基于t-s模糊時滯模型的欠驅(qū)動uuv垂直面控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水下運動體的控制方法。具體涉及一種欠驅(qū)動無人水下航行器 (UUV)在通信時滯狀態(tài)下垂直面的運動控制方法。
【背景技術】
[0002] 無人水下航行器(UUV)是高技術的集成體，其運動控制問題是UUV諸多關鍵技術中 迫切需要究、解決的關鍵技術之一。同時UUV的運動控制是完成UUV使命的重要技術保障，也 是一直是困擾AUV技術工作者的一個十分復雜的問題。UUV運動控制系統(tǒng)的信息量交換大、 實時性要求高。UUV垂直面的控制是UUV運動控制系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)。然而網(wǎng)絡通信時滯 造成信息的不確定使得UUV垂直面控制的難度加大。因此如何抑制在UUV垂直面控制中時滯 現(xiàn)象給系統(tǒng)性能造成的影響已成為亟待解決的基本問題。
[0003] Τ-s模糊模型將線性系統(tǒng)理論與模糊理論相結合來解決非線性系統(tǒng)控制問題，將 整個非線性系統(tǒng)的控制看作是多個局部線性系統(tǒng)控制的模糊逼近。這不僅開創(chuàng)了模糊模型 辯識的新方法，同時也為模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和設計提供了模型基礎。
[0004] 文獻《模型不確定時滯欠驅(qū)動AUV的模糊變結構控制》(哈爾濱工業(yè)大學學報，2010 年3月，第42卷第3期)和文獻《時滯時變AUV的模糊變結構控制》(系統(tǒng)工程與電子技術，2009 年8月，第31卷第8期)均設計的一個模糊變結構控制器，該控制器以變結構控制的切換函數(shù) 及其變化率為模糊控制器的輸入，以變結構控制律的變化率為模糊控制器的輸出，為了得 到更好的性能，引入了壓縮擴張隸屬度函數(shù)。同時前者設計一定的模糊規(guī)則自適應地調(diào)整 模糊控制器中的比例因子和量化因子。數(shù)值仿真表明，各自控制器都能很好地實現(xiàn)對具有 控制輸入時滯以及各自附加現(xiàn)象AUV的深度控制。然而兩篇文獻都沒有建立具體的UUV垂直 面的時滯模型，而是通過控制器的魯棒性來解決控制輸入時滯問題。
[0005] 文獻《含狀態(tài)時滯的受擾水下航行器的滑模與最優(yōu)跟蹤控制》（中國優(yōu)秀碩士學位 論文全文數(shù)據(jù)庫，2013)研究了一類受到持續(xù)擾動的含有狀態(tài)時滯的水下航行器的滑模控 制與最優(yōu)跟蹤控制，該文獻建立了AUV的時滯模型，設計了滑?？刂破鹘鉀QAUV水平面在含 有狀態(tài)時滯情況下的位置跟蹤問題。該文獻研究的是航行器的水平面運動控制。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明是為了實現(xiàn)在通信時滯情況下，控制欠驅(qū)動無人水下航行器平穩(wěn)達到指定 深度，從而提供一種基于Τ-S模糊時滯模型的欠驅(qū)動UUV垂直面控制方法。
[0007] 基于Τ-S模糊時滯模型的欠驅(qū)動UUV垂直面控制方法，它由以下步驟實現(xiàn)：
[0008] 步驟一、初始化UUV，獲取初始狀態(tài)信息當前深度、俯仰角和下潛速度；
[0009] 步驟二、運動控制計算機接收深度指令，結合傳感器反饋的初始狀態(tài)信息輸入T-S 模糊時滯數(shù)學模型求解出控制器狀態(tài)反饋系數(shù)；
[0010] 步驟三、控制器通過解算當前傳感器反饋的實時狀態(tài)信息，輸出舵角控制指令；
[0011] 步驟四、舵機執(zhí)行控制指令，完成UUV深度控制，并判斷是否達到指定深度，如果判 斷結果為是，則結束本次下潛任務;如果判斷結果為否，則返回執(zhí)行步驟三；
[0012] 實現(xiàn)欠驅(qū)動UUV垂直面在時滯狀態(tài)下的閉環(huán)運動控制。
[0013] 步驟二中所述的T-S模糊時滯數(shù)學模型采用UUV垂直面模糊時滯數(shù)學模型實現(xiàn)，所 述UUV垂直面模糊時滯數(shù)學模型具體為：
[0014] 步驟A1、建立UUV垂直面數(shù)學模型：
[0015]假設UUV的軸向速度為恒定值，所有橫向參數(shù)都為零，且系統(tǒng)有且只有一個控制輸 入，即：水平舵舵角心；
[0016]則其運動學和動力學方程表示為：
[0021] 式中:m為UUV的質(zhì)量，q為縱傾角速度j為縱傾角的加速度，Θ為縱傾角，w為基于艇 體坐標系的下潛速度，#為基于艇體坐標系的下潛加速度，I yy為關于縱傾角的轉動慣量，u 為UUV的巡航速度，z為UUV的深度，f為基于固定坐標系下潛速度，W和Bo分別為的重力和浮 力，、Zuq、Zuw、Zw | w |、Zq | q |、Zuu、、Muq、Muw、Mw | w |、Mq | q |、Muu為的水動力參數(shù)；（XG， yc，zc)和(χβ，υβ，ζβ)分別為UUV的重心和浮力中心。
[0022] 忽略二階系數(shù)且令(XG，yG，ZG) = (XB，yB，ZB)=O，x=(wq0z)T，u(t) = 5s(tWlJS (1)線性化的方程組為：
[0028] 步驟A2、建立UUV垂直面模糊時滯數(shù)學模型：
[0029]根據(jù)（1)中的UUV垂直面的數(shù)學模型，結合信息從傳感器到控制器的時滯為tsc，控 制器到執(zhí)行機構時滯為
[0030] 令τ = 建立UUV垂直面時滯模型為：
[0032] 式中：Z =辦Π ，：?二(1 -約妒U，β為UUV垂直面通信時滯系數(shù)；
[0033] 令心=X (t-τ)有以下T-S模糊規(guī)則：
[0038]則有UUV垂直面T-S模糊時滯模型的狀態(tài)方程：
[0040]其中:MU(t))為模糊規(guī)則間的隸屬函數(shù)且
[0041]本發(fā)明涉及的一種基于T-S模糊時滯模型的欠驅(qū)動UUV垂直面控制方法的工作原 理:運動控制計算機在接收到深度指令后，將UUV的俯仰角、航速初始狀態(tài)輸入T-S模糊時滯 模型計算出狀態(tài)反饋系數(shù)輸入控制器，控制器系統(tǒng)通過接收當前時刻t和滯后T S。時刻（t-ts。時刻)反饋的狀態(tài)信息計算出相應的舵角，下達舵角指令控制執(zhí)行機構，執(zhí)行機構執(zhí)行滯 后時刻(t_^ a時刻)形成閉環(huán)系統(tǒng)控制UUV達到指定深度。
[0042]本發(fā)明的優(yōu)點在于通過建立欠驅(qū)動UUV垂直面T-S模糊時滯模型設計控制器，解決 UUV垂直面在通信時滯狀態(tài)下的深度控制。
【附圖說明】
[0043] 圖1欠驅(qū)動UUV網(wǎng)絡硬件結構圖；
[0044] 圖2欠驅(qū)動UUV的控制方法示意圖；
[0045]圖3 UUV垂直面控制系統(tǒng)工作流程圖；
【具體實施方式】
[0046]【具體實施方式】一、結合圖3, 一種基于T-S模糊時滯模型的欠驅(qū)動UUV垂直面控制具 體實施步驟可描述為：
[0047] 1、初始化UUV，獲取初始狀態(tài)信息當前深度、俯仰角；
[0048]