基于模糊控制的潛艇高壓氣自動控制研究＊

聶海英 丁風雷 劉 軍

（1.海軍潛艇學院研究生隊 青島 266042）（2.海軍潛艇學院作戰(zhàn)指揮系 青島 266042）（3.海軍潛艇學院訓練部潛艇模擬器訓練中心 大連 116023）

1 引言

高壓氣是潛艇操艇系統(tǒng)的重要組成部分，其使用時機非常關(guān)鍵，是否使用高壓氣是潛艇操縱人員需要考慮的關(guān)鍵問題；潛艇高壓氣的使用具有不可逆和非連續(xù)性，故高壓氣使用和控制必須把握三個時間點：供氣時機、停止供氣時機和解除氣壓時機［1］。利用傳統(tǒng)的PID控制方法對高壓氣進行自動控制，其可能性很小。模糊控制是一類應(yīng)用模糊集合理論的控制方法，尤其是當受控對象含有不確定性，而且很難用常規(guī)非線性控制理論處理時更為有效。根據(jù)潛艇高壓氣控制特點，采用模糊控制是合理的選擇。同時綜合利用潛艇指揮員的操縱經(jīng)驗，設(shè)計模糊控制器對潛艇高壓氣進行控制，當艙室破損時，自動實現(xiàn)供氣、停止供氣和解除氣壓。

2 潛艇基本運動控制模型

本文采用垂直面操縱非線性方程作為潛艇基本運動控制模型［2］，其表達式如下：

3 潛艇高壓氣模糊控制器

模糊控制器的結(jié)構(gòu)［3］如圖1中虛線所示：

圖1 潛艇高壓氣模糊控制器

3.1 隸屬函數(shù)確定

模糊控制器選用多輸入—單輸出模糊控制器，它的四個輸入分別為縱傾θ、縱傾變化率、深度差Δζ和深度變化率。輸出量為高壓氣控制信號U。

縱傾θ的模糊集為：｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝；論域為：｛－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6｝。

深度差Δζ的模糊集為：｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝；論域為：｛－3，－2，－1，0，1，2，3｝。縱傾變化率θ·的模糊集為：｛NB，NS，ZO，PS，PB｝；論域為：｛－3，－2，－1，0，1，2，3｝。

控制信號U 的模糊集為｛NB，NM，NS，NZ，ZO，PZ，PS，PM，PB｝；論域為：｛－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4｝。

表1 模糊變量θ的賦值表

表2 模糊變量U的賦值表

與縱傾θ相應(yīng)的隸屬度值如表1所示，與高壓氣控制信號U相應(yīng)的隸屬度值如表2所示。

3.2 模糊控制規(guī)則

在模糊控制規(guī)則的建立過程中，通過與潛艇操縱方面的專家（優(yōu)秀潛艇指揮員、潛艇操縱理論研究人員、實驗室模擬器操作人員）交流、探討，總結(jié)成初步經(jīng)驗集，然后進行大量的人工操縱仿真實驗［4］，驗證了所獲取經(jīng)驗的有效性，并對部分應(yīng)急操縱方法進行了定量分析，最后通過相同抗沉目標下的多方案比較，總結(jié)出共21條模糊控制規(guī)則，其中的前3條如下所示：

3.3 模糊推理

根據(jù)3.2節(jié)提出的糊控制規(guī)則，通過模糊計算求出模糊控制結(jié)果，然后再做一次轉(zhuǎn)換，求得清晰的控制量輸出，即模糊解，在本控制器中，結(jié)果U為離散的模糊矢量，采用式（2）進行轉(zhuǎn)化。

在此過程中，將模糊控制器進行必要的簡化，如首、尾組主壓載水艙高壓氣的控制量僅僅依據(jù)潛艇的縱傾和縱傾變化率；中組主壓載水艙高壓氣的控制量僅僅依據(jù)潛艇的深度差和深度變化率。此時，原來的多輸入—單輸出控制器解耦為單輸入—單輸出控制器，從而降低了控制器的復(fù)雜度。最后利用計算機可將預(yù)先計算好的控制量U制成控制表，作為文件存儲在計算機中。當進行實時控制的時候，便于根據(jù)輸出的信息，從文件中查詢所需采取的控制策略。

4 仿真分析

用前述控制策略設(shè)計高壓氣模糊控制器，以某型潛艇為仿真對象［5］，式（1）為運動控制模型，應(yīng)急上浮到水上狀態(tài)為控制目標，對潛艇不同破損情況下高壓氣進行自動控制，假定艙室不進行供氣支頂，不進行升降舵控制。仿真結(jié)果如下所示：

1）潛艇初始深度50m，航速4kn，Ⅰ艙發(fā)生破損，破損面積0.05m2，在進水40t左右時堵漏成功。

2）深度50m，航速4kn，Ⅲ艙發(fā)生破損，破損面積0.06m2，在進水55t左右時堵漏成功。

3）深度100m，航速4kn，Ⅵ艙破損，破損面積0.04m2，在進水50t左右時堵漏成功。

圖2 Ⅰ艙破損應(yīng)急上浮高壓氣自動控制仿真曲線

圖3 Ⅲ艙破損應(yīng)急上浮高壓氣自動控制仿真曲線

圖4 Ⅵ艙破損應(yīng)急上浮高壓氣自動控制仿真曲線

圖2～圖4所示的仿真結(jié)果表明：利用該高壓氣模糊控制系統(tǒng)在處置艙室破損時，以上浮到水上狀態(tài)為控制目標的應(yīng)急操縱過程中，具有較好的控制效果，潛艇均能在采取措施后110s左右順利浮出海面。

5 結(jié)語

本文提出了一種基于模糊控制的潛艇高壓氣自動控制設(shè)計構(gòu)想，通過模糊控制器的設(shè)計與仿真表明，在潛艇損失浮力情況下，利用模糊控制器能夠較為精確的對潛艇高壓氣實時自動控制，從而使?jié)撏л^平穩(wěn)的浮出水面。從而驗證了該控制器的有效性，同時也說明了使用模糊控制方法實現(xiàn)潛艇高壓氣自動控制的可行性。

［1］施生達.潛艇操縱性［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1995.

［2］徐亦凡.潛艇操縱原理與方法［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2002.

［3］諸靜.模糊控制理論與系統(tǒng)原理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［4］徐亦凡，陳丘岳，胡坤.高壓氣吹除時機對潛艇動力抗沉影響的仿真研究［J］.艦船電子工程，2010，30（11）：114－116.

［5］胡坤，吳超.潛艇深度模糊控制及其仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學報，2004，16（10）：64－66.

［6］劉常波，王建，丁風雷.高壓氣在潛艇自浮操縱中的使用研究［J］.艦船電子工程，2010，30（10）：141－142.

［7］徐亦凡，陳丘岳，胡坤.潛艇逆速時的垂直面機動仿真分析［J］.艦船電子工程，2010，30（12）：110－112.

［8］高俊吉，黃昆侖，朱軍.潛艇定深運動的自適應(yīng)模糊控制研究［J］.海軍工程大學學報，2004，16（2）：83－88.

［9］劉常波，王建，丁風雷.潛艇舵卡時高壓氣的使用時機及仿真［J］.四川兵工學報，2010，31（12）：1－3.

［10］熊萍，何漢林，王天虹.混沌范德玻—杜芬系統(tǒng)的T－S模糊控制［J］.計算機與數(shù)字工程，2011（9）.

［11］葉劍平，戴余良，李亞楠.潛艇主壓載水艙高壓氣吹除系統(tǒng)數(shù)學模型［J］.艦船科學技術(shù)，2007，29（2）：112－115.