PID控制在潛艇垂直運動中的應用

楊智玲 廈門海洋職業技術學院

1 引言

我國是一個海洋大國，從古至今，人們從未停止過探索海洋的腳步。習近平總書記在十八大上提出了“海洋強國”戰略，為了維護領海的完整與安全，建設強大的現代化海軍已成為當代中國國防迫切需要實現的目標。潛艇作為能夠在水下運行的大型機械，因其種類多樣，形狀各異，能長時間作業等特點引起了世界各國專家學者們的熱切關注。自二十世紀以來，許多軍事大國在建設海軍的時候都不約而同把潛艇作為重要的建設對象。潛艇的應用非常廣泛，在軍事上可以作為攻擊主力，既可充當防御也可以突破敵方封鎖。潛艇也被用于非軍事用途上，如在海洋科研、考古探險、勘探開采、搜索援救、觀光旅游等活動中都可以看到潛艇的身影。

對潛艇進行動力學建模是設計控制策略的基礎。潛艇通常是做六自由度的空間運動，由于其結構復雜和容易受到海浪和洋流等各種外界因素的影響，獲得的動力學方程往往不夠精確，且非線性嚴重、耦合程度高，研究難度大。因此在現實處理中，一般需要把潛艇水下操縱運動分為水平面運動和垂直面運動來進行控制系統設計，這種方法稱為分平面設計。此外，由于潛艇動力學模型的運動方程非線性程度高，在對潛艇操縱運動進行研究時可以對潛艇的實際模型進行線性化處理。PID控制算法是最早發展起來的經典控制算法。該算法于20世紀30、40年代提出，由于簡單易懂，在實際工程控制中得到廣泛應用。采用PID算法的控制過程中，可以通過調節三個控制參數來實現控制目標。對于典型的“一階/二階滯后+純滯后”的控制系統來說，PID控制算法是最優的控制算法之一。PID控制算法的主要優勢在于參數整定簡便靈活，三個控制參數可以根據控制需要隨意組合。本文采用比例微分（PD）調節控制算法設計控制器對潛艇垂直運動的線性模型進行控制，并進行仿真驗證。

2 潛艇模型

本文采用以下潛艇線性模型：

3 PID控制器設計

3.1 控制目標及要求

3.2 控制器設計

在整個潛伏過程中，艉舵、圍殼舵同時控制縱傾角：

最終，通過對縱傾角的控制實現深度的控制。

4 系統仿真及性能仿真

圖1 PID仿真結構圖

圖2 曲線（X軸為T/S，Y軸為 /°）

圖3 h曲線（X軸為T/s，Y軸為 /m）

圖4 曲線（X軸為T/S，Y軸為/°）

圖5 曲線（X軸為T/S，Y軸為/°）

圖1是利用MATLAB平臺進行仿真驗證的結構圖。從圖2縱傾角曲線可以看出，在到達轉換深度之前，縱傾角能夠穩定在，到達轉換深度之后，最終能夠回到。從圖3深度時間響應曲線可以看出，經過140s，深度進入誤差允許范圍。從圖4艉舵舵角和圖5圍殼舵舵角的時間響應曲線可以看出，艉舵在整個控制過程中只需打兩次舵，頻率很低；圍殼舵也只有在0s到40s，和112s到150s之間舵角變化打舵稍顯頻繁。

5 結論

本文采用PD控制算法研究了潛艇垂直面運動，從仿真結果可以看出，縱傾角控制效果較好，但深度控制雖然達到了控制目標卻不夠理想。首先，這是由于本研究只采用比例微分PD控制，而沒有引入積分項I，對縱傾角無法實現無差控制，下潛深度不能一直保持在理想深度上，造成最終深度會有緩慢的變化。其次，研究過程中發現，在控制潛艇垂直面運動時，如果控制器設計中加入深度誤差信號，單純對比例微分PD參數進行調試是達不到理想的控制效果。若按照常用的垂直面運動PD控制方法：相比較用圍殼舵控制下潛深度和艉舵控制縱傾角，雖然采用圍殼舵控制縱傾角效果會更好，但是由于無法通過引入深度誤差信號直接控制深度，因此深度的控制效果還是不夠好。接下來將會重點研究在圍殼舵和艉舵共同作用下，縱傾角和下潛深度都能達到理想的控制效果。