魚雷型無人水下航行器魯棒控制器設(shè)計

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魚雷型無人水下航行器魯棒控制器設(shè)計

廉成斌 ，唐獻(xiàn)平 ，荊雪燕 ，郝?lián)碥?br/>（中國艦船研究院，北京 100101）

針對魚雷型無人水下航行器航行過程中外界環(huán)境干擾復(fù)雜，航行體系統(tǒng)內(nèi)部干擾嚴(yán)重的特殊問題，并同時考慮系統(tǒng)參數(shù)劇烈變化造成的系統(tǒng)不確定性，設(shè)計縱向魯棒控制器。該控制器采用 PID 控制器作為標(biāo)稱控制器控制標(biāo)稱受控對象。利用非線性狀態(tài)觀測器估計受控系統(tǒng)中的不確定性和外界環(huán)境干擾，并通過補償控制律補償，使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)具有魯棒性。將此方法應(yīng)用于魚雷型無人水下航行器魯棒控制器的設(shè)計，可大大提高魚雷型無人水下航行器航行過程中對干擾的抑制和對不確定性的適應(yīng)能力，保證魚雷型無人水下航行器在整個航行過程中的姿態(tài)穩(wěn)定，以保證航行任務(wù)的完成。

魚雷型無人水下航行器；不確定性；魯棒控制器；非線性狀態(tài)觀測器

0　引 言

無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）自 20 世紀(jì)中期開始探索發(fā)展至今，其在海洋活動及軍事中的作用和價值越來越受到海洋國家的高度重視。其中，以魚雷型UUV為載體加裝模塊化的功能載荷，具備海洋環(huán)境調(diào)查、海戰(zhàn)場情報搜集等任務(wù)的信息型UUV受到海洋國家尤其是海洋軍事強國的重視［1-2］，其典型的航行體外型如圖1所示。

魚雷型信息 UUV 航行速度低，工作環(huán)境干擾多，流體動力學(xué)參數(shù)含有建模誤差。由于其搭載的眾多聲、光學(xué)成像載荷對載體穩(wěn)定姿態(tài)要求高，使得設(shè)計魚雷型 UUV的姿態(tài)控制系統(tǒng)成為一個難題。

本文針對魚雷型 UUV 航行過程中外界干擾強烈問題，并同時考慮系統(tǒng)中的不確定性，提出一種由標(biāo)稱控制器、擾動估計器和補償控制器構(gòu)成的魯棒控制器。在該魯棒控制器中，避免了復(fù)雜控制率轉(zhuǎn)換和大量的控制增益調(diào)節(jié)，就能保證控制系統(tǒng)具有好的魯棒性。基于設(shè)計的控制器構(gòu)型，標(biāo)稱控制器為 PID 控制器，擾動估計器為非線性狀態(tài)觀測器，其主要作用是對系統(tǒng)的不確定項和外界干擾組成的復(fù)合干擾項進(jìn)行觀測逼近。并合理設(shè)計補償控制器以解決流體動力學(xué)參數(shù)和外界擾動大范圍劇烈變化情況下的UUV 航行姿態(tài)魯棒控制問題。

圖1　魚雷型 UUV 外型圖Fig.1　TheeExternal configuration of torpedo type UUV

1　魚雷型 UUV 魯棒控制器

1.1魯棒控制器的原理

傳統(tǒng)的魯棒控制方法具有無法兼顧系統(tǒng)的性能和魯棒性的缺陷，經(jīng)過深入魚雷型 UUV 航行特點和控制需求，設(shè)計主魯棒控制器構(gòu)型。該控制器可分為 2 部分，一是以跟蹤誤差為輸入的主控制器，二是以觀測誤差為輸入的補償控制器。主控制器可用現(xiàn)有的控制理論設(shè)計，主要考慮系統(tǒng)的性能；補償控制器主要考慮如何容忍各種不確定性和外部干擾，這意味著在魯棒控制器構(gòu)型下，系統(tǒng)性能和魯棒性可以同時兼顧。

本文所設(shè)計的魯棒控制器構(gòu)型如圖2所示。

圖2　魯棒控制器構(gòu)型Fig.2　The configuration of robust controller

由圖2可見，該魯棒控制器由主控制器、擾動估計器和補償控制器3個子模塊構(gòu)成。其中，主控制器以跟蹤誤差為輸入，補償控制器以擾動估計為輸入，這里擾動包括系統(tǒng)不確定性、流體動力學(xué)參數(shù)偏離標(biāo)稱值的變化或 UUV 航行時外部環(huán)境的干擾。

當(dāng)受控系統(tǒng)未受到擾動時，僅主控制器起作用，擾動估計器輸出為 0 ；當(dāng)受控系統(tǒng)受到外界擾動或流體動力學(xué)參數(shù)偏離標(biāo)稱值時，擾動估計器對系統(tǒng)擾動進(jìn)行實時估計并輸出補償調(diào)整信號，驅(qū)動補償控制器工作來克服系統(tǒng)擾動對閉環(huán)控制系統(tǒng)性能、甚至閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。補償控制作用可在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時，使整個受控系統(tǒng)具有較強的魯棒性［3］。

1.2魚雷型 UUV 縱向魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計

主控制器可采用現(xiàn)有成熟的控制方法來設(shè)計，本文采用 PID 控制器。通過選取航路上的平衡點，利用小擾動線性化方法得到魚雷型 UUV 縱向線性化模型如下：

式中：

本文研究的魚雷型 UUV，口徑 210mm，長度 2.85m，重量 175kg，表面積為 2.114m2，設(shè)計航速為 2kn，航深 50m。利用 CFD 計算其流體動力學(xué)參數(shù)并以此得到縱向傳遞函數(shù)如下：

針對 UUV 航行特點，選取 PID 控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　縱向PID控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3　The longitudinal PID controller

對于補償控制器的設(shè)計，主要研究基于 NESO的擾動估計器設(shè)計和補償控制器設(shè)計。

1.3基于 NESO的擾動估計器

擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（Extended state observer，ESO）能夠同時實現(xiàn)狀態(tài)和干擾估計的一種應(yīng)用廣泛的觀測器，其以輸出誤差為輸入，即可以對受控對象的狀態(tài)量進(jìn)行估計，還可對受控系統(tǒng)的不確定性模型和外界環(huán)境擾動總和進(jìn)行實時估計。按照其估計原理可以分為線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（Linear extended state observer，LESO）和非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（Nonlinear extended state observer，NESO）2 種［4］。

為了設(shè)計擾動估計器，針對于魚雷型 UUV 縱向動力學(xué)模型，設(shè)計如下 NESO［5-6］：

其中，

由上式可看出，擴(kuò)張狀態(tài) z3可以逼近魚雷型 UUV縱向模型中的干擾項△。

圖4　基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的擾動估計Fig.4　The disturbance estimation based on extended state observer

1.4基于 NESO的補償控制器設(shè)計

根據(jù)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的原理，下面以單變量系統(tǒng)為例說明其補償控制器的設(shè)計方法和穩(wěn)定性分析，擴(kuò)張狀態(tài)補償控制律為［8］：

加入補償控制律后的系統(tǒng)和二階擴(kuò)張狀態(tài)觀測器一起構(gòu)成的整個閉環(huán)系統(tǒng)為：

其中，

式中v（t）為假設(shè)的擴(kuò)張狀態(tài)的導(dǎo)數(shù)。

在本文設(shè)計的魯棒控制構(gòu)型下，當(dāng)受控系統(tǒng)未受到外界環(huán)境干擾或者流體動力參數(shù)沒有出現(xiàn)偏差的情況下，利用主控制器控制控制魚雷型 UUV 是閉環(huán)穩(wěn)定的且滿足工程設(shè)計要求。若受控系統(tǒng)受到外界干擾或流體動力參數(shù)出現(xiàn)偏差，則 NESO 可對其進(jìn)行估計，并通過補償控制器輸出的補償控制信號進(jìn)行補償，即可保證在主控制器和補償控制器共同作用下的系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定，且具有較好的性能。

圖5　基于 NESO的魯棒控制系統(tǒng)Fig.5　robust control system based on NESO

2　仿真驗證

將所設(shè)計的魯棒控制器應(yīng)用于魚雷型 UUV的縱向姿態(tài)控制問題。由于魚雷型 UUV流體動力學(xué)參數(shù)存在很大的不確定性。另外，由于利用 CFD 計算得到的流體動力學(xué)參數(shù)與真實流體動力學(xué)參數(shù)之間存在一定的偏差，流體動力學(xué)參數(shù)偏差會導(dǎo)致 UUV 動態(tài)特性的變化，所有這些不確定性和偏差可以歸結(jié)為系統(tǒng)方程中的干擾項。為驗證本文所設(shè)計的魯棒控制器的控制特性。

首先，選取彈道上某特征點，針對小擾動線性化模型進(jìn)行仿真，考察在控制器作用下實際攻角對指令攻角的跟蹤效果。

1）特征點選取為航行深度 100m，航行速度 8kn。

2）根據(jù) PID 控制器參數(shù)理論設(shè)計控制器參數(shù)，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后，確立PID控制器參數(shù)為：內(nèi)環(huán)反饋控制增益K=30。

3）根據(jù) NESO 理論給出的經(jīng)驗參數(shù)和實際仿真效果，確立NESO參數(shù)為

考慮到魚雷型 UUV 在執(zhí)行偵察任務(wù)時航行深度變化寬廣，該區(qū)域流體參數(shù)存在很大的不確定性，基于目前的測試手段，很難得到精確值。另外，由于理論計算得到的流體動力參數(shù)與真實參數(shù)之間存在一定的偏差，而這些偏差會導(dǎo)致航行體動態(tài)特性的變化，因此引入 75％的俯仰力矩系數(shù)偏差作為干擾輸入，分別以 PID和 PID+NESO 兩種控制結(jié)構(gòu)跟蹤指令攻角，具體仿真結(jié)果如下圖6～圖9所示。

圖6　無干擾模型的PID 控制跟蹤效果Fig.6　PID control tracking effect without interference

圖7　縱向力矩參數(shù)正向拉偏+外界干擾的PID 控制跟蹤效果Fig.7　PID control tracking effect of the longitudinal moment parameters of the positive bias+external disturbance

圖8　縱向力矩參數(shù)正向拉偏+外界干擾的PID+NESO 控制跟蹤效果Fig.8　PID +NESO control tracking effect of the longitudinal moment parameters of the positive bias+external disturbance

圖9　縱向力矩參數(shù)負(fù)向拉偏+外界干擾的PID 控制跟蹤效果Fig.9　PID control tracking effect of the longitudinal moment parameters of the negative bias+external disturbance

圖10　縱向力矩參數(shù)正向拉偏加外界干擾的PID+NESO 控制跟蹤效果Fig.10　PID +NESO control tracking effect of the longitudinal moment parameters of the negative bias+external disturbance

由圖3～圖5可見，如果僅采用 PID 控制器，由于俯仰力矩系數(shù)偏差和外加干擾的影響，在整個仿真航行過程中，實際攻角對指令攻角的跟蹤效果有一定誤差；而采用 PID+NESO 控制器仍然具有較好的跟蹤效果。這說明 PID+NESO 控制器克服了參數(shù)偏差所帶來的影響，具有較強的魯棒性。

3　結(jié) 語

本文通過分析魚雷型 UUV 進(jìn)行偵察任務(wù)時的航行特點，對航行控制的特點及不確定性進(jìn)行簡化處理。設(shè)計魯棒控制器構(gòu)型。在此構(gòu)型的基礎(chǔ)上，設(shè)計以跟蹤誤差為輸入的控制器，以及以觀測誤差為輸入的補償控制器，對控制量進(jìn)行計算和補償。

根據(jù)魚雷型 UUV 航行所需控制器的特點，采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器來估計流體動力學(xué)參數(shù)變化及外部干擾所形成的不確定性。在應(yīng)用擴(kuò)張觀測器的基礎(chǔ)上，設(shè)計補償控制器，對系統(tǒng)及外界環(huán)境產(chǎn)生的不確定性進(jìn)行補償。將補償控制器與設(shè)計的控制系統(tǒng)的主控制器按照控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行結(jié)合，共同構(gòu)成了魚雷型UUV的魯棒控制器。

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Design method of robustness controller for torpedo type unmanned underwater vehicle

LIAN Cheng-bin，TANG Xian-ping，JING Xue-yan，HAO Yong-jun
（China Ship Research and Development Academy，Beijing 100101，China）

For special problems of torpedo type unmanned underwater vehicle including complex external environmental disturbance and serious internal system interference，taking the system parameters and system uncertainty caused dramatic changes into account，this paper proposes a robustness controller.This new controller，which is divided into nominal controller and compensate controller，uses PID controller as the nominal controller，and nonlinear state observer to estimate uncertain interference in system.The robust compensation control law is designed to strengthen the entire closedloop control system robustness.Through designing robustness attitude controller of torpedo type unmanned underwater vehicle based on this method，the capacity resist interference and uncertainty during torpedo type unmanned underwater vehicle can be promoted，which ensures steady flight of hypersonic vehicle throughout the entire flight.

torpedo type unmanned underwater vehicle；uncertainty；robust controller；nonlinear state observer

TJ63

A

1672-7619（2016）07-0077-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.017

2016-04-08；

2016-05-09

廉成斌（1982-），男，博士，工程師，主要從事魚雷及無人水下航行器控制技術(shù)研究及工程管理。