CN114839877A - 一种非鱼雷头型航行体自适应鲁棒控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非鱼雷头型航行体自适应鲁棒控制方法，包括：S1.非鱼雷头型航行体的六自由度运动模型进行解耦得到非线性模型；S2.根据非线性模型获取控制输入深度y_i，计算y_i与参考深度y_r之间的深度偏差y_error，根据y_error计算俯仰角控制指令θ，用θ来实时更新俯仰角参考指令θ_r；S3.根据更新后的θ实时获取俯仰角综合跟踪误差s_θ；根据s_θ获取航行体的控制输入水平舵角δ_e；S4.通过δ_e对非鱼雷头型航行体的当前纵向平面运动进行实时控制，并实时获取下一个控制输入深度用于更新S2中的y_i，直至非鱼雷头型航行体稳定在目标深度。本发明的控制方法稳定性高且收敛速度快。

Description

一种非鱼雷头型航行体自适应鲁棒控制方法

技术领域

本发明涉及非鱼雷头型航行体技术领域，更具体的说是涉及一种非鱼雷头型航行体自适应鲁棒控制方法。

背景技术

非鱼雷头型的航行体由于其头部以及外部流型的特殊设计使得其在水中的航行速度得到显著提升，能够增加其命中率以及打击威力，但同时也带来了其控制的稳定性不足以及收敛时间过长的问题。

因此，如何提供一种非鱼雷头型航行体自适应鲁棒控制方法来控制非鱼雷头型的航行体的稳定性以及缩短收敛时间是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种非鱼雷头型航行体自适应鲁棒控制方法，目的在于解决现有的非鱼雷头型的航行体控制稳定性差且收敛时间长的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种非鱼雷头型航行体自适应鲁棒控制方法，包括以下步骤：

S1.非鱼雷头型航行体的六自由度运动模型进行解耦得到非线性模型；

S2.根据所述非线性模型获取控制输入深度y_i，计算控制输入深度y_i与参考深度y_r之间的深度偏差y_error，根据深度偏差y_error计算俯仰角控制指令θ，用俯仰角控制指令θ来实时更新俯仰角参考指令θ_r；其中，俯仰角控制指令θ的计算方法为：

式中，

为航行体的攻角估计值，λ_y为控制修正系数，Φ_y表示深度限幅范围，sat()为饱和限幅函数；

S3.根据更新后的俯仰角控制指令θ实时获取俯仰角综合跟踪误差s_θ：

式中，λ_θ＞0为俯仰角控制参数；

根据俯仰角综合跟踪误差s_θ获取航行体的控制输入水平舵角δ_e：

f＝[f₁ f₂ f₃ f₄]^T

式中，Y反映了航行体的姿态信息，f反映了航行体自身的流体运动特性，

为估计值，ε_θ＞0为滑模控制切换项参数，k₁为俯仰角误差的系数；

S4.通过控制输入水平舵角δ_e对所述非鱼雷头型航行体的当前纵向平面运动进行实时控制，并实时获取下一个控制输入深度用于更新S2中的y_i，直至所述非鱼雷头型航行体稳定在目标深度。

优选的，所述非线性模型为：

α＝-arctan(v_y/v_x)

式中，δ_e为航行体的水平舵角；θ为航行体的俯仰角；y为航行体的航行深度；v_x为航行体前向速度；v_y为垂向速度；m为航行体质量；ρ为海水密度；L为航行体长度；J_zz为航行体z轴方向的转动惯量；α为航行体攻角；x_c为质心与浮心位置的距离；y_c为质心下移量；ΔG为航行体的重力与浮力之差；λ₁₁、λ₂₂、λ₂₆、λ₆₆为附加质量；

为升力系数；

为俯仰力矩系数；C_xs为最大横截面积S为特征面积的阻力系数；T表示航行体推力。

优选的，S2中根据所述非线性模型获取控制输入深度y_i的具体方法为：

令α为真实攻角，将α当作小量处理，则：

式中，

v_x为航行体前向速度；v_y为垂向速度。

优选的，构建深度控制Lyapunov函数：

将俯仰角指令代入所述定义深度控制Lyapunov函数的导数中，并使

由Barbalat引理，

即航行体的深度跟踪误差最终可以收敛；最终得到简化的控制率为：

其中k_adp为攻角自适应参数。

优选的，S3中根据更新后的俯仰角控制指令θ实时获取俯仰角综合跟踪误差s_θ的具体方法为：

首先忽略二阶及高阶小量，忽略加速度的动态特性和俯仰角速度的影响，按照参数线性化将动力学方程中的俯仰运动方程简化：

式中：f₁＝-(J_zz+λ₆₆)/K_mzδ＞0为航行体转动惯量的无量纲化参数；

为角速率阻尼系数；

为俯仰角系数；

为常数力矩项；

其中，f＝[f₁ f₂ f₃ f₄]^T，

为估计值，

为估计偏差，取俯仰角综合跟踪误差函数：

式中：λ_θ＞0为俯仰角控制参数。

优选的，构建俯仰角Lyapunov函数：

对其求导，取控制输入水平舵角

只要参数

则使导数小于零，保证全局稳定性。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种非鱼雷头型航行体自适应鲁棒控制方法，首先对航行体六自由度方程进行简化得到航行体的纵向运动方程，并基于该模型设计了深度-俯仰角串级双环控制器，本发明的控制深度以及俯仰角收敛更快，且最终误差收敛较小，解决了现有技术中存在的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明一种非鱼雷头型航行体自适应鲁棒控制方法提供的非鱼雷头型航行体纵向运动控制框图；

图2附图为本发明实施例提供的非鱼雷头型航行体深度变化曲线；

图3附图为本发明实施例提供的非鱼雷头型航行体俯仰角变化曲线；

图4附图为本发明实施例提供的非鱼雷头型航行体俯仰舵偏角曲线；

图5附图为本发明实施例提供的滑模控制深度曲线；

图6附图为本发明实施例提供的PID控制深度曲线；

图7附图为本发明实施例提供的滑模控制俯仰角变化；

图8附图为本发明实施例提供的PID控制俯仰角变化；

图9附图为本发明实施例提供的滑模控制俯仰舵偏角；

图10附图为本发明实施例提供的PID控制俯仰舵偏角。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种非鱼雷头型航行体自适应鲁棒控制方法，包括以下步骤：

S1.非鱼雷头型航行体的六自由度运动模型进行解耦得到非线性模型；

S2.根据非线性模型获取控制输入深度y_i，计算控制输入深度y_i与参考深度y_r之间的深度偏差y_error，根据深度偏差y_error计算俯仰角控制指令θ，用俯仰角控制指令θ来实时更新俯仰角参考指令θ_r；其中，俯仰角控制指令θ的计算方法为：

式中，

为航行体的攻角估计值，λ_y为控制修正系数，Φ_y表示深度限幅范围，sat()为饱和限幅函数；

S3.根据更新后的俯仰角控制指令θ实时获取俯仰角综合跟踪误差sθ：

式中，λ_θ＞0为俯仰角控制参数，反映了俯仰角收敛速度；

根据俯仰角综合跟踪误差s_θ获取航行体的控制输入水平舵角δ_e：

f＝[f₁ f₂ f₃ f₄]^T

式中，Y反映了航行体的姿态信息，f反映了航行体自身的流体运动特性，

为估计值，ε_θ＞0为滑模控制切换项参数，k₁为俯仰角误差的系数；

S4.通过控制输入水平舵角δ_e对非鱼雷头型航行体的当前纵向平面运动进行实时控制，并实时获取下一个控制输入深度用于更新S2中的y_i，直至非鱼雷头型航行体稳定在目标深度。

需要说明的是：

滑模控制是一种简单的鲁棒控制方法，它能维持系统的稳定性并保持良好一致性，而在处理定常或渐变参数的不确定性问题时，自适应方法往往需要很少甚至不需要有关未知数的的先验信息，并且控制效果更好，对于非鱼雷头型航行体纵向运动控制方法，深度控制采用自适应控制方法估计无法测量的攻角信息，俯仰角控制回路采用滑模控制。

航行体纵向运动采用深度-俯仰角双环控制结构，如图1所示，先由深度偏差计算得到俯仰角的参考指令，再根据俯仰角参看指令计算输入舵角，使θ→θ_r。

为了进一步实施上述技术方案，非鱼雷头型航行体的六自由度运动模型具有强耦合性和非线性，所以为了简化模型且能够精确地描述鱼雷模型，采用解耦之后的非线性模型，只关注航行体的纵向平面的运动，且保留鱼雷的非线性项。简化后的航行体纵向运动方程即非线性模型可表示为：

α＝-arctan(v_y/v_x)

式中，δ_e为航行体的水平舵角；θ为航行体的俯仰角；y为航行体的航行深度；v_x为航行体前向速度；v_y为垂向速度；m为航行体质量；ρ为海水密度；L为航行体长度；J_zz为航行体z轴方向的转动惯量；α为航行体攻角；x_c为质心与浮心位置的距离；y_c为质心下移量；ΔG为航行体的重力与浮力之差；λ₁₁、λ₂₂、λ₂₆、λ₆₆为附加质量；

为升力系数；

为俯仰力矩系数；C_xs为最大横截面积S为特征面积的阻力系数；T表示航行体推力。

为了进一步实施上述技术方案，S2中根据非线性模型获取控制输入深度y_i的具体方法为：

令α为真实攻角，将α当作小量处理，则：

式中，

v_x为航行体前向速度；v_y为垂向速度。

为了进一步实施上述技术方案，构建深度控制Lyapunov函数：

将俯仰角指令代入定义深度控制Lyapunov函数的导数中，并使

由Barbalat引理，

即航行体的深度跟踪误差最终可以收敛，最终可以得到简化的控制率为：

其中k_adp为攻角自适应参数。

为了进一步实施上述技术方案，S3中根据更新后的俯仰角控制指令θ实时获取俯仰角综合跟踪误差s_θ的具体方法为：

首先忽略二阶及高阶小量，忽略加速度的动态特性和俯仰角速度的影响，按照参数线性化将动力学方程中的俯仰运动方程简化：

式中：

为航行体转动惯量的无量纲化参数；

为角速率阻尼系数；

为俯仰角系数；

为常数力矩项；

其中，f＝[f₁ f₂ f₃ f₄]^T，

为估计值，

为估计偏差，取俯仰角综合跟踪误差函数：

式中：λ_θ＞0为俯仰角控制参数。

为了进一步实施上述技术方案，构建俯仰角Lyapunov函数：

对其求导，取控制输入水平舵角

只要参数

即可使导数小于零，保证全局稳定性。

下面将进一步通过仿真分析来对本发明公开的方法效果进行说明：

(1)假设非鱼雷头型航行体的初始条件为：初始深度为0，目标深度为1m，初始速度为10m/s，舵偏角限幅±20°，在无扰动的条件下通过仿真得到的结果如下：

由图2-4各曲线可知，航行体在航行7.5s时刻已经稳定在目标深度，俯仰角变化幅度最大为1.2°，最终稳定在0附近，俯仰舵偏角变化范围在-4°～4°内，远小于舵偏限幅，说明航行体在自适应滑模控制方案下可以实现对纵向平面运动的稳定控制。

(2)在上述条件下加入干扰，干扰为常值；

从图5-10曲线可以看出在常值干扰下，滑模控制的深度以及俯仰角收敛更快，且最终误差收敛较小，而PID控制器误差较大且俯仰角的收敛性较差，验证了滑模控制方法具有一定的鲁棒性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种非鱼雷头型航行体自适应鲁棒控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.非鱼雷头型航行体的六自由度运动模型进行解耦得到非线性模型；

S2.根据所述非线性模型获取控制输入深度y_i，计算控制输入深度y_i与参考深度y_r之间的深度偏差y_error，根据深度偏差y_error计算俯仰角控制指令θ，用俯仰角控制指令θ来实时更新俯仰角参考指令θ_r；其中，俯仰角控制指令θ的计算方法为：

式中，

为航行体的攻角估计值，λ_y为控制修正系数，Φ_y表示深度限幅范围，sat()为饱和限幅函数；

S3.根据更新后的俯仰角控制指令θ实时获取俯仰角综合跟踪误差s_θ：

式中，λ_θ＞0为俯仰角控制参数；

根据俯仰角综合跟踪误差s_θ获取航行体的控制输入水平舵角δ_e：

f＝[f₁ f₂ f₃ f₄]^T

式中，Y反映了航行体的姿态信息，f反映了航行体自身的流体运动特性，

为估计值，ε_θ＞0为滑模控制切换项参数，k₁为俯仰角误差的系数；

S4.通过控制输入水平舵角δ_e对所述非鱼雷头型航行体的当前纵向平面运动进行实时控制，并实时获取下一个控制输入深度用于更新S2中的yi，直至所述非鱼雷头型航行体稳定在目标深度。

2.根据权利要求1所述的一种非鱼雷头型航行体自适应鲁棒控制方法，其特征在于，所述非线性模型为：

α＝-arctan(v_y/v_x)

式中，δ_e为航行体的水平舵角；θ为航行体的俯仰角；y为航行体的航行深度；v_x为航行体前向速度；v_y为垂向速度；m为航行体质量；ρ为海水密度；L为航行体长度；J_zz为航行体z轴方向的转动惯量；α为航行体攻角；x_c为质心与浮心位置的距离；y_c为质心下移量；ΔG为航行体的重力与浮力之差；λ₁₁、λ₂₂、λ₂₆、λ₆₆为附加质量；

为升力系数；

为俯仰力矩系数；C_xs为最大横截面积S为特征面积的阻力系数；T表示航行体推力。

3.根据权利要求1所述的一种非鱼雷头型航行体自适应鲁棒控制方法，其特征在于，S2中根据所述非线性模型获取控制输入深度y_i的具体方法为：

令α为真实攻角，将α当作小量处理，则：

式中，

v_x为航行体前向速度；v_y为垂向速度。

4.根据权利要求1所述的一种非鱼雷头型航行体自适应鲁棒控制方法，其特征在于，构建深度控制Lyapunov函数：

将俯仰角指令代入所述定义深度控制Lyapunov函数的导数中，并使

由Barbalat引理，

即航行体的深度跟踪误差最终可以收敛；最终得到简化的控制率为：

其中k_adp为攻角自适应参数。

5.根据权利要求1所述的一种非鱼雷头型航行体自适应鲁棒控制方法，其特征在于，S3中根据更新后的俯仰角控制指令θ实时获取俯仰角综合跟踪误差s_θ的具体方法为：

首先忽略二阶及高阶小量，忽略加速度的动态特性和俯仰角速度的影响，按照参数线性化将动力学方程中的俯仰运动方程简化：

式中：

为航行体转动惯量的无量纲化参数；

为角速率阻尼系数；

为俯仰角系数；

为常数力矩项；

其中，f＝[f₁ f₂ f₃ f₄]^T，

为估计值，

为估计偏差，取俯仰角综合跟踪误差函数：

式中：λ_θ＞0为俯仰角控制参数。

6.根据权利要求1所述的一种非鱼雷头型航行体自适应鲁棒控制方法，其特征在于，构建俯仰角Lyapunov函数：

对其求导，取控制输入水平舵角

只要参数

则使导数小于零，使得俯仰角跟踪误差收敛，保证全局稳定性。

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