤A2、建立UUV垂直面模糊时滞数学模型：

根据(1)中的UUV垂直面的数学模型，结合信息从传感器到控制器的时滞为τ_sc，控制器到执行机构时滞为τ_ca；

令τ＝τ_sc+τ_ca建立UUV垂直面时滞模型为：

$\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=\stackrel{\‾}{A}x\left(t\right)+{\stackrel{\‾}{A}}_{d}x(t-\mathrm{\τ})+\stackrel{\‾}{B}u\left(t\right)---\left(3\right)$

式中：β为UUV垂直面通信时滞系数；

令x_τ＝x(t-τ)有以下T-S模糊规则：

规则1：当航速u＝U₁，则

规则2：当航速u＝U₂，则

……

规则n：当航速u＝U_n，则

则有UUV垂直面T-S模糊时滞模型的状态方程：

$\stackrel{\·}{x}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i\left(\mathrm{\ξ}\right(t\left)\right)\{{\stackrel{\‾}{A}}_{i}x+{\stackrel{\‾}{A}}_{di}{x}_{\mathrm{\τ}}+{\stackrel{\‾}{B}}_{i}u\}$

其中：λ_i(ξ(t))为模糊规则间的隶属函数且

本发明涉及的一种基于T-S模糊时滞模型的欠驱动UUV垂直面控制方法的工作原理：运动控制计算机在接收到深度指令后，将UUV的俯仰角、航速初始状态输入T-S模糊时滞模型计算出状态反馈系数输入控制器，控制器系统通过接收当前时刻t和滞后τ_sc时刻(t-τ_sc时刻)反馈的状态信息计算出相应的舵角，下达舵角指令控制执行机构，执行机构执行滞后τ_ca时刻(t-τ_ca时刻)形成闭环系统控制UUV达到指定深度。

本发明的优点在于通过建立欠驱动UUV垂直面T-S模糊时滞模型设计控制器，解决UUV垂直面在通信时滞状态下的深度控制。

附图说明

图1欠驱动UUV网络硬件结构图；

图2欠驱动UUV的控制方法示意图；

图3UUV垂直面控制系统工作流程图；

具体实施方式

具体实施方式一、结合图3，一种基于T-S模糊时滞模型的欠驱动UUV垂直面控制具体实施步骤可描述为：

1、初始化UUV，获取初始状态信息当前深度、俯仰角；

2、运动控制计算机接收深度指令，结合传感器反馈的初始状态信息输入T-S模糊时滞模型求解出控制器状态反馈系数。

3、控制器通过解算当前传感器反馈的实时状态信息，输出舵角控制指令；

4、舵机执行控制指令，完成UUV深度控制，若达到指定深度则结束，若没有则转至步骤3。如此形成闭环控制系统实现欠驱动UUV垂直面在时滞状态下的运动控制。

欠驱动UUV垂直面在网络通信时滞状态下的控制包含了硬件结构的搭建、T-S模糊时滞模型的建立、控制器的解算，结合附图对本发明详细的描述：

结合图1，搭建的UUV垂直面的网络硬件结构图。多普勒计程仪、可编程运动控制器、深度传感器、姿态传感器组成UUV垂直面的传感器系统；ARM和运动控制计算机组成UUV垂直面的控制器系统；可编程运动控制器和水平舵组成UUV垂直面的执行机构。传感器系统提供俯仰角、航速、深度信息，这些信息通过串口发送给运动控制计算机。运动控制计算机在接收到数据后进行相应的模数转换并结算出舵角指令，同时通过以太网输出舵角指令给ARM后控制执行机构控制UUV的深度。

结合图2，建立T-S模糊时滞模型。本发明研究欠驱动UUV的垂直面运动。假设UUV的轴向速度为恒定值，所有横向参数都为零，且系统有且只有一个控制输入，即水平舵舵角δ_s。其运动学和动力学方程可表示为：

$\begin{array}{c}m\[\stackrel{\·}{w}-uq-x_G\stackrel{\·}{q}-z_G{q}^2\]=Z_{\stackrel{\·}{q}}\stackrel{\·}{q}+Z_{\stackrel{\·}{w}}\stackrel{\·}{w}+Z_{uq}uq+Z_{uw}uw+Z_{w\left|w\right|}w\left|w\right|+Z_{q\left|q\right|}q\left|q\right|\\ +(W-B_0)\cos \mathrm{\θ}+Z_{uu}{u}^2{\mathrm{\δ}}_s\end{array}$

$\begin{array}{c}{I}_{yy}+m\[x_G(uq-\stackrel{\·}{w})+z_{G}wq\]=M_{\stackrel{\·}{q}}\stackrel{\·}{q}+M_{\stackrel{\·}{w}}\stackrel{\·}{w}+M_{uq}uq+M_{uw}uw+M_{w\left|w\right|}w\left|w\right|\\ +M_{q\left|q\right|}q\left|q\right|-(x_{G}W-x_B{B}_0)\cos \mathrm{\θ}-(z_{G}W-z_B{B}_0)\sin \mathrm{\θ}+M_{uu}{u}^2{\mathrm{\δ}}_s\end{array}$

$\stackrel{\·}{z}=wcos\mathrm{\θ}-usin\mathrm{\θ}$

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=q---\left(1\right)$

式中，m为UUV的质量，q为纵倾角速度，为纵倾角的加速度，θ为纵倾角，w为基于艇体坐标系的下潜速度，为基于艇体坐标系的下潜加速度，I_yy为关于纵倾角的转动惯量，u为UUV的巡航速度，z为UUV的深度，为基于固定坐标系下潜速度，W和B₀分别为的重力和浮力，Z_uq、Z_uw、Z_w|w|、Z_q|q|、Z_uu、M_uq、M_uw、M_w|w|、M_q|q|、M_uu为的水动力参数；(x_G，y_G，z_G)和(x_B，y_B，z_B)分别为UUV的重心和浮力中心。

忽略二阶系数且令(x_G，y_G，z_G)＝(x_B，y_B，z_B)＝0，x＝(wqθz)^T，u(t)＝δ_s(t)则将式(1)线性化可的方程组为

$W\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=Ax\left(t\right)+Bu\left(t\right)---\left(2\right)$

其中：

$W=\left[\begin{array}{cccc}m-Z_{\stackrel{\·}{w}}& -Z_{\stackrel{\·}{q}}& 0& 0\\ -M_{\stackrel{\·}{w}}& I_{yy}-M_{\stackrel{\·}{q}}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$A=\left[\begin{array}{cccc}{Z}_{uw}u& Z_{uq}+mu& 0& 0\\ M_{uw}u& M_{uq}u& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 1& 0& -u& 0\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{c}{Z}_{uu}{u}^2\\ M_{uu}{u}^2\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

在图2中有信息从传感器到控制器的时滞为τ_sc，控制器到执行机构时滞为τ_ca。令τ＝τ_sc+τ_ca建立UUV垂直面时滞模型为

$\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=\stackrel{\‾}{A}x\left(t\right)+{\stackrel{\‾}{A}}_{d}x(t-\mathrm{\τ})+\stackrel{\‾}{B}u\left(t\right)---\left(3\right)$

其中β为UUV垂直面通信时滞系数。

令x_τ＝x(t-τ)有以下T-S模糊规则：

规则1：如果航速u＝U₁，则

规则2：如果航速u＝U₂，则

……

规则n:如果航速u＝U_n，则

于是有UUV垂直面T-S模糊时滞模型的状态方程：

$\stackrel{\·}{x}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i\left(\mathrm{\ξ}\right(t\left)\right)\{{\stackrel{\‾}{A}}_{i}x+{\stackrel{\‾}{A}}_{di}{x}_{\mathrm{\τ}}+{\stackrel{\‾}{B}}_{i}u\}$

其中λ_i(ξ(t))为模糊规则间的隶属函数且针对每个模糊规则设计模糊状态反馈控制器有：

$u=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i\left(\mathrm{\ξ}\right(t\left)\right)K_i{x}_i\left(t\right)$

选择适当的Lyapunov函数，通过LMI求解出相应的状态反馈系数。

Claims (2)

1.基于T-S模糊时滞模型的欠驱动UUV垂直面控制方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、初始化UUV，获取初始状态信息当前深度、俯仰角和下潜速度；

步骤二、运动控制计算机接收深度指令，结合传感器反馈的初始状态信息输入T-S模糊时滞数学模型求解出控制器状态反馈系数；

步骤三、控制器通过解算当前传感器反馈的实时状态信息，输出舵角控制指令；

步骤四、舵机执行控制指令，完成UUV深度控制，并判断是否达到指定深度，如果判断结果为是，则结束本次下潜任务；如果判断结果为否，则返回执行步骤三；

实现欠驱动UUV垂直面在时滞状态下的闭环运动控制。

2.根据权利要求1所述的基于T-S模糊时滞模型的欠驱动UUV垂直面控制方法，其特征在于步骤二中所述的T-S模糊时滞数学模型采用UUV垂直面模糊时滞数学模型实现，所述UUV垂直面模糊时滞数学模型具体为：

步骤A1、建立UUV垂直面数学模型：

假设UUV的轴向速度为恒定值，所有横向参数都为零，且系统有且只有一个控制输入，即：水平舵舵角δ_s；

则其运动学和动力学方程表示为：

$\begin{array}{c}m\[\stackrel{\·}{w}-uq-x_G\stackrel{\·}{q}-z_G{q}^2\]=Z_{\stackrel{\·}{q}}\stackrel{\·}{q}+Z_{\stackrel{\·}{w}}\stackrel{\·}{w}+Z_{uq}uq+Z_{uw}uw+Z_{w\left|w\right|}w\left|w\right|+Z_{q\left|q\right|}q\left|q\right|\\ +\left(W-B_0\right)\cos \mathrm{\θ}+Z_{uu}{u}^2{\mathrm{\δ}}_s\\ I_{yy}+m\[x_G(uq-\stackrel{\·}{w})+z_{G}wq\]=M_{\stackrel{\·}{q}}\stackrel{\·}{q}+M_{\stackrel{\·}{w}}\stackrel{\·}{w}+M_{uq}uq+M_{uw}uw+M_{w\left|w\right|}w\left|w\right|\\ +M_{q\left|q\right|}q\left|q\right|-(x_{G}W-x_B{B}_0)\cos \mathrm{\θ}-(z_{G}W-z_B{B}_0)\sin \mathrm{\θ}+M_{uu}{u}^2{\mathrm{\δ}}_s\\ \stackrel{\·}{z}=w\cos \mathrm{\θ}-u\sin \mathrm{\θ}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=q\end{array}---\left(1\right)$

式中：m为UUV的质量，q为纵倾角速度，为纵倾角的加速度，θ为纵倾角，w为基于艇体坐标系的下潜速度，为基于艇体坐标系的下潜加速度，I_yy为关于纵倾角的转动惯量，u为UUV的巡航速度，z为UUV的深度，为基于固定坐标系下潜速度，W和B₀分别为的重力和浮力，Z_uq、Z_uw、Z_w|w|、Z_q|q|、Z_uu、M_uq、M_uw、M_w|w|、M_q|q|、M_uu为的水动力参数；(x_G，y_G，z_G)和(x_B，y_B，z_B)分别为UUV的重心和浮力中心；

忽略二阶系数且令(x_G，y_G，z_G)＝(x_B，y_B，z_B)＝0，x＝(wqθz)^T，u(t)＝δ_s(t)则式(1)线性化的方程组为：

$W\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=Ax\left(t\right)+Bu\left(t\right)---\left(2\right)$

其中：

$W=\left[\begin{array}{cccc}m-Z_{\stackrel{\·}{w}}& -Z_{\stackrel{\·}{q}}& 0& 0\\ -M_{\stackrel{\·}{w}}& I_{yy}-M_{\stackrel{\·}{q}}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$A=\left[\begin{array}{cccc}{Z}_{uw}u& Z_{uq}+mu& 0& 0\\ M_{uw}u& M_{uq}u& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 1& 0& -u& 0\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{c}{Z}_{uu}{u}^2\\ M_{uu}{u}^2\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

步骤A2、建立UUV垂直面模糊时滞数学模型：

根据(1)中的UUV垂直面的数学模型，结合信息从传感器到控制器的时滞为τ_sc，控制器到执行机构时滞为τ_ca；

令τ＝τ_sc+τ_ca建立UUV垂直面时滞模型为：

$\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=\stackrel{\‾}{A}x\left(t\right)+{\stackrel{\‾}{A}}_{d}x(t-\mathrm{\τ})+\stackrel{\‾}{B}u\left(t\right)---\left(3\right)$

式中：β为UUV垂直面通信时滞系数；

令x_τ＝x(t-τ)有以下T-S模糊规则：

规则1：当航速u＝U₁，则

规则2：当航速u＝U₂，则

……

规则n：当航速u＝U_n，则

则有UUV垂直面T-S模糊时滞模型的状态方程：

$\stackrel{\·}{x}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i\left(\mathrm{\ξ}\right(t\left)\right)\{{\stackrel{\‾}{A}}_{i}x+{\stackrel{\‾}{A}}_{di}{x}_{\mathrm{\τ}}+{\stackrel{\‾}{B}}_{i}u\}$

其中：λ_i(ξ(t))为模糊规则间的隶属函数且