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&&8:00-11:30,13:00-17:00(工作日)欠驱动自主水下航行器的非线性鲁棒控制策略研究--《哈尔滨工业大学》2010年博士论文
欠驱动自主水下航行器的非线性鲁棒控制策略研究
【摘要】：
自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)在军用和民用领域有着广泛的应用前景,是当前国内外研究的一个热点。随着AUV应用范围的增加,对其自主性的要求也随之增加,而增加AUV自主性的关键之一就是提高其控制系统的性能。然而出于节约成本和减轻重量的考虑,很多AUV仅具有较其运动自由度更少的控制装置,是欠驱动系统,欠驱动AUV控制问题是目前国内外研究的一个难点。AUV的动力学是强非线性的,难以获得其足够精确的水动力系数,易受到海流等海洋环境的干扰,这些不确定性要求控制器有很强的鲁棒性,这使得一般的控制器很难胜任AUV的控制任务。因此对具有模型不确定性欠驱动AUV的非线性鲁棒控制研究是非常重要的。
本文对具有模型不确定性欠驱动AUV的定深、水平面轨迹跟踪和位置跟踪的非线性鲁棒控制策略作了深入系统的研究。
建立了欠驱动AUV控制模型。给出了AUV六自由度运动学和动力学方程,根据AUV平移速度对地可测或仅对周围水可测、粘性阻尼系数的标称值是否已知这四种情况,建立了四个考虑参数不确定性和外界干扰的欠驱动AUV水平面运动模型。利用小扰动方法建立了垂直面运动模型。介绍了一些相关的控制理论和方法,并给出了一些相关的基本概念和定理。
针对具有模型不确定性欠驱动AUV的定深控制问题,设计了一种模糊滑模控制器。为了获得更好的控制性能,模糊控制输入采用了压缩宽度隶属度函数,模糊控制输出采用了扩张宽度隶属度函数。为了更好地削弱抖振现象,在该模糊滑模控制器的基础上,设计了两种控制策略对该模糊滑模控制器进行性能优化,一是设计一定的模糊规则自适应地调整模糊控制器的比例因子,二是基于遗传算法对该模糊滑模控制器的参数进行了性能优化。为了验证所设计的控制器和控制策略的有效性和鲁棒性,对具有控制输入时滞、较大参数不确定性和未建模动态的欠驱动AUV系统进行了相应的数值仿真。
针对具有参数不确定性和外界干扰的欠驱动AUV的水平面轨迹跟踪问题,根据不同情况,提出了三种控制策略:一是对于小曲率轨迹跟踪问题,根据横向速度远小于纵向速度这一动力学特征,使用Backstepping方法提出了一种控制策略,其中设计了一种自适应控制律来补偿完全未知的粘性阻尼系数,使用滑模控制和模糊滑模控制方法来补偿别的参数不确定性和外界干扰,并基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环控制系统的稳定性;二是假设期望偏航角速度满足持续激励条件,基于级联方法提出了一种解耦控制策略,首先建立跟踪误差系统并将其解耦成两个独立的子系统,使用反馈线性化方法和滑模变结构控制方法各设计了一种控制律分别稳定两个子系统,最后根据级联系统的稳定性理论证明了闭环控制系统是全局K指数稳定的;三是对于一般情况下的欠驱动AUV轨迹跟踪问题,使用Backstepping方法设计了一种鲁棒轨迹跟踪控制器,其中使用传统滑模和准滑模控制方法补偿参数不确定性和外界干扰,推导出了滑模控制增益与参数不确定性、外界干扰和系统状态的关系,分析了正负质量和附加质量不确定性对控制系统性能和控制成本的不同影响,基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环控制系统的稳定性。为了验证这三种控制策略的有效性和鲁棒性,分别对具有参数不确定性和外界干扰的欠驱动AUV模型进行了相应的数值仿真。
针对具有参数不确定性和外界干扰的欠驱动AUV水平面位置跟踪问题,使用Backstepping和级联方法,为前面所建立的四个水平面运动模型各提出了一种控制策略;其中,使用Backstepping方法设计了鲁棒位置跟踪控制器,为了补偿完全未知的粘性阻尼系数,设计了一种自适应控制律,并使用滑模变结构控制方法来补偿其他参数不确定性和外界干扰;AUV平移速度仅对周围水可测情况下,为了估计完全未知的海流速度,设计了两种观测器,这两种海流观测器都能确保海流速度估计误差指数收敛到零;基于李雅普诺夫稳定性理论和一些级联系统稳定性定理证明了四个闭环控制系统的全局稳定性、以及系统状态和控制输入的有界性。仿真结果表明所提出的控制策略能够很好地实现欠驱动AUV的水平面位置跟踪控制,对完全未知的粘性阻尼系数和海流速度有很好的自适应性,对其它参数不确定性和外界干扰具有很强的鲁棒性。
【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2010【分类号】：U674.941【目录】：
ABSTRACT6-16
第1章 绪论16-32
1.1 课题背景及研究的目的和意义16-18
1.1.1 自主水下航行器概述16-17
1.1.2 课题研究的目的和意义17-18
1.2 国内外AUV研究现状18-24
1.2.1 国外AUV的研究现状18-23
1.2.2 国内AUV的研究现状23-24
1.3 欠驱动AUV控制系统研究现状24-30
1.4 本论文的主要研究内容30-32
第2章 欠驱动自主水下航行器的运动建模32-48
2.1 引言32
2.2 运动学方程32-35
2.2.1 坐标系和参数定义32-34
2.2.2 运动学方程34-35
2.3 动力学方程35-39
2.3.1 惯性矩阵35-36
2.3.2 科里奥利向心力矩阵36-37
2.3.3 阻尼矩阵37-38
2.3.4 恢复力和力矩38-39
2.4 控制模型的建立39-46
2.4.1 水平面运动模型39-45
2.4.2 垂直面运动模型45-46
2.5 本章小结46-48
第3章 欠驱动AUV的非线性控制理论基础48-65
3.1 引言48
3.2 李雅普诺夫稳定性理论48-54
3.2.1 基本概念49-52
3.2.2 基本定理52-54
3.3 Backstepping 方法54-55
3.4 Cascade 方法55-58
3.5 模糊滑模控制方法58-64
3.5.1 滑模控制基本理论58-61
3.5.2 模糊控制简介61-62
3.5.3 模糊滑模控制简介62-63
3.5.4 遗传算法简介63-64
3.6 本章小结64-65
第4章 基于模糊滑模方法的欠驱动AUV定深控制65-88
4.1 引言65-66
4.2 模糊滑模控制器66-74
4.2.1 传统滑模控制器设计67-68
4.2.2 模糊控制器设计68-70
4.2.3 数值仿真研究70-74
4.3 自适应模糊滑模控制器74-81
4.3.1 自适应模糊滑模控制器设计74-75
4.3.2 数值仿真研究75-81
4.4 基于遗传算法的模糊滑模控制器81-87
4.4.1 基于遗传算法的性能优化81-82
4.4.2 数值仿真研究82-87
4.5 本章小结87-88
第5章 欠驱动AUV的鲁棒轨迹跟踪控制88-127
5.1 引言88-89
5.2 轨迹规划89-91
5.2.1 轨迹规划方法I89-90
5.2.2 轨迹规划方法II90-91
5.2.3 两种轨迹规划方法的比较91
5.3 小曲率轨迹跟踪控制91-105
5.3.1 问题描述91-92
5.3.2 鲁棒自适应轨迹跟踪控制设计92-94
5.3.3 闭环系统稳定性分析94-95
5.3.4 数值仿真研究95-105
5.4 基于级联方法的欠驱动AUV轨迹跟踪控制105-114
5.4.1 问题描述105-107
5.4.2 轨迹跟踪控制设计107-110
5.4.3 闭环系统稳定性分析110
5.4.4 数值仿真研究110-114
5.5 基于 Backstepping 方法的鲁棒轨迹跟踪控制114-125
5.5.1 问题描述114
5.5.2 鲁棒轨迹跟踪控制器设计114-119
5.5.3 控制输入增益的选择及闭环系统稳定性分析119-122
5.5.4 数值仿真研究122-125
5.6 本章小结125-127
第6章 欠驱动AUV的鲁棒位置跟踪控制127-180
6.1 引言127-128
6.2 平移速度对地可测的鲁棒位置跟踪控制128-139
6.2.1 问题描述128
6.2.2 鲁棒位置跟踪控制设计128-131
6.2.3 闭环系统稳定性分析131-133
6.2.4 数值仿真研究133-139
6.3 平移速度对地可测的鲁棒自适应位置跟踪控制139-150
6.3.1 问题描述139
6.3.2 鲁棒自适应位置跟踪控制设计139-144
6.3.3 闭环系统稳定性分析144-145
6.3.4 数值仿真研究145-150
6.4 平移速度对周围水可测的鲁棒位置跟踪控制150-165
6.4.1 问题描述150-151
6.4.2 控制策略设计151-155
6.4.3 闭环系统稳定性分析155-159
6.4.4 数值仿真研究159-165
6.5 平移速度对周围水可测的鲁棒自适应位置跟踪控制165-179
6.5.1 问题描述165
6.5.2 控制策略设计165-170
6.5.3 闭环系统稳定性分析170-173
6.5.4 数值仿真研究173-179
6.6 本章小结179-180
结论180-182
参考文献182-195
攻读博士学位期间发表的学术论文195-197
致谢197-198
个人简历198
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呼吸机是一种能代替、控制或改变人的正常生理呼吸，增加肺通气量，改善呼吸功能，减轻 呼吸功消耗，节约心脏储备能力的装置。呼吸机”——此名词是“沙利文”所创造！——全球首台睡眠呼吸机的发明者沙利文教授 　　呼吸机，是一种能代替、控制或改变人的正常生理呼吸，增加肺通气量，改善呼吸功能，减轻呼吸功消耗，节约心脏储备能力的装置。 当婴幼儿并发急性呼吸衰竭时，经过积极的保守治疗无效，呼吸减弱和痰多且稠，排痰困难，阻塞气道或发生肺不张，应考虑气管插管及呼吸机。 　　呼吸机必须具备四个基本功能，即向肺充气、吸气向呼气转换，排出肺泡气以及呼气向吸气转换，依次循环往复。因此必须有：⑴能提供输送气体的动力，代替人体呼吸肌的工作；⑵能产生一定 的呼吸节律，包括呼吸频率和吸呼比，以代替人体呼吸中枢神经支配呼吸节律的功能；⑶能提供合适的潮气量 （VT）或分钟通气量（MV），以满足呼吸代谢的需要；⑷供给的气体最好经过加温和湿化，代替人体鼻腔功能 ，并能供给高于大气中所含的O2量，以提高吸入O2浓度，改善氧合。动力源：可用压缩气体作动力（气动）或电机作为动力（电动）呼吸频率及吸呼比亦 可利用气动气控、电动电控、气动电控等类型，呼与吸气时相的切换，常于吸气时于呼吸环路内达到预定压力 后切换为呼气（定压型）或吸气时达到预定容量后切换为呼气（定容型），不过现代呼吸机都兼有以上两种形 式。 　　治疗用的呼吸机，常用于病情较复杂较重的病人，要求功能较齐全，可进行各种呼吸模式，以适应病情变 化的需要。而麻醉呼吸机主要用于麻醉手术中的病人，病人大多无重大心肺异常，要求的呼吸机，只要可变通气量、 呼吸频率及吸呼比者，能行IPPV，基本上就可使用。编辑本段工作过程　　
呼吸机注入病人气体的压力，由机内涡轮泵产生\r。工程过程：大气通过过滤器进入安需阀，安需阀开启的大小 和泵的转速由CPU控制，通气的压力和容量大小由医生根据SARS病人的需要设定，调节适量的气体通过单向阀 进入人体面罩，并进人人体，即吸人正压；单向阀关小，吸人压力降低，病人肺部的吸人正压自动流出，即通 过面罩呼出。 　　注入病人气体的压力，氧气瓶的氧气压力和正压空气产生\r。 　　工作过程：医用氧气通过减压阀与经过过滤器的空气混合进入储气罐，流量调节器由CPU控制，通气的压力 和容量由医生根据SARS病人的需要设定，调节适量的气体通过单向阀进人人体面罩，并进人人体，即吸人正压 ，病人呼气时，单向阀关小，吸人压降低，病人肺部吸人正压自动流出，即通过面罩呼出编辑本段呼吸机分类　　1、按照与患者的连接方式分为： 　　无创呼吸机：呼吸机通过面罩与患者连接 　　有创呼吸机：呼吸机通过气管插管连接到患者 　　2、按用途分类（六类）：
呼吸机急救呼吸机：专用于现场急救。n　 　　呼吸治疗通气机：对呼吸功能不全患者进行长时间通气支持和呼吸治疗。n　 　　麻醉呼吸机：专用于麻醉呼吸管理。n　 　　小儿呼吸机：专用于小儿和新生儿通气支持和呼吸治疗。n　 　　高频呼吸机：具备通气频率＞60次/min功能。n　 　　无创呼吸机：经面罩或鼻罩完成通气支持。n 　　3、按驱动方式分类（三类）： 　　气动气控呼吸机：通气源和控制系统均只以氧气为动力来源。多为便携式急救呼吸机。　 　　电动电控呼吸机：通气源和控制系统均以电源为动力，内部有汽缸、活塞泵等，功能较简单的呼吸机。 　　气动电控呼吸机：通气源以氧气为动力，控制系统以电源为动力。多功能呼吸机的主流设计。 　　4、按通气模式分类（四类）： 　　定时通气机（时间切换）：按预设时间完成呼气与吸气转换。n　 　　定容通气机（容量切换）：按预设输出气量完成呼气与吸气转换。n　 　　定压通气机（压力切换）：按预设气道压力值完成呼气与吸气转换。n　 　　定流通气机（流速切换）：按预设气体流速值完成呼气与吸气转换。n　 　　5、按压力和流量发生器分类（四类）：Mapleson(1959) 　　恒压发生器：通气源驱动压低，吸气期恒压，吸气流随肺内压而变化。n　 　　非恒压发生器：通气源驱动压低，在吸气期发生规律变化，吸气流受驱动压和肺内压双重影响。n　 　　恒流发生器：通气源驱动压高，气流在吸气期不变。n　 　　非恒流发生器：通气源驱动压高，气流在吸气期发生规律性变化。n　 　　压力发生器适用于肺功能正常患者，流量发生器适用于肺顺应性较差的患者。n编辑本段通气方式　　
呼吸机1. 间歇正压呼吸（intermittent positive pressure ventilation,IPPV）：最基本的通气方式。吸气时 产生正压，将气体压入肺内，身体自身压力呼出气体。 　　2. 呼气平台(plateau)：也叫吸气末正压呼吸(end inspiratory positive pressure breathing,EIPPB), 吸气末，呼气前，呼气阀继续关闭一段时间，再开放呼气，这段时间一般不超过呼吸周期的5%，能减少VD/VT （死腔量/潮气量） 　　3. 呼气末正压通气（positive end expiratory pressure,PEEP）：在间歇正压通气的前提下，使呼气末 气道内保持一定压力，在治疗呼吸窘迫综合征、非心源性肺水肿、肺出血时起重要作用。 　　4. 间歇指令通气（intermittent mandatory ventilation,IMV）、同步间歇指令通气（synchronized intermittent mandatory ventilation,SIMV）：属于辅助通气方式，呼吸机管道中有持续气流，（可自主呼 吸）若干次自主呼吸后给一次正压通气，保证每分钟通气量，IMV的呼吸频率成人一般小于 10次/分，儿童为正常频率的1/2~1/10 　　5. 呼气延迟，也叫滞后呼气(expiratory retard)：主要用于气道早期萎陷和慢性阻塞性肺疾患，如哮喘 等，应用时间不宜太久。 　　6. 深呼吸或叹息（sigh） 　　7. 压力支持(pressure support)：自主呼吸基础上，提供一定压力支持，使每次呼吸时压力均能达到预定 峰压值。 　　8. 气道持续正压通气(continue positive airway pressure,CPAP)：除了调节CPAP旋钮外，一 定要保证足够的流量，应使流量加大3~4倍。CPAP正常值一般4~12cm水柱，特殊情况下可达15厘米水柱。 （呼气压4厘米水柱）。 　　9.分钟指令性通气（MMV）：保证病人活的设置的目标分钟通气量。 　　10.双水平气道正压通气（BiLEVEL）：即在给定的时间内设置2个不同的压力水平值，病人在2个不同的压力水平上自主呼吸。 　　11.辅助控制通气模式（Assist/Controlled)：属于纯指令性通气，其中包括：压力控制，压力限制和容量控制。
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