CN109144080A - 水下航行器艏艉联合操舵深度控制策略及其pid控制器 - Google Patents

水下航行器艏艉联合操舵深度控制策略及其pid控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下航行器艏艉联合操舵深度控制策略及其PID控制器，属于自动控制领域。本发明针对采用艏舵和艉舵对水下航行器进行深度控制时深度通道和纵倾通道存在的强非线性耦合问题，提出基于非线性耦合特性的艏艉联合操舵控制策略，充分考虑了艏舵和艉舵之间的强非线性耦合特性，首先提取出深度通道的艏舵、艉舵联合控制律与纵倾通道的艏舵、艉舵联合控制律，然后建立耦合方程组，最后，求解耦合方程组得到艏舵和艉舵各自的控制律，实现同时具有艏舵和艉舵的水下航行器深度控制。本发明从理论上解决了艏舵和艉舵在控制深度时深度通道和纵倾通道存在的强非线性耦合问题，使设计出的控制器更加接近工程实际，并具有更加优良的控制效果。

Description

水下航行器艏艉联合操舵深度控制策略及其PID控制器
技术领域
本发明属于自动控制领域，更具体地，涉及一种针对同时具有艏舵和艉舵的水下航行器深度控制的艏艉联合操舵控制策略及其PID控制器。
背景技术
水下航行器作为探索海洋的有力工具如今越来越受到人们的重视，现如今已逐渐成为智能航行器领域的重要分支，在水文测量、油气勘测、光缆巡检、隐蔽侦察等军民领域发挥着重要的作用。水下航行器的深度控制是其完成各项任务的重要基础，在深度控制中，操舵策略作为一个重点内容近年来一直是业内人士的研究热点，不少学者也提出了各种不同的操舵策略用于水下航行器垂直面的深度控制，典型的有：单艏舵操舵、单艉舵操舵以及艏舵控制深度、艉舵控制纵倾的艏艉分别操舵等操舵策略。这些操舵策略在工程上也有着广泛的应用，但是由于普遍都忽略了艏舵和艉舵在控制深度时深度通道和纵倾通道存在的强非线性耦合问题，因此，在工程应用中的控制效果往往差强人意，这就导致了水下航行器的应用范围大大受限。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种针对同时具有艏舵(艏水平舵，下同)和艉舵(艉水平舵，下同)的水下航行器深度控制的操舵策略，其目的在于，通过充分考虑艏舵和艉舵之间的强非线性耦合特性，实现同时具有艏舵和艉舵的水下航行器深度控制，由此解决现有技术因忽略强非线性耦合问题导致水下航行器的应用范围大大受限的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种水下航行器艏艉联合操舵深度控制策略，基于水下航行器运动学和动力学模型，提取出深度通道的艏舵、艉舵联合控制律和纵倾通道的艏舵、艉舵联合控制律，并将两者相结合，建立耦合方程组，求解出艏舵和艉舵各自的控制律。
进一步地，在同时具有艏舵和艉舵的水下航行器三维空间模型的基础上，通过引入约束条件得到水下航行器在垂直面的深度控制模型，约束条件如下：
(1)假定水下航行器的纵向速度恒定；
(2)水下航行器的横摇较小忽略不计，航向角恒定；
(3)忽略影响较小的非线性项；
(4)忽略舵角的平方项。
进一步地，基于约束条件对水下航行器的三维空间运动学和动力学模型进行简化，得到垂直面的状态方程，此状态方程为耦合方程组，通过对其求解，得到艏舵和艉舵各自的控制率。
进一步地，水下航行器在垂直面的简化模型如下：
其中，z为水下航行器深度，θ为纵倾角，u,w分别为纵向速度和垂向速度，q为纵倾角速度，δb,δs分别为艏舵和艉舵舵角，bwb,bws,bqb,bqs是由水下航行器自身属性决定的常量系数，fw,fq是由水下航行器自身属性以及航行状态决定的变量，可以根据水下航行器的航行状态实时确定。
进一步地，水下航行器的状态方程如公式(2)(7)所示：
其中，fz＝fwcosθ,fθ＝fq,b′wb＝bwbcosθ,b′ws＝bwscosθ,b′qb＝bqb,b′qs＝bqs
公式(2)为深度通道的艏舵、艉舵联合控制律；
公式(3)为纵倾通道的艏舵、艉舵联合控制律；
考虑艏舵和艉舵之间的耦合作用，将公式(2)与公式(7)相结合，建立耦合方程组，求解出艏舵和艉舵各自的控制律；联立耦合方程(2)和(7)求解可得：
方程(4)即为采用艏艉联合操舵策略时，艏舵和艉舵各自的控制律。
进一步地，基于PID控制算法进行艏艉联合操舵深度控制，方法如下：
针对深度通道，令
其中，zd为期望深度，ze＝z-zd为深度误差，kpz,kiz,kdz为比例、积分和微分系数；
由公式(7)可得：
根据劳斯判据，式(7)的三阶系统稳定的条件为：
kpz＞0,kiz＞0,kdz＞0,kpzkdz-kiz＞0；
因此，可以通过选取合适的kpz,kiz,kdz值，实现深度的稳定控制，稳定状态为：ze→0。
进一步地，针对纵倾通道，令
其中，θd为期望深度，θe＝θ-θd为深度误差，kpθ,kiθ,kdθ为比例、积分和微分系数；
同理可得，当kpθ＞0,kiθ＞0,kdθ＞0,kpθkdθ-kiθ＞0时，就能够实现纵倾的稳定控制，稳定状态为：θe→0；
将公式(5)和(8)代入公式(4)即可确定艏舵δb和艉舵δs各自的控制律。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种水下航行器艏艉联合操舵深度控制器，包括处理器及控制程序模块；所述处理器用于调用所述控制程序模块，以对艏舵、艉舵进行控制；所述控制程序模块在被所述处理器调用时执行如前所述的方法。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、为了能够进一步改善同时具有艏舵和艉舵的水下航行器深度控制的效果，本发明从水下航行器运动学和动力学模型出发，提取出深度通道的艏舵、艉舵联合控制律和纵倾通道的艏舵、艉舵联合控制律，并将两者相结合，建立耦合方程组，求解出艏舵和艉舵各自的控制律。这样就从理论上解决了艏舵和艉舵在控制深度和纵倾时存在的强非线性耦合问题，即艏舵控制深度时会对纵倾产生影响，同时，艉舵控制纵倾时也会对深度产生影响。
2、以PID(比例-积分-微分)控制算法为例，证明了深度通道和纵倾通道的稳定性，并将本发明提出的艏艉联合操舵控制策略与PID控制算法相结合，设计了针对同时具有艏舵和艉舵的水下航行器深度控制的控制器，更加接近工程实际，并具有更加优良的控制效果。
附图说明
图1为不考虑艏艉舵耦合作用时的控制器框图；
图2为本发明考虑艏艉舵耦合作用时的控制器框图；
图3为不考虑艏艉舵耦合作用时的PID控制器框图；
图4为本发明考虑艏艉舵耦合作用时的PID控制器框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明针对同时具有艏舵和艉舵的水下航行器深度控制问题，提出一种基于强非线性耦合特性的艏艉联合操舵控制策略，其特征在于，从理论上充分考虑了水下航行器艏舵和艉舵在进行深度控制和纵倾控制时存在的强非线性耦合问题，通过求解耦合方程组，得到艏舵和艉舵各自的控制率，实现水下航行器的深度控制。
首先，我们在同时具有艏舵和艉舵的水下航行器三维空间模型的基础上，通过引入约束条件得到水下航行器在垂直面的深度控制模型。约束条件如下：(1)假定水下航行器的纵向速度恒定；(2)水下航行器的横摇较小忽略不计，航向角恒定；(3)忽略影响较小的非线性项；(4)舵角的平方项系数相比一次项系数小很多，可以忽略。基于以上约束条件，水下航行器在垂直面的简化模型可以描述如公式(1)所示：
其中，z为水下航行器深度，θ为纵倾角，u,w分别为纵向速度和垂向速度，q为纵倾角速度，δb,δs分别为艏舵和艉舵舵角，bwb,bws,bqb,bqs是由水下航行器自身属性决定的常量系数，fw,fq是由水下航行器自身属性以及航行状态决定的变量，可以根据水下航行器的航行状态实时确定。
进一步推导，得到水下航行器的状态方程如公式(2)(7)所示：
其中，fz＝fwcosθ,fθ＝fq,b′wb＝bwbcosθ,b′ws＝bwscosθ,b′qb＝bqb,b′qs＝bqs
从公式(2)(7)中可以看出，艏舵δb和艉舵δs在控制深度和纵倾时存在耦合作用，即艏舵控制深度时会对纵倾产生影响，同时，艉舵控制纵倾时也会对深度产生影响。针对这个问题，传统的解决方法一般是：深度控制中仅用艏舵，视艉舵为干扰；纵倾控制中仅用艉舵，视艏舵为干扰，忽略艏舵和艉舵之间的耦合作用，使得最终的控制效果并不理想。
为了充分考虑这种耦合作用，我们将深度通道的艏舵、艉舵联合控制律(公式(2))与纵倾通道的艏舵、艉舵联合控制律(公式(7))相结合，建立耦合方程组，求解出艏舵和艉舵各自的控制律。这种操舵策略从理论上考虑了艏舵和艉舵在控制深度和纵倾时存在的耦合作用，非常接近实际工程应用。
联立耦合方程(2)和(7)求解可得：
在方程(7)中，等号右边只有是待确定量，的取值可由所选取的控制算法确定。方程(4)即为采用艏艉联合操舵策略时，艏舵和艉舵各自的控制律。
下面以PID(比例-积分-微分)控制算法为例，设计对应的控制器如下：
针对深度通道，令
其中，zd为期望深度，ze＝z-zd为深度误差，kpz,kiz,kdz为比例、积分和微分系数
由公式(7)可得
公式(6)两边微分可得：
根据劳斯判据，此三阶系统稳定的条件为：kpz＞0,kiz＞0,kdz＞0,kpzkdz-kiz＞0。
因此，只要选取合适的kpz,kiz,kdz值，就能够实现深度的稳定控制。稳定状态为：ze→0。
针对纵倾通道，令
其中，θd为期望深度，θe＝θ-θd为深度误差，kpθ,kiθ,kdθ为比例、积分和微分系数。
同理可证，当PID系数满足条件：kpθ＞0,kiθ＞0,kdθ＞0,kpθkdθ-kiθ＞0，就能够实现纵倾的稳定控制。稳定状态为：θe→0。
综上所述，深度通道控制和纵倾通道控制均能够趋于稳定，即：ze→0，θe→0。上述结果表明，在本发明专利提出的基于强非线性耦合特性的艏艉联合操舵控制策略的基础上设计的控制器在控制水下航行器达到预设深度实现稳定的深度控制的同时，纵倾角度也达到稳定值0。
最后，将公式(5)和(8)代入公式(4)即可确定艏舵δb和艉舵δs各自的控制律。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水下航行器艏艉联合操舵深度控制策略，其特征在于，基于水下航行器运动学和动力学模型，提取出深度通道的艏舵、艉舵联合控制律和纵倾通道的艏舵、艉舵联合控制律，并将两者相结合，建立耦合方程组，求解出艏舵和艉舵各自的控制律。
2.如权利要求1所述的一种水下航行器艏艉联合操舵深度控制策略，其特征在于，在同时具有艏舵和艉舵的水下航行器三维空间模型的基础上，通过引入约束条件得到水下航行器在垂直面的深度控制模型，约束条件如下：
(1)假定水下航行器的纵向速度恒定；
(2)水下航行器的横摇较小忽略不计，航向角恒定；
(3)忽略影响较小的非线性项；
(4)忽略舵角的平方项。
3.如权利要求2所述的一种水下航行器艏艉联合操舵深度控制策略，其特征在于，基于约束条件对水下航行器的三维空间运动学和动力学模型进行简化，得到垂直面的状态方程，此状态方程为耦合方程组，通过对其求解，得到艏舵和艉舵各自的控制率。
4.如权利要求2或3所述的一种水下航行器艏艉联合操舵深度控制策略，其特征在于，水下航行器在垂直面的简化模型如下：
其中，z为水下航行器深度，θ为纵倾角，u,w分别为纵向速度和垂向速度，q为纵倾角速度，δb,δs分别为艏舵和艉舵舵角，bwb,bws,bqb,bqs是由水下航行器自身属性决定的常量系数，fw,fq是由水下航行器自身属性以及航行状态决定的变量，可以根据水下航行器的航行状态实时确定。
5.如权利要求4所述的一种水下航行器艏艉联合操舵深度控制策略，其特征在于，水下航行器的状态方程如公式(2)(7)所示：
其中，fz＝fwcosθ,fθ＝fq,b′wb＝bwbcosθ,b′ws＝bwscosθ,b′qb＝bqb,b′qs＝bqs
公式(2)为深度通道的艏舵、艉舵联合控制律；
公式(3)为纵倾通道的艏舵、艉舵联合控制律；
考虑艏舵和艉舵之间的耦合作用，将公式(2)与公式(7)相结合，建立耦合方程组，求解出艏舵和艉舵各自的控制律；联立耦合方程(2)和(7)求解可得：
方程(4)即为采用艏艉联合操舵策略时，艏舵和艉舵各自的控制律。
6.如权利要求1-5任意一项所述的一种水下航行器艏艉联合操舵深度控制策略，其特征在于，基于PID控制算法进行艏艉联合操舵深度控制，算法如下：
针对深度通道，令
其中，zd为期望深度，ze＝z-zd为深度误差，kpz,kiz,kdz为比例、积分和微分系数；
由公式(7)可得：
根据劳斯判据，式(7)的三阶系统稳定的条件为：
kpz＞0,kiz＞0,kdz＞0,kpzkdz-kiz＞0；
因此，可以通过选取合适的kpz,kiz,kdz值，实现深度的稳定控制，稳定状态为：ze→0。
7.如权利要求6所述的一种水下航行器艏艉联合操舵深度控制策略，其特征在于，针对纵倾通道，令
其中，θd为期望深度，θe＝θ-θd为深度误差，kpθ,kiθ,kdθ为比例、积分和微分系数；
当kpθ＞0,kiθ＞0,kdθ＞0,kpθkdθ-kiθ＞0时，就能够实现纵倾的稳定控制，稳定状态为：θe→0；
将公式(5)和(8)代入公式(4)即可确定艏舵δb和艉舵δs各自的控制律。
8.一种水下航行器艏艉联合操舵PID深度控制器，其特征在于，包括处理器及控制程序模块；所述处理器用于调用所述控制程序模块，以对艏舵、艉舵进行控制；所述控制程序模块在被所述处理器调用时执行如权利要求1-7任意一项所述的方法。
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GR01 Patent grant
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