灵巧航行体半实物仿真系统设计方法与应用

以新型灵巧航行体研发为背景,针对其近水面运动易受波浪力干扰、舵面受力复杂等问题,通过建模与仿真解耦设计、环境条件自动切换等方法设计了模拟灵巧航行体水中工作环境的半实物仿真系统,并在此基础上进行了实时仿真计算能力试验、灵巧航行体半实物仿真试验研究和波浪干扰试验研究. 结果表明,应用所建立的设计方法构建的半实物仿真系统解决了灵巧航行体近水面运动姿态控制系统半实物仿真的需求,可为灵巧航行体的姿态控制系统设计和实航试验提供重要参考依据.      

基于自适应滑模的超空泡航行体控制

给出了超空泡航行体的纵向运动模型,利用前馈控制将航行体模型化为线性模型.考虑航行体质量的变化和水动力系数等不确定性因素,以及超空泡形变带来的干扰问题,利用滑模控制理论设计鲁棒控制器.由于系统的不确性上界不易获得,因此采用范数自适应律估计扰动的上界.最后利用李亚普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性.仿真研究验证了所设计的控制器具有良好的深度调节性能及较强的鲁棒性.     

近水面作业的机器人综合减摇研究

近水面作业的机器人会受到波浪干扰力的影响,很难保持稳定的姿态。根据机器人近水面作业时所受到的波浪干扰力的计算方法和机器人六自由度模型的状态空间表达式,计算出适用于变结构控制器的状态空间方程。在此基础上进行了积分变结构控制器的设计过程,然后借助Matlab软件,对机器人的横摇、纵摇运动中带有PID控制器和带有变结构控制器两种情况分别进行仿真,经过对比分析,变结构控制器较好的控制了机器人的姿态。     

超空泡航行体最优控制建模与仿真

基于空泡独立膨胀原理分析了超空泡航行体在小机动条件下空泡轴线的偏移,详细计算了航行体各部分流体动力,建立了超空泡航行体纵向运动非线性动力学模型.针对该模型存在严重的动态耦合与操纵耦合,利用精确线性化方法进行了解耦处理,进而设计了最优控制器,实现了对航行深度的渐进跟踪控制.仿真结果表明:该控制系统能够有效地跟踪深度信号,具有良好的控制品质;航行体能稳定在空泡内而不与空泡壁面接触.      

潜体近水面垂直面稳定性

基于潜体近水面航行时,作用在潜体上的力以及稳定性等运动性能与大潜深时不同,导出了判断潜体近水面航行时垂直面动稳定性的四阶特征方程,并对四阶特征方程与大潜深状态下用于稳定性分析的三阶特征方程进行了计算.结果表明,潜体近水面航行时稳定性会变坏甚至变得不稳定,用三阶特征方程进行潜体近水面动稳定性分析是欠妥的.对两种初始平衡状态(无纵倾和有纵倾)下的动稳定性进行了计算和比较.对控制稳定性进行了讨论,发现纵倾角控制是使潜体近水面稳定的一种简单而有效的方法.     

欠驱动水面船舶的轨迹跟踪模型预测控制器

针对在风、浪、流时变干扰下欠驱动水面船舶的轨迹跟踪控制问题,设计了一种基于模型预测控制的轨迹跟踪控制器.考虑到欠驱动船舶在没有横向驱动力情况下控制船舶纵向、横向和艏摇角3个自由度的运动,建立了仅有2个控制输入量且存在风、浪、流干扰下的非线性状态空间模型,在对模型近似线性化后应用线性模型预测控制方法设计出了一种考虑控制量极限约束、控制增量约束以及输出量约束的轨迹跟踪控制器.最后,在仿真环境下测试了系统对圆形轨迹的跟踪性能,并对约束进行了误差分析.结果表明,所设计的控制器能较好地满足跟踪性能,并能抵抗一定程度的环境干扰.     

基于时滞特性的超空泡航行体预测控制

针对航行体在运动条件下存在的时滞问题,提出了一种状态空间预测控制方法.首先,考虑航行体动力学模型的时滞特性,将模型中非线性滑行力分解为时滞与非时滞两部分,通过相应变换推导出航行体的线性变参数(LPV)时滞模型.然后,针对航行体的参数摄动,利用多胞形理论得到LPV系统的等价模型,减小在线实时计算量.最后,将实时可测参数信息与预测模型相结合设计状态空间模型预测控制器,研究系统的动态性能.仿真结果表明,该控制器对具有时滞特性的超空泡航行体有良好的控制效果及抗扰动能力.     

灵巧型航行器垂直撞击舰船全弹道研究

提出了一种水中灵巧型航行器垂直撞击舰船目标侧面的弹道形式,即将全弹道按时间顺序划分为方案爬升段、近水面主动搜索段、相对舰船平行运动段、方案转弯垂直撞击段4个阶段,并对各段弹道的实现方法和衔接条件进行了研究. 在建立航行器运动学、动力学模型及制导控制模型的基础上,应用Matlab/Simulink软件搭建了数学仿真系统对航行器的整个运动过程进行了闭环仿真研究. 仿真结果表明,所提出的水中灵巧型航行器全弹道形式及弹道实现方法能够满足垂直撞击水面舰船侧面的需要.     

基于改进遗传算法的自抗扰控制器优化设计

针对超空泡航行体受力特征及其航行时具有非线性、时滞与耦合等复杂问题,提出可根据适应度对控制参数进行自适应动态调整的改进遗传算法。通过建立超空泡航行体纵向模型,设计专用自抗扰控制器对其进行控制,并针对控制器参数多、调节困难的问题,改进了自适应遗传算法对其精确优化。最后通过特性仿真,验证了基于改进的自适应算法的自抗扰控制器相比经典自抗扰控制器的优势。仿真结果表明,该自抗扰控制器符合实际需求,具有良好的控制效果。     

水面机器人横摇模型及减摇控制

为解决水面机器人近水面低航速时的横摇控制问题,基于零航速减摇鳍工作原理和模糊控制理论,建立水平面运动模型解耦后的等价横摇模型并对其进行降阶处理,采用模糊PID控制策略,该方法对多变海情具有较强鲁棒性.仿真结果表明,模糊PID控制对水面机器人的横摇具有明显的控制效果,模型的解耦方法便于水面机器人横摇控制器设计.     

超空泡航行体LPV鲁棒变增益控制

针对超空泡航行体动力学模型存在强非线性及耦合等特点,提出一种基于松弛变量的线性参数变化(LPV)系统鲁棒变增益控制器设计方法.通过对系统中非线性滑行力进行分析变换,将非线性系统转换为含有变参数的线性参变系统,由调度策略得到其多胞形描述形式.为降低系统保守性,在多胞形各顶点设计控制器时引入松弛变量,实现系统矩阵与李雅普诺夫函数解耦,将各顶点控制器进行插值综合后得到依赖参数调节的系统全局控制器.仿真结果表明:所设计的控制器能够使系统快速准确地跟踪给定指令,同时对外界干扰具有一定的鲁棒性.     

欠驱动水下航行器编队协同控制

针对复杂海况中欠驱动无人水下航行器（UUV）的水平面上编队问题,结合路径跟踪控制和一致性算法构建编队运动控制策略.将编队任务分为两步:1）对于每个UUV个体设计路径跟踪控制器,完成对各自期望路径的跟踪;2）对于多个UUV之间设计一致性协同算法,完成UUV编队的协同运动;编队控制器设计考虑了外界海流干扰及UUV模型参数不确定性等因素.针对海流干扰设计干扰观测器,利用自适应技术对参数不确定性进行在线估计,最后通过仿真验证了所设计编队控制策略的有效性.     

网络环境下基于观测器的无人水面艇航向控制研究

控制中心-执行器网络通道中存在的网络诱导时延、数据丢包等网络诱导特性以及外部环境干扰均会对无人艇的水面航行产生影响,进而使系统性能显著降低,航向控制系统稳定性受到影响,提出一种基于观测器的无人艇航向控制准则,以使无人艇在既定航向上快速、稳定地航行。在建立基于网络的无人艇航向控制系统模型的基础上,采用Lyapunov稳定性原理和凸分析方法,对能使网络环境下基于观测器的无人水面艇航向控制系统渐进稳定的控制准则进行推导,设计出基于网络的航向控制器和观测器。仿真实验表明了所提出方法以及设计的控制器、观测器具有较好的性能。     

船舶拖缆作业时的循线航行和定点定位控制

针对拖缆作业船舶在进行循线航行和定点定位时受到的海洋环境力和拖缆拉力,建立了船舶、拖缆和拖体三者之间耦合的运动数学模型.因其控制系统具有较强的非线性,单独使用模糊控制效果不够理想,所以设计了Fuzzy-PID(Proportion Integration Differentiation)合成控制器.该控制器包含3个模块:大误差切换至Fuzzy控制模块;小误差切换至Fuzzy-I控制模块;微误差切换至Fuzzy-PID控制模块.仿真给出了船舶在扰动情况下循线拖曳时的拖体轨迹,并通过定点定位控制验证了该控制器具有更强的抗干扰性和鲁棒性,能够实现较高精度的定位控制.     

点头鸭式波浪能采集装置的数值模拟

为优化波浪能采集装置,以FLUENT软件为平台,建立了“点头鸭”和波浪水槽模型,对“点头鸭”在稳态均匀流和非稳态规则波作用下的水动力学特性进行了数值仿真。水槽中的规则波采用推板造波的方式生成,自由水面的追踪采用VOF方法确定。模拟得到了两种水流环境中“点头鸭”在受来流冲击时,鸭体所在区域的压力分布、速度分布以及鸭体所受波浪力的变化规律。结果表明,在均匀来流环境下,来流速度越大,鸭体所受波浪力越大,且随攻角增大而增大的趋势越发明显;在规则波环境下,鸭体所受波浪力近似呈周期性变化,其大小与攻角角度有明显关系,但并非呈单调变化。在所研究的工况中,攻角为60°时,鸭体所受的波浪力最大,此时“点头鸭”装置具有最大的可发电机械能。     

小型航行体鲁棒动态逆姿态控制

针对小型航行体在复杂水流环境下航行时姿态模型具有强耦合、高度非线性和不确定性等特点,在不忽略各通道间耦合作用的条件下,提出了小型航行体鲁棒动态逆姿态控制方法.采用动态逆控制方法对航行体姿态模型进行解耦和线性化,进而由滑模变结构控制方法解决了控制系统对参数摄动和系统建模的不确定性敏感的问题,并应用李亚普诺夫理论证明了控制系统的稳定性.仿真结果表明,本文设计的鲁棒动态逆姿态控制方法不仅能够满足小型航行体的技术性能要求,且具有较强的适应性和鲁棒性.      

基于干扰观测器的小型无人直升机H_∞飞行控制

为了提高小型无人直升机飞行鲁棒控制性能,提出了一种基于干扰观测器的H_∞控制方法.将小型无人直升机系统分为纵向和横向通道且考虑输入干扰和外部噪声,并设计干扰观测器对外部系统产生的未知时变输入干扰进行逼近.在此基础上,利用干扰观测器的逼近输出,设计了小型无人直升机的H_∞控制器.仿真结果表明,本文方法具有良好的鲁棒控制性能.     

基于海流观测的欠驱动AUV自适应反演滑模轨迹跟踪

欠驱动自主水下航行器AUV在定深的海域中航行,其模型水动力参数存在不确定性,同时还遭受海流等外来因素干扰,对欠驱动AUV的轨迹跟踪精确带来极大的挑战.本文研究海流环境中欠驱动AUV水平方向上的轨迹跟踪控制问题,通过定义固定坐标系和随体坐标系间的转化关系,将海流速度引入欠驱动AUV运动学和动力学方程,建立海流环境中欠驱动AUV的运动学模型和动力学模型;结合期望轨迹得到欠驱动AUV的轨迹跟踪误差方程.在控制器的设计过程中引入自适应率,得到AUV水平面轨迹跟踪的自适应反演滑模轨迹跟踪控制器(ABSMC),同时为降低海流因素对AUV航行轨迹带来的偏差,设计海流观测器对环境中海流速度进行估计.仿真结果表明,该控制器可实现对由水动力参数不确定和外界时变干扰共同组成的系统总不确定性的估计,并弥补传统反演滑模控制理论中需要精确的模型参数和扰动信息的不足,且海流观测器可提升AUV轨迹跟踪的精度.在理论上证明了由海流观测器和轨迹跟踪控制器共同组成的AUV级联控制系统为全局渐进稳定;仿真对比结果显示所提出的基于海流观测的自适应反演滑模控制器能够克服欠驱动AUV模型中水动力参数不确定性、海流干扰及其他未知干扰的影响,跟踪性能优于基于海流观测的反演轨迹跟踪控制器(BTC).     

基于滑模控制的ROV深度方向轨迹跟踪研究

未知海流等外界干扰,系统的不确定性信息对小型ROV深度控制造成不利影响。针对该问题,本文首先建立小型ROV深度方向运动数学模型,在理想和有干扰的情况下设计相应地滑模变结构控制器来实现水下机器人的位置轨迹的跟踪,利用李雅普洛夫定理在理论上证明了所设计的控制器是稳定的。仿真结果验证了跟踪控制系统的全局渐进稳定性,及对有界外部扰动的鲁棒性。     

水翼船纵向运动姿态的自适应滑模控制器设计

以水翼船的纵向姿态稳定为目标,为了解决水翼船在实际航行中存在干扰和不确定性因素的问题,设计了基于反步法的自适应滑模控制器,对水翼船的纵向运动姿态(升沉位移和纵摇角)进行控制,利用Matlab进行了仿真实验,结果表明:基于反步法的自适应滑模控制器能够有效抵消干扰的影响,在给定期望姿态条件下,升沉位移和纵摇角能够在规定时间内稳定在一定误差范围内,水翼船的升沉位移和纵摇角在加入控制器后得到了明显改善,与未加入控制器相比,最大值分别下降了76%和90%。