潛艇定深運動仿人智能綜合自動控制

郝英澤 胡建軍

青島海軍潛艇學院 青島266071

潛艇定深運動仿人智能綜合自動控制

郝英澤 胡建軍

青島海軍潛艇學院 青島266071

針對潛艇定深運動過程中存在非線性、時變參數、復雜干擾的特點，在潛艇深度垂直面運動方程的基礎上運用仿人智能（HSIC）、PID綜合控制潛艇深度，建立深度控制的相關數學模型。仿真結果表明，HSIC-PID控制器不僅能較好的實現深度保持，對舵機的損耗也比傳統的PID控制小，并且比PID控制具有更好的穩態精度。

潛艇 操縱 深度 仿人智能控制

近年來，仿人智能控制HSIC（humansimulated intelligent control）研究作為進一步研究智能控制理論的有效方法，已受到國內外控制界的普遍關注。其基本思想是采用多層遞階結構，模仿人的學習，在線特征識別與記憶，直覺推理和多模態控制策略等行為和功能［1］。

到目前為止，幾乎所有的潛艇都安裝了自動操舵系統，控制航向、深度和縱傾。其中大多數潛艇的自動舵都采用PID舵，而常規的PID自動舵是基于潛艇運動的數學模型設計的，其模型越精確，響應就越好。但潛艇運動系統是一個大慣性、非線性、環境干擾復雜的系統，難以用一個精確的數學模型來描述。即便是目前世界上普遍采用的用于潛艇仿真模擬的標準六自由度運動方程，與潛艇的真實運動也存在著一定的差異，而且方程中的水動力系數的獲得也非常困難。有經驗的舵手往往并不能精確地掌握潛艇運動的數學模型，卻能把潛艇操縱得很好。仿人智能控制正是一種特別適用于難以用精確數學模型描述而主要依賴于人工經驗的系統。

潛艇定深操縱中操舵頻繁的問題比較突出，綜合利用仿人智能控制和PID控制可以降低潛艇定深控制時的操舵頻率。仿真結果表明控制系統的抗干擾性和環境適應性比僅用PID控制要優越得多。

1 潛艇深度控制系統

潛艇深度控制系統主要由艇體、升降舵舵機伺服系統和控制器組成，可由圖1所示的多輸入（首、尾升降舵角）和多輸出（深度、縱傾角）控制系統框圖表示，控制器采用PID控制或HSIC-PID控制。

圖1 深度控制系統框圖

2 潛艇深度控制數學模型

表征潛艇垂直面運動的的數學模型為［2］

式中：m——潛艇質量；

P——靜載荷；

u、w、q——潛艇縱向速度、垂向速度、縱傾角速度；

˙u、˙w、˙q——潛艇縱向加速度、垂向加速度、縱傾角加速度；

X——潛艇受到的縱向非線性水動力；

Z——潛艇受到的垂向非線性水動力；

M——水動力矩。

3 HSIC-PID控制

在HSIC-PID控制中，PID控制主要用于控制縱傾和深度回到目標位置，控制收斂能力強，但響應時缺乏嚴密的受控對象狀態預判，容易引起操舵頻率過高；HSIC的定深模塊和縱傾調節模塊也可以完成這一工作，它們比PID控制舵頻低但不如PID控制效率高。采用HSIC-PID的組合控制，可綜合兩者優點［3］。

3．1 依據最小縱傾平衡角控制定深

潛艇在垂直面內作有縱傾等速直線定深運動時，作用于艇體的力和力矩平衡，無因次化得方程組如下。

類似得到其他無因次參數。

潛艇帶剩余浮力與剩余浮力矩定深航行時，縱傾、首舵和尾舵滿足式（3）。令首舵從—25°～25°，尾舵從—30°～30°，每次增加1°變化，可計算出51×61個縱傾角值，從中找出最小的縱傾角值及相應的首舵與尾舵值。這就是相對于這一航速及剩余浮力與剩余浮力矩的最小縱傾平衡角［4］。

潛艇定深穩定運動狀態的解不是唯一的，使用HSIC-PID控制可以實現穩定定深運動控制。潛艇帶縱傾航行時，阻力變大，因此在特定的浮力差和力矩差條件下，應以最小的縱傾定深為佳。測算出浮力差和力矩差后，系統接著算出最小縱傾平衡角，指示HSIC-PID控制系統，控制的目標位置。在沒有確定最小縱傾平衡角以前，系統以零為缺省值，當得到是非零值時，系統將穩定到該位置上。

3．2 HSIC-PID控制的主要系數

3．2．1 縱傾差參數和深度差參數

HSIC控制潛艇深度時，先判斷縱傾差是否落在一個設定的區間內，如果成立則再判斷深度差是否也落在一個設定的區間內，如果也成立則系統處于監視狀態，如果前者否，操舵調縱傾，后者否則微調深度。控制縱傾和深度區間的這兩個參數，就是縱傾差參數和深度差參數。

3．2．2 縱傾調節控制系數和升速調節控制系數

HSIC調節縱傾操舵過程中，動舵與監視交替進行，如果發現縱傾回落速度過慢同樣需要用舵加速回到平衡位置，如果回到目標深度的升速太慢，也需要用舵加速深度回到平衡位置，通過縱傾調節控制系數和升速調節控制系數可以標識過慢的標準。

3．2．3 縱傾轉換系數和深度轉換系數

縱傾差較大時用PID、較小時用HSIC控制，通過HSIC與PID深度轉換系數和縱傾轉換系數可以實現兩者的合理使用。

除以上控制系數外，還有一些PID控制系數，意義與現行的控制系統一樣。

4 HSIC-PID控制仿真分析

以某型潛艇為對象對HSIC-PID控制潛艇定深運動進行仿真，分別采用HSIC-PID控制和PID控制方式對潛艇進行深度保持試驗（PID控制參數已調整至最優）。仿真結果見圖2、3。

圖2 正弦干擾下深度HSIC-PID控制

圖3 常值干擾加正弦干擾下深度PID控制

圖2為典型正弦干擾下給定深度50 m，指令縱傾角為—10°的HSIC-PID控制仿真曲線。

圖3為常值干擾加典型正弦干擾下給定深度50 m，指令縱傾角為—10°的PID控制仿真曲線。

由仿真結果可以得出如下結論。

1）就深度響應曲線的的調節時間來看，HSIC-PID控制與PID控制相差不大。

2）由于HSIC-PID控制系統中含有HSIC控制，其穩態精度大為提高。

由圖2可以看出，在正弦干擾的基礎上加入常值干擾后，潛艇深度仍能精確的控制在50 m。

相反，由圖3可以看出，在PID控制中加入一個較大的常值干擾后潛艇深度將很難控制在目標深度上。

3）定深控制過程中，在正弦干擾的作用下，HSIC-PID控制的深度曲線要比PID控制曲線平滑得多，動舵幅度與頻率遠小于PID控制，就降低打舵頻率來說，HSIC-PID控制要遠優于PID控制。

5 結束語

提出了利用HSIC-PID控制潛艇定深運動，運用HSIC-PID控制，在滿足深度控制性能要求的前提下，具有打舵幅度小、頻率慢、迅速穩定控制狀態偏移等優點，并能較好的消除常值干擾引起的靜差。對于潛艇運動這類不能精確建模、干擾復雜的非線性、時變系統，HSIC-PID控制是一種較好的控制方式。

［1］胡惠軼，陳應強．HSIC控制特性和PID控制特性比較［J］．貴州工業大學學報：自然科學版，2002，31（3）：29-31．

［2］徐亦凡．潛艇操縱原理與方法［M］．北京：兵器工業出版社，2002：42-46．

［3］陳 眾，顏 偉，李祖樞．基于HSIC的非線性PID控制器［J］．控制與決策，2003，18（6）：694-697．

［4］周松辰，唐 耀．潛艇最小縱傾平衡角計算［J］．潛艇學術研究，1999（2）：28-30．

Comprehensive utilization of HSIC and PID control for the motion of submarine in fixed depth

HAO Ying-ze HU Jian-jun
Navy Submarine Academy Qingdao 266071

During the course of the movement of the submarine in the fixed depth，there are some characteristics of nonlinearity，time-varying parameters and influence of complex disturbance．The keeping method of the submarine′s depth by using human-simulated intelligent control（HSIC）and PID control comprehensively is proposed based on submarine′s vertical motion equation．The simulation results show that the method can keep submarine′s depth very well with less wastage to rudderpost than PID controller．The stability precision of the proposed HSICPID controller is better than the conventional PID controller．

submarine maneuvering depth Human-simulated intelligent control

TP391．9

A

1671-7953（2007）02-0097-03

2006-09-20

修回日期2006-10-30

郝英澤（1963—），男，大學，副教授。