智能系统：海浪干扰环境下UUV近水面深度控制

第9卷第4期 智能系统学报 Vol.9 No.4 2014年8月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Agu.2014 D0I:10.3969/j.issn.1673-4785.201311068 网络出版t地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.16734785.201311068.html 海浪干扰环境下UUV近水面深度控制 徐大伟，吴迪2，侯恕萍3，赵玉飞2 1.海军驻锦州地区军事代表室，辽宁锦州121000：2.哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001；3.哈尔 滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001) 摘要：由于在强耦合条件下，积分变结构控制的极点配置问题十分复杂。为了研究了无人水下航行器(UV)近水面 深度控制问题，在积分变结构控制器的设计之中加入了可拓控制理论，为UV深度控制系统设计了可拓积分变结构控 制算法，在解决极点配置问题的同时提高了控制器的鲁棒性。同时，在UV近水面航行时，海浪引起的深度变化对其 运动控制产生了严重的影响，主要表现为在舵的剧烈抖动与磨损、能源的不必要消耗等。针对此问题，采用了非线性输 出干扰观测器估计海浪带来的深度方向的干扰，并结合李亚普诺夫理论证明了其稳定性。最后，将所设计的可拓积分 变结构控制器与估计得到的海浪干扰应用在UV仿真系统中，结果证明了方法的有效性与工程实际意义。 关键词：无人水下航行器：干扰观测器：变结构控制：可拓控制：海浪干扰：深度控制方法 中图分类号：TP18文献标志码：A文章编号：1673-4785(2014)04-407-06 中文引用格式：徐大伟，吴迪，侯恕萍，等.海浪干扰环境下UUV近水面深度控制[J].智能系统学报，2014,9(4)：407-412. 英文引用格式：XU Dawei,WUDi,HOU Shuping,etal.Depth control method for UUV maneuvering near the surface under wave disturbance[J].CAAI Transactions on Intelligent Systems,2014,9(4):407-412. Depth control method for UUV maneuvering near surface under wave disturbance XU Dawei',WU Di2,HOU Shuping3,ZHAO Yufei2 (1.Navy Military Representative Office in Jinzhou,Jinzhou 121000,China;2.College of Automation,Harbin Engineering University, Harbin 150001,China;3.College of Mechanical and Electrical Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China) Abstract:This paper mainly studies the near surface depth control problems of the unmanned underwater vehicle (UUV).Due to the strong coupling condition of the UUV dynamics,the pole assignment of the integral variable structure control could be rather complicated.So in this paper,the authors extended the traditional integral variable structure control with the extension control algorithm and designed an extension integral variable structure controller with increased robustness when solving the pole assignment problem with the UUV depth control system.In the meantime,frequent changes in the depth caused by the ocean waves generated lots of problems with the motion con- trol of the UUVs when operated near the surface,such as wear and tear of the motors,consumption of energy,etc. Based on the mathematical model of the ocean wave,this paper estimates the disturbance of the depth according to the nonlinear output disturbance observer with the stability proved by the Lyapunov theory.Finally,the controller and observer were used in the depth control simulation system.The results demonstrate the effectiveness and practi- cal significance of this method. Keywords:UUV;disturbance observer;variable structure control;extension control;wave disturbance;depth control method 收稿日期：2013-11-27.网络出版日期：2014-08-07. 近年来，无人水下航行器(UUV)在海洋勘探与 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51109043). 通信作者：吴迪.E-mail:roaddywu@gmail.com. 开发、海洋环境构建、近海污染检测等诸多领域发挥

第 怨 卷第 源 期摇摇摇摇摇 摇摇摇 摇摇摇 摇摇摇 智 能 系 统 学 报摇摇摇摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 灾燥造援怨 翼援源 圆园员源 年 愿 月摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 悦粤粤陨 栽则葬灶泽葬糟贼蚤燥灶泽 燥灶 陨灶贼藻造造蚤早藻灶贼 杂赠泽贼藻皂泽 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 粤早怎援 圆园员源 阅韵陨院员园援猿怨远怨 辕 躁援蚤泽泽灶援员远苑猿鄄源苑愿缘援圆园员猿员员园远愿 网络出版地址院澡贼贼责院 辕 辕 憎憎憎援糟灶噪蚤援灶藻贼 辕 噪糟皂泽 辕 凿燥蚤 辕 员园援猿怨远怨 辕 躁援蚤泽泽灶援员远苑猿源苑愿缘援圆园员猿员员园远愿援澡贼皂造 海浪干扰环境下 哉哉灾 近水面深度控制 徐大伟员 袁吴迪圆 袁侯恕萍猿 袁赵玉飞圆 员援海军驻锦州地区军事代表室袁辽宁 锦州 员圆员园园园曰 圆援 哈尔滨工程大学 自动化学院袁黑龙江 哈尔滨 员缘园园园员曰 猿援 哈尔 滨工程大学 机电工程学院袁黑龙江 哈尔滨 员缘园园园员冤 摘 要院由于在强耦合条件下袁积分变结构控制的极点配置问题十分复杂遥 为了研究了无人水下航行器渊哉哉灾冤近水面 深度控制问题袁在积分变结构控制器的设计之中加入了可拓控制理论袁为 哉哉灾 深度控制系统设计了可拓积分变结构控 制算法袁在解决极点配置问题的同时提高了控制器的鲁棒性遥 同时袁在 哉哉灾 近水面航行时袁海浪引起的深度变化对其 运动控制产生了严重的影响袁主要表现为在舵的剧烈抖动与磨损尧能源的不必要消耗等遥 针对此问题袁采用了非线性输 出干扰观测器估计海浪带来的深度方向的干扰袁并结合李亚普诺夫理论证明了其稳定性遥 最后袁将所设计的可拓积分 变结构控制器与估计得到的海浪干扰应用在 哉哉灾 仿真系统中袁结果证明了方法的有效性与工程实际意义遥 关键词院无人水下航行器曰干扰观测器曰变结构控制曰可拓控制曰海浪干扰曰深度控制方法 中图分类号院 栽孕员愿 摇 文献标志码院粤摇 文章编号院员远苑猿鄄源苑愿缘渊圆园员源冤园源鄄源园苑鄄园远 中文引用格式院徐大伟袁吴迪袁侯恕萍袁等援 海浪干扰环境下 哉哉灾 近水面深度控制咱允暂援 智能系统学报袁 圆园员源袁 怨渊源冤 院 源园苑鄄源员圆援 英文引用格式院载哉 阅葬憎藻蚤袁 宰哉 阅蚤袁 匀韵哉 杂澡怎责蚤灶早袁 藻贼 葬造援 阅藻责贼澡 糟燥灶贼则燥造 皂藻贼澡燥凿 枣燥则 哉哉灾 皂葬灶藻怎增藻则蚤灶早 灶藻葬则 贼澡藻 泽怎则枣葬糟藻 怎灶凿藻则 憎葬增藻 凿蚤泽贼怎则遭葬灶糟藻咱允暂援 悦粤粤陨 栽则葬灶泽葬糟贼蚤燥灶泽 燥灶 陨灶贼藻造造蚤早藻灶贼 杂赠泽贼藻皂泽袁 圆园员源袁 怨渊源冤 院 源园苑鄄源员圆援 阅藻责贼澡 糟燥灶贼则燥造 皂藻贼澡燥凿 枣燥则 哉哉灾 皂葬灶藻怎增藻则蚤灶早 灶藻葬则 泽怎则枣葬糟藻 怎灶凿藻则 憎葬增藻 凿蚤泽贼怎则遭葬灶糟藻 载哉 阅葬憎藻蚤员 袁 宰哉 阅蚤圆 袁 匀韵哉 杂澡怎责蚤灶早猿 袁 在匀粤韵 再怎枣藻蚤圆 渊员援晕葬增赠 酝蚤造蚤贼葬则赠 砸藻责则藻泽藻灶贼葬贼蚤增藻 韵枣枣蚤糟藻 蚤灶 允蚤灶扎澡燥怎袁 允蚤灶扎澡燥怎 员圆员园园园袁 悦澡蚤灶葬曰 圆援悦燥造造藻早藻 燥枣 粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶袁 匀葬则遭蚤灶 耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早 哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠袁 匀葬则遭蚤灶 员缘园园园员袁 悦澡蚤灶葬曰 猿援悦燥造造藻早藻 燥枣 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬造 葬灶凿 耘造藻糟贼则蚤糟葬造 耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早袁 匀葬则遭蚤灶 耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早 哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠袁 匀葬则遭蚤灶 员缘园园园员袁 悦澡蚤灶葬冤 粤遭泽贼则葬糟贼院栽澡蚤泽 责葬责藻则 皂葬蚤灶造赠 泽贼怎凿蚤藻泽 贼澡藻 灶藻葬则 泽怎则枣葬糟藻 凿藻责贼澡 糟燥灶贼则燥造 责则燥遭造藻皂泽 燥枣 贼澡藻 怎灶皂葬灶灶藻凿 怎灶凿藻则憎葬贼藻则 增藻澡蚤糟造藻 渊哉哉灾冤援 阅怎藻 贼燥 贼澡藻 泽贼则燥灶早 糟燥怎责造蚤灶早 糟燥灶凿蚤贼蚤燥灶 燥枣 贼澡藻 哉哉灾 凿赠灶葬皂蚤糟泽袁 贼澡藻 责燥造藻 葬泽泽蚤早灶皂藻灶贼 燥枣 贼澡藻 蚤灶贼藻早则葬造 增葬则蚤葬遭造藻 泽贼则怎糟贼怎则藻 糟燥灶贼则燥造 糟燥怎造凿 遭藻 则葬贼澡藻则 糟燥皂责造蚤糟葬贼藻凿援 杂燥 蚤灶 贼澡蚤泽 责葬责藻则袁 贼澡藻 葬怎贼澡燥则泽 藻曾贼藻灶凿藻凿 贼澡藻 贼则葬凿蚤贼蚤燥灶葬造 蚤灶贼藻早则葬造 增葬则蚤葬遭造藻 泽贼则怎糟贼怎则藻 糟燥灶贼则燥造 憎蚤贼澡 贼澡藻 藻曾贼藻灶泽蚤燥灶 糟燥灶贼则燥造 葬造早燥则蚤贼澡皂 葬灶凿 凿藻泽蚤早灶藻凿 葬灶 藻曾贼藻灶泽蚤燥灶 蚤灶贼藻早则葬造 增葬则蚤葬遭造藻 泽贼则怎糟贼怎则藻 糟燥灶贼则燥造造藻则 憎蚤贼澡 蚤灶糟则藻葬泽藻凿 则燥遭怎泽贼灶藻泽泽 憎澡藻灶 泽燥造增蚤灶早 贼澡藻 责燥造藻 葬泽泽蚤早灶皂藻灶贼 责则燥遭造藻皂 憎蚤贼澡 贼澡藻 哉哉灾 凿藻责贼澡 糟燥灶贼则燥造 泽赠泽贼藻皂援 陨灶 贼澡藻 皂藻葬灶贼蚤皂藻袁 枣则藻择怎藻灶贼 糟澡葬灶早藻泽 蚤灶 贼澡藻 凿藻责贼澡 糟葬怎泽藻凿 遭赠 贼澡藻 燥糟藻葬灶 憎葬增藻泽 早藻灶藻则葬贼藻凿 造燥贼泽 燥枣 责则燥遭造藻皂泽 憎蚤贼澡 贼澡藻 皂燥贼蚤燥灶 糟燥灶鄄 贼则燥造 燥枣 贼澡藻 哉哉灾泽 憎澡藻灶 燥责藻则葬贼藻凿 灶藻葬则 贼澡藻 泽怎则枣葬糟藻袁 泽怎糟澡 葬泽 憎藻葬则 葬灶凿 贼藻葬则 燥枣 贼澡藻 皂燥贼燥则泽袁 糟燥灶泽怎皂责贼蚤燥灶 燥枣 藻灶藻则早赠袁 藻贼糟援 月葬泽藻凿 燥灶 贼澡藻 皂葬贼澡藻皂葬贼蚤糟葬造 皂燥凿藻造 燥枣 贼澡藻 燥糟藻葬灶 憎葬增藻袁 贼澡蚤泽 责葬责藻则 藻泽贼蚤皂葬贼藻泽 贼澡藻 凿蚤泽贼怎则遭葬灶糟藻 燥枣 贼澡藻 凿藻责贼澡 葬糟糟燥则凿蚤灶早 贼燥 贼澡藻 灶燥灶造蚤灶藻葬则 燥怎贼责怎贼 凿蚤泽贼怎则遭葬灶糟藻 燥遭泽藻则增藻则 憎蚤贼澡 贼澡藻 泽贼葬遭蚤造蚤贼赠 责则燥增藻凿 遭赠 贼澡藻 蕴赠葬责怎灶燥增 贼澡藻燥则赠援 云蚤灶葬造造赠袁 贼澡藻 糟燥灶贼则燥造造藻则 葬灶凿 燥遭泽藻则增藻则 憎藻则藻 怎泽藻凿 蚤灶 贼澡藻 凿藻责贼澡 糟燥灶贼则燥造 泽蚤皂怎造葬贼蚤燥灶 泽赠泽贼藻皂援 栽澡藻 则藻泽怎造贼泽 凿藻皂燥灶泽贼则葬贼藻 贼澡藻 藻枣枣藻糟贼蚤增藻灶藻泽泽 葬灶凿 责则葬糟贼蚤鄄 糟葬造 泽蚤早灶蚤枣蚤糟葬灶糟藻 燥枣 贼澡蚤泽 皂藻贼澡燥凿援 运藻赠憎燥则凿泽院哉哉灾曰 凿蚤泽贼怎则遭葬灶糟藻 燥遭泽藻则增藻则曰 增葬则蚤葬遭造藻 泽贼则怎糟贼怎则藻 糟燥灶贼则燥造曰 藻曾贼藻灶泽蚤燥灶 糟燥灶贼则燥造曰 憎葬增藻 凿蚤泽贼怎则遭葬灶糟藻曰 凿藻责贼澡 糟燥灶贼则燥造 皂藻贼澡燥凿 收稿日期院圆园员猿鄄员员鄄圆苑援 摇 网络出版日期院圆园员源鄄园愿鄄园苑援 基金项目院国家自然科学基金资助项目 渊缘员员园怨园源猿冤援 通信作者院吴迪援 耘鄄皂葬蚤造院则燥葬凿凿赠憎怎岳 早皂葬蚤造援糟燥皂援 摇 摇 近年来袁无人水下航行器渊哉哉灾冤在海洋勘探与 开发尧海洋环境构建尧近海污染检测等诸多领域发挥

·408 智能系统学报 第9卷 着重要作用。但由于UUV任务的复杂程度逐渐提 测器，验证本文所提出的方法的有效性与工程实际 高，对UUV控制系统的精度要求也随之提高。在复 意义。 杂的海洋干扰环境下，UUV系统的非线性特性与参 1UUV模型与海浪模型 数的不确定性为UUV控制系统设计问题带来了很大 的挑战。因此，如何使得UUV系统在复杂环境下取 1.1UUV模型 得更好的鲁棒性也成为了控制领域的研究热点问题。 根据刚体运动和流体力学原理，可以得到UUV 针对一般的模型精度低，不确定干扰强的系统， 运动的六自由度动力学模型川。在本文中，由于 传统的积分变结构控制方法具有很好的适应性与鲁 UUV的欠驱动特性，深度控制的实质均为纵倾控 棒性。但在对于如UUV等强耦合的、多状态变量的 制，并忽略纵向控制与其的耦合，所以仅需考虑 控制系统，积分变结构控制方法难以高效、快速地配 UUV纵倾控制方程，并结合运动学模型，可得到如 置极点位置[四。针对上述问题，本文将积分变结构 式(1)所示的UUV深度控制的非线性数学模型。 控制与可拓控制理论相结合，针对UUV近水面深度 x=f(x）+g(x)u 控制，设计了一种可拓积分变结构控制器。可拓控 (1) y=h(x)x+d(x)d(t) 制理论在物元分析理论的基础上发展而来[)]，利用 式中：u为系统的控制输入，即为UUV水平舵舵角 可拓集合的概念，以状态反馈信息的关联度作为控 值。x=[0g]T为UUV系统状态，分别为纵倾 制器在不同测度模式的切换变量)，使得控制器可 角、纵倾角速度以及深度。y(t)=Z为系统的输出， 以根据系统状态与控制需求进行更为简单、快速地 为UUV的实际深度值。d(t)为系统外界干扰，即为 参数调整，从而避免了复杂的极点配置过程，并结合 海浪对于深度传感器的影响。在本例中，h(x)= 了积分变结构控制的优点，增强了系统的鲁棒性。 [001],d(x)=1。 强时变、难预测的海浪干扰为体积小、灵活性强 在设计积分变结构控制器时，需要对模型进行 的UUV带来了更大的挑战，针对UUV在海浪干扰 进一步的线性化处理，引入积分变量：，、深度偏差 下的运动控制、路径跟踪、航位推算以及故障诊断等 5。、深度指令七，并可以得： 方面的研究成为了UUV研究的热点问题[46。 6.=6.-5 (2) 本文通过分析UUV海试数据，主要研究了海浪 =6 (3) 干扰下UUV近水面航行时的深度控制问题，在 根据式(2)、(3)，并结合某型UUV的水动力参数， UUV近水面运动时，海浪所引起UUV深度传感器 即可得到UUV深度控制线性系统状态方程： 反馈值的波动导致了UUV深度控制指令与实际深 =Ax+B8 (4) 度之间的偏差发生剧烈变化，从而导致了UUV水平 舵的频繁抖动，这就严重地减少了舵机的使用寿命， 式中：x=[5,g。8qw],6为水平舵舵角，A、 B为系统矩阵，定义为 而且在UUV不断进行深度控制的同时造成了不必 [100 0 要的能源消耗。此外，纵倾角的频繁变化也导致了 010 0 0 导航精度的降低。为了排除海浪干扰对于UUV控 A=001 0 0 制的影响，海浪的观测与估计方法也赢得了人们的 0001,-mg m 重视。文献[7]提出了一种基于RMMS的海浪频域 000 估计方法，采用数据后处理的方式得到了UUV航行 m-Z:」 区域的海浪信息。W.H.Chen等[)提出了一种独立 「01 0 0 07 -1 于控制器设计的干扰观测器设计方法，胡慧等9]基 00 u 0 00 0 1 0 于神经网络干扰观测器设计了针对一类不确定非线 性MM0系统的H.跟踪控制，尹正男等[1o对干扰 00 ZcF-ZgFB m 观测器的鲁棒优化设计方法进行了一定的研究。本 00 0 Z 文在上述研究的基础上，结合了UUV深度控制的 「100 0 0 -1 01 实际情况，即海浪干扰主要体现在输出方程中，提出 0 10 0 0 0 了一种输出干扰观测器，估计海浪带来的干扰，并利 B= 001 0 0 0 用李亚普诺夫理论证明了其收敛性。文章最后利用 0001,-mg m ms UUV深度控制仿真系统，结合所设计的控制器与观 000 Z m Z. Zs

着重要作用遥 但由于 哉哉灾 任务的复杂程度逐渐提 高袁对 哉哉灾 控制系统的精度要求也随之提高遥 在复 杂的海洋干扰环境下袁哉哉灾 系统的非线性特性与参 数的不确定性为 哉哉灾 控制系统设计问题带来了很大 的挑战遥 因此袁如何使得 哉哉灾 系统在复杂环境下取 得更好的鲁棒性也成为了控制领域的研究热点问题遥 针对一般的模型精度低袁不确定干扰强的系统袁 传统的积分变结构控制方法具有很好的适应性与鲁 棒性遥 但在对于如 哉哉灾 等强耦合的尧多状态变量的 控制系统袁积分变结构控制方法难以高效尧快速地配 置极点位置咱员暂 遥 针对上述问题袁本文将积分变结构 控制与可拓控制理论相结合袁针对 哉哉灾 近水面深度 控制袁设计了一种可拓积分变结构控制器遥 可拓控 制理论在物元分析理论的基础上发展而来咱圆暂 袁利用 可拓集合的概念袁以状态反馈信息的关联度作为控 制器在不同测度模式的切换变量咱猿暂 袁使得控制器可 以根据系统状态与控制需求进行更为简单尧快速地 参数调整袁从而避免了复杂的极点配置过程袁并结合 了积分变结构控制的优点袁增强了系统的鲁棒性遥 强时变尧难预测的海浪干扰为体积小尧灵活性强 的 哉哉灾 带来了更大的挑战袁针对 哉哉灾 在海浪干扰 下的运动控制尧路径跟踪尧航位推算以及故障诊断等 方面的研究成为了 哉哉灾 研究的热点问题咱源鄄远暂 遥 本文通过分析 哉哉灾 海试数据袁主要研究了海浪 干扰下 哉哉灾 近水面航行时的深度控制问题袁 在 哉哉灾 近水面运动时袁海浪所引起 哉哉灾 深度传感器 反馈值的波动导致了 哉哉灾 深度控制指令与实际深 度之间的偏差发生剧烈变化袁从而导致了 哉哉灾 水平 舵的频繁抖动袁这就严重地减少了舵机的使用寿命袁 而且在 哉哉灾 不断进行深度控制的同时造成了不必 要的能源消耗遥 此外袁纵倾角的频繁变化也导致了 导航精度的降低遥 为了排除海浪干扰对于 哉哉灾 控 制的影响袁海浪的观测与估计方法也赢得了人们的 重视遥 文献咱苑暂提出了一种基于 砸酝酝杂 的海浪频域 估计方法袁采用数据后处理的方式得到了 哉哉灾 航行 区域的海浪信息遥 宰援匀援悦澡藻灶 等咱愿暂 提出了一种独立 于控制器设计的干扰观测器设计方法袁胡慧等咱怨暂 基 于神经网络干扰观测器设计了针对一类不确定非线 性 酝陨酝韵 系统的 匀肄 跟踪控制袁尹正男等咱员园暂 对干扰 观测器的鲁棒优化设计方法进行了一定的研究遥 本 文在上述研究的基础上袁结合了 哉哉灾 深度控制的 实际情况袁即海浪干扰主要体现在输出方程中袁提出 了一种输出干扰观测器袁估计海浪带来的干扰袁并利 用李亚普诺夫理论证明了其收敛性遥 文章最后利用 哉哉灾 深度控制仿真系统袁结合所设计的控制器与观 测器袁验证本文所提出的方法的有效性与工程实际 意义遥 员摇 哉哉灾 模型与海浪模型 员援员摇 哉哉灾 模型 摇 摇 根据刚体运动和流体力学原理袁可以得到 哉哉灾 运动的六自由度动力学模型咱员员暂 遥 在本文中袁由于 哉哉灾 的欠驱动特性袁深度控制的实质均为纵倾控 制袁并忽略纵向控制与其的耦合袁 所以仅需考虑 哉哉灾 纵倾控制方程袁并结合运动学模型袁可得到如 式渊员冤所示的 哉哉灾 深度控制的非线性数学模型遥 曾 窑 越 枣渊曾冤 垣 早渊曾冤怎 赠 越 澡渊曾冤曾 垣 凿渊曾冤凿渊贼冤  渊员冤 式中院 怎 为系统的控制输入袁即为 哉哉灾 水平舵舵角 值遥 曾 越 咱兹 择 灼暂 栽 为 哉哉灾 系统状态袁分别为纵倾 角尧纵倾角速度以及深度遥 赠渊贼冤 越 在 为系统的输出袁 为 哉哉灾 的实际深度值遥 凿渊贼冤 为系统外界干扰袁即为 海浪对于深度传感器的影响遥 在本例中袁 澡渊曾冤 越 咱园摇 园摇 员暂袁 凿渊曾冤 越 员遥 在设计积分变结构控制器时袁需要对模型进行 进一步的线性化处理袁引入积分变量 灼陨尧 深度偏差 灼藻尧 深度指令 灼则袁 并可以得院 灼藻 越 灼则 原 灼 渊圆冤 灼 窑 陨 越 灼藻 渊猿冤 根据式渊圆冤尧渊猿冤袁并结合某型 哉哉灾 的水动力参数袁 即可得到 哉哉灾 深度控制线性系统状态方程院 曾 耀 窑 越 粤曾耀 垣 月啄 渊源冤 式中院 曾 耀 越 灼陨 灼   藻 兹择憎 栽 袁啄 为水平舵舵角袁 粤尧 月 为系统矩阵袁定义为 粤 越 员园园 园 园 园员园 园 园 园园员 园 园 园园园 陨赠 原 皂择 窑 皂憎 窑 园园园 在择 窑 皂 原 在憎 窑                 原员 窑 园员 园 园 园 园 园 怎 园 原 员 园园 园 员 园 园 园 在郧 云憎 原 在月 云月 皂择 皂憎 园园 园 在择 在憎                 月 越 员园园 园 园 园员园 园 园 园园员 园 园 园园园 陨赠 原 皂择 窑 皂憎 窑 园园园 在择 窑 皂 原 在憎 窑                 原员 园 园 园 皂啄 在啄                 窑源园愿窑 智 能 系 统 学 报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 第 怨 卷

第4期 徐大伟，等：海浪干扰环境下UV近水面深度控制 ·409· 式中：I,为惯性系数，Zc、Z。为重心，浮心在运动坐关，在实际中均为微小量。￡：为0~2π的随机数。 标系下z轴的坐标，m,m.、m,m:、乙，、Z.、Z,、Z:为 w:为第i次谐波的角频率。准确的干扰模型对于 相应的水动力系数。 干扰观测器的设计十分重要，为了进一步分析海 1.2海浪模型 浪在系统中的影响，现将海浪干扰表示为状态空 式(1)中提到的外界干扰d(t)可由式(5)所表 间形式，如式(6)所示。 示的海浪数学模型得到。 传=C传 )=.cos(nt+e） (6) (5) d(t=DE i=1 式中：专为海浪的系统状态，为2n×1的矩阵，C为 在一般的情况下，n取40~60，本文中n取 50；中为海浪的波幅，与海浪的频谱密度等相 2n×2n的矩阵，D为1×2n,如式(7)~(9)所示。 专=[ψa1cos(0t+E1)…中Cos(wnt+En）山a1sin(w1t+s1)…ψnsin(ot+en)]T(7) -10 0 2所示。 0 0 -10 C= (8) 101 0 0 0 D=[L·100 (9) 2 可拓积分变结构控制器设计 图2系统状态的可拓集合 2.1可拓UUV深度控制系统 Fig.2 Extension set of UUV states 基于可拓控制理论与实际UUV深度控制系统， 关联度函数的表达式如下： 设计了可拓UUV深度控制系统的基本结构，如图1 设e-e平面的原点坐标为S(0,0),定义M1= 所示。控制系统分为决策层与执行层，分别由UUV √en2+en,M=√em2+em,则e-e平面上任意- 系统中的任务控制机和运动控制机负责，本文主要 点S(e,e)的关联度可由关联度函数(10)求取： 研究执行层的设计问题。 1-lSS.l/Mo,S∈Cr K(S)= ↑出： (Mo -SSo)/(M--Mo),Se Cr 洪弟： 、.人丽 (10) X 式中：Cr为图2中所示的经典域，SS。= 床.人G √ke2+k2e2,k1、k2为加权系数、可拓控制系统参 ,“ : 数，可根据系统需求进行调整。 根据式(10)的形式可以看出，关联度函数所表 征的是当前系统状态与可拓集合的关联程度，为测 11.；lfs 1.1da .L :nll 度模式的切换依据。 在本文中，通过关联度的值将系统划分为M,、 t这切i卡 M2、M33种测度模式，如式(11)所示。 图1UUV可拓深度控制系统框图 M,{SlK(S)≥0) Fig.I UUV extension depth control system 测度模式=M2,{S-1≤K(S)<O}(11) 本文采用了深度偏差以及偏差的微分作为系统 的控制系统状态反馈量，建立了关于这2个变量的 M3,{SlK(S)<-1) 可拓集合。设状态量偏差及其偏差导数的容许范围 2.2可拓控制算法 分别为em和em,系统可调的最大偏差为em和em, 根据系统当前状态所属的不同的测度模式M,、 因此可以得到关于控制量S(e,e)的可拓集合，如图 M2、M3,将系统相对应地分为经典域、可拓域和非 域，在不同的测度模式下，对UUV深度控制系统的

式中院 陨赠 为惯性系数袁 在郧 尧 在月 为重心尧浮心在运动坐 标系下 扎 轴的坐标袁 皂择尧皂憎 尧皂择 窑尧皂憎 窑尧在择尧在憎 尧在择 窑尧在憎 窑 为 相应的水动力系数遥 员援圆 摇 海浪模型 式渊员冤中提到的外界干扰 凿渊贼冤 可由式渊缘冤所表 示的海浪数学模型得到咱员圆暂 遥 鬃渊贼冤 越 移 灶 蚤 越 员 鬃葬蚤糟燥泽渊憎蚤 贼 垣 着蚤冤 渊缘冤 摇 摇 在一般的情况下袁 灶 取 源园 耀 远园袁 本文中 灶 取 缘园曰 鬃葬蚤 为海浪的波幅袁与海浪的频谱密度等相 关袁在实际中均为微小量遥 着蚤 为 园耀 圆仔 的随机数遥 憎蚤 为第 蚤 次谐波的角频率遥 准确的干扰模型对于 干扰观测器的设计十分重要袁为了进一步分析海 浪在系统中的影响袁现将海浪干扰表示为状态空 间形式袁如式渊远冤所示遥 孜 窑 越 悦孜 凿渊贼冤 越 阅孜  渊远冤 式中院 孜 为海浪的系统状态袁为 圆灶 伊 员 的矩阵袁 悦 为 圆灶 伊 圆灶 的矩阵袁 阅 为 员 伊 圆灶袁 如式渊苑冤 耀 渊怨冤所示遥 孜 越 咱鬃葬员 糟燥泽渊憎员 贼 垣 着员 冤摇 噎摇 鬃葬灶 糟燥泽渊憎灶 贼 垣 着灶 冤摇 鬃葬员 泽蚤灶渊憎员 贼 垣 着员 冤摇 噎摇 鬃葬灶 泽蚤灶渊憎灶 贼 垣 着灶 冤 暂 栽 渊苑冤 悦 越 原 憎员 园 埙 园 原 憎灶 憎员 园 埙 园 憎灶                       渊愿冤 阅 越 员噎员      灶 摇园噎园      灶   渊怨冤 圆摇 可拓积分变结构控制器设计 圆援员摇 可拓 哉哉灾 深度控制系统 基于可拓控制理论与实际 哉哉灾 深度控制系统袁 设计了可拓 哉哉灾 深度控制系统的基本结构袁如图 员 所示遥 控制系统分为决策层与执行层袁分别由 哉哉灾 系统中的任务控制机和运动控制机负责袁本文主要 研究执行层的设计问题遥 图 员摇 哉哉灾 可拓深度控制系统框图 云蚤早援员摇 哉哉灾 藻曾贼藻灶泽蚤燥灶 凿藻责贼澡 糟燥灶贼则燥造 泽赠泽贼藻皂 本文采用了深度偏差以及偏差的微分作为系统 的控制系统状态反馈量袁建立了关于这 圆 个变量的 可拓集合遥 设状态量偏差及其偏差导数的容许范围 分别为 藻燥皂 和 藻 窑 燥皂 袁 系统可调的最大偏差为 藻皂 和 藻 窑 皂袁 因此可以得到关于控制量 杂渊藻袁藻 窑 冤 的可拓集合袁如图 圆 所示遥 图 圆摇 系统状态的可拓集合 云蚤早援圆摇 耘曾贼藻灶泽蚤燥灶 泽藻贼 燥枣 哉哉灾 泽贼葬贼藻泽 摇 摇 关联度函数的表达式如下院 设 藻鄄藻窑 平面的原点坐标为 杂园渊园袁园冤 袁 定义 酝原员 越 藻皂 圆 垣 藻 窑 皂 圆 袁 酝园 越 藻燥皂 圆 垣 藻 窑 燥皂 圆 袁 则 藻鄄藻窑平面上任意一 点 杂渊藻袁藻 窑 冤 的关联度可由关联度函数渊员园冤求取院 运渊杂冤 越 员 原 杂杂园 辕 酝园 袁杂 沂 悦则 渊酝园 原 杂杂园 冤 辕 渊酝原员  原 酝园 冤 袁杂 埸 悦则 渊员园冤 式 中院 悦则 为 图 圆 中所示的经典域袁 杂杂园 越 噪员 藻 圆 垣 噪圆 藻 窑圆 袁噪员 尧噪圆 为加权系数尧可拓控制系统参 数袁可根据系统需求进行调整遥 根据式渊员园冤的形式可以看出袁关联度函数所表 征的是当前系统状态与可拓集合的关联程度袁为测 度模式的切换依据遥 在本文中袁通过关联度的值将系统划分为 酝员 尧 酝圆 尧酝猿 猿 种测度模式袁如式渊员员冤所示遥 测度模式 越 酝员 袁  杂 运渊杂冤逸园 酝圆 袁  杂 原 员 臆 运渊杂冤 约 园 酝猿 袁  杂 运渊杂冤 约 原 员        渊员员冤 圆援圆摇 可拓控制算法 根据系统当前状态所属的不同的测度模式 酝员 尧 酝圆 尧酝猿 袁 将系统相对应地分为经典域尧可拓域和非 域袁在不同的测度模式下袁对 哉哉灾 深度控制系统的 第 源 期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 徐大伟袁等院海浪干扰环境下 哉哉灾 近水面深度控制 窑源园怨窑

·410 智能系统学报 第9卷 控制采用不同的控制算法。 2.2.1经典域：测度模式M 传=C店+L(x)(y(t)-h(x)x()-d(x)d()） 根据由上文简化的线性系统模型(4)，设计了 d()=D 积分变结构控制器，并且加入了饱和函数，解决了滑 (16) 动控制在切换面震荡的问题。切换函数取为 式中：L(x)为系统的增益矩阵，将在后文求取。 S=[-0.5-0.92.20.42.9]x(12) d(t)为干扰的估计值，专为海浪状态的估计值。根 根据式(4)、(12)，积分变结构控制器为 据式(1)，可得 4s=-0.4g。-1.040-4.63g-3.67w+0.2sat(S/e) 式中：￡为饱和函数的边界层厚度，本文中ε取常值 +L(x)(d(x)d(t)-d(x)a()) 1.8。sat(S/e)为式(13)所示： d(t)=D (S/e,|S/e|0。对V:求导可得 制与积分变结构控制间的差别不大，可拓域中的控 Ve=2egPeg 制器对控制系统的影响不明显。在UUV深度控制 结合式(17)，可得 系统设计中，过大的深度超调会对UUV系统安全产 生严重威胁，因此要求系统具有较小的超调量或零 Ve=2e2P(C-KD)es 超调。针对上述问题，本文在式(11)的基础上，加 定义变量C=C-KD,则可得 入了系统的状态偏差因子Z(e,e),增加了可拓控 Va 2ePCeg =e(C'P+PC)eg 制对于控制系统的作用，并更好地抑制了系统超调。 综上所述，可以得到可拓域的控制律为 当CP+PC<0时，可得V<0,即eg趋近于 uxr unvs (KK(S)Z(e,e))(-sgn()) 0,则干扰观测器的稳定性得证。取PK=D,可得 CTP+PC -2DTD<0 (15) 利用MATLAB线性矩阵不等式工具箱即可求 式中：Z(e,e)=k√e2+e。 得P值，进一步根据K=PD求取K值。 2.2.3非域：测度模式M3 在非域中，控制器输出取最大输出值山m,在本 4仿真实验与分析 文中，即为所能达到的最大水平舵舵角。 当UUV在近水面定深航行时，由于海浪干扰引 3输出干扰观测器设计 起的深度变化会导致UUV不断地调整其深度值。 当UUV为欠驱动时，就导致了UUV水平舵的不断 本节利用所建立的UUV深度控制模型和海 抖动，对舵机产生不必要的磨损，同时也使得UUV 浪模型，利用线性矩阵不等式，设计了一种输出 纵倾不断变化，如图3所示。在仿真实验中，UUV 干扰观测器，并根据李亚普诺夫理论证明了其稳 的深度控制指令为7m,海浪等级为3级，采用所设 定性。 计的可拓积分变结构控制器。取深度控制稳定后数 3.1干扰观测器设计 据，通过图3可以看出，实际的水平舵舵角在-10°~ 干扰观测器模型如式(16)所示： 15°之间剧烈地抖动，其非对称性是由于UUV的正

控制采用不同的控制算法遥 圆援圆援员 摇 经典域院测度模式 酝员 根据由上文简化的线性系统模型 渊源冤袁设计了 积分变结构控制器袁并且加入了饱和函数袁解决了滑 动控制在切换面震荡的问题遥 切换函数取为 杂 越 原  园援缘 原 园援怨 圆援圆 园援源 圆援怨 曾 耀 渊员圆冤 根据式渊源冤 尧渊员圆冤 袁积分变结构控制器为 怎陨灾杂 越 原 园援源灼藻 原 员援园源兹 原 源援远猿择 原 猿援远苑憎 垣 园援圆泽葬贼渊杂辕着冤 式中院 着 为饱和函数的边界层厚度袁本文中 着 取常值 员援愿遥 泽葬贼渊杂辕着冤 为式渊员猿冤所示院 泽葬贼渊杂辕着冤 越 杂辕着袁 杂辕着 约 员 泽早灶渊杂辕着冤 袁 杂辕着 逸 员  渊员猿冤 圆援圆援圆 摇 可拓域院测度模式 酝圆 可拓域控制方法是可拓控制区别于其他控制方 法的关键遥 其控制器如式渊员源冤所示院 怎运栽 越 怎陨灾杂 垣 运糟运渊杂冤 渊 原 泽早灶渊灼藻冤 冤 渊员源冤 式中院参数 运糟 根据关联度在控制中的作用进行选 择遥 在可拓控制中袁可以通过对参数 噪员 尧噪圆 尧运糟 的 调整来实现对系统控制性能的改善袁从而使得上 文所设计的积分变结构控制器参数不需要频繁 地调整遥 根据式渊员源冤 可知袁当关联度值较小时袁可拓控 制与积分变结构控制间的差别不大袁可拓域中的控 制器对控制系统的影响不明显遥 在 哉哉灾 深度控制 系统设计中袁过大的深度超调会对 哉哉灾 系统安全产 生严重威胁袁因此要求系统具有较小的超调量或零 超调遥 针对上述问题袁本文在式渊 员员冤 的基础上袁加 入了系统的状态偏差因子 在渊藻袁藻 窑 冤 袁 增加了可拓控 制对于控制系统的作用袁并更好地抑制了系统超调遥 综上所述袁可以得到可拓域的控制律为 怎运栽 越 怎陨灾杂 垣 渊运糟运渊杂冤 垣 在渊藻袁藻 窑 冤冤渊 原 泽早灶渊鬃藻冤 冤 渊员缘冤 式中院 在渊藻袁藻 窑 冤 越 噪 藻圆 垣 藻 窑圆 遥 圆援圆援猿 摇 非域院测度模式 酝猿 在非域中袁控制器输出取最大输出值 怎皂 袁 在本 文中袁即为所能达到的最大水平舵舵角遥 猿摇 输出干扰观测器设计 本节利用所建立的 哉哉灾 深度控制模型和海 浪模型袁利用线性矩阵不等式袁设计了一种输出 干扰观测器袁并根据李亚普诺夫理论证明了其稳 定性遥 猿援员 摇 干扰观测器设计 干扰观测器模型如式渊员远冤所示院 孜 赞 窑 越 悦孜赞 垣 蕴渊曾冤 渊赠渊贼冤 原 澡渊曾冤曾渊贼冤 原 凿渊曾冤凿 赞 渊贼冤 冤 凿 赞 渊贼冤 越 阅孜  赞 渊员远冤 式中院 蕴渊曾冤 为系统的增益矩阵袁将在后文求取遥 凿 赞 渊贼冤 为干扰的估计值袁 孜 赞 为海浪状态的估计值遥 根 据式渊员冤袁可得 孜 赞 窑 越 悦孜赞 垣 蕴渊曾冤 渊凿渊曾冤凿渊贼冤 原 凿渊曾冤凿 赞 渊贼冤 冤 凿 赞 渊贼冤 越 阅孜  赞 渊员苑冤 摇 摇 不妨取 蕴渊曾冤 越 运凿 原员 渊曾冤 袁 则可以得到关于海浪 的状态微分方程院 孜 赞 窑 越 运凿渊贼冤 垣 渊悦 原 运阅冤孜 赞 渊员愿冤 猿援圆 摇 稳定性分析 上文中袁得到了如式渊愿冤所示海浪干扰观测器遥 设变量 藻孜 越 孜 原 孜 赞 袁 为估计变量与实际变量的偏差袁 由式渊员愿冤可知袁当 藻孜 趋近于 园 时袁 孜 赞 趋近于 孜袁 进而 凿 赞 渊贼冤 趋近于 凿渊贼冤 袁 即干扰观测器稳定遥 因此袁取李亚普诺夫函数 灾孜 越 藻栽 孜孕藻孜袁 其中 孕 为 正定矩阵袁可知 灾孜 跃 园遥 对 灾孜 求导可得 灾 窑 孜 越 圆藻栽 孜孕藻 窑 孜 结合式渊员苑冤 袁可得 灾 窑 孜 越 圆藻栽 孜孕渊悦 原 运阅冤藻孜 摇 摇 定义变量 悦 原 越 悦 原 运阅袁 则可得 灾 窑 孜 越 圆藻栽 孜孕悦 原 藻孜 越 藻栽 孜渊悦 原 栽 孕 垣 孕悦 原 冤藻孜 摇 摇 当 悦 原 栽 孕 垣 孕悦 原 约 园 时袁可得 灾 窑 孜 约 园袁 即 藻孜 趋近于 园袁则干扰观测器的稳定性得证遥 取 孕运 越 阅栽 袁 可得 悦栽 孕 垣 孕悦 原 圆阅栽 阅 约 园 摇 摇 利用 酝粤栽蕴粤月 线性矩阵不等式工具箱即可求 得 孕 值袁进一步根据 运 越 孕原员 阅栽 求取 运 值遥 源摇 仿真实验与分析 当 哉哉灾 在近水面定深航行时袁由于海浪干扰引 起的深度变化会导致 哉哉灾 不断地调整其深度值遥 当 哉哉灾 为欠驱动时袁就导致了 哉哉灾 水平舵的不断 抖动袁对舵机产生不必要的磨损袁同时也使得 哉哉灾 纵倾不断变化袁如图 猿 所示遥 在仿真实验中袁哉哉灾 的深度控制指令为 苑 皂袁海浪等级为 猿 级袁采用所设 计的可拓积分变结构控制器遥 取深度控制稳定后数 据袁通过图 猿 可以看出袁实际的水平舵舵角在原员园毅 耀 员缘毅之间剧烈地抖动袁其非对称性是由于 哉哉灾 的正 窑源员园窑 智 能 系 统 学 报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 第 怨 卷

第4期 徐大伟，等：海浪干扰环境下UV近水面深度控制 411· 浮力所致。通过图4可知，纵倾角主要在-3.5°~2 间波动。 1 强，泽 通训排油好中 图7加入观测器后深度控制曲线 Fig.7 Depth control with disturbance observer 通过图7所示的深度曲线可以看出，虽然深度 图3定深航行舵角曲线 Fig.3 Deflection angle for constant depth maneuvering 值并未稳定在指令深度上，但其变化曲线与海浪模 型基本相符，分析图5、图6所示的舵角曲线和纵倾 曲线，仅考虑深度稳定后的曲线，即在40s之后，虽 然舵角与纵倾值仍有一定的抖动，但相比于图3、图 4所示的曲线，其抖动在频率和幅值上均有所改善， 相比于EKF方法，也得到了一定的提高。如表1所 示。通过仿真实验，证明了该方法的有效性和工程 图4定深航行纵倾曲线 实际意义。 Fig.4 Pitch angle for constant depth maneuvering 表1舵角、纵倾幅值频率对比值 在实际近水面航行中，这种对于海浪引起的深 Table 1 Comparison of defection and pitch 度传感器变化的响应并没有实际意义。利用式 舵角 舵角 纵倾 纵倾 (16)所示输出干扰观测器，估计海浪干扰值，同时， 对比项 幅值/（°）频率/Hz幅值/（°）频率/Hz 本文加入了采用EKF方法的海浪观测器进行对比， 无观测时 5 0.5 3.5 0.2 可得到如图5、图6所示的舵角、纵倾曲线。此时， 加入EKF观测器 10 0.3 2.5 0.13 由于系统不再响应海浪干扰，其深度反馈值并未稳 加入输出干扰观测器 5 0.2 2 0.1 定在指令深度7m。如图7所示。 5结束语 01 13 -H 本文针对UUV近水面深度控制问题，设计了基 于可拓逻辑与积分变结构方法的可拓积分变结构控 1 常出记：分 制器，充分利用了可拓理论中的信息转换的思维模 -1K““ 式，在一定程度上弥补了积分变结构控制器极点调 : 为北藏动 整复杂的缺陷，实现了对强耦合、高度非线性AUV 图5加入观测器后舵角曲线 系统的动态控制。针对UUV在近水面航行时易受 Fig.5 Deflection angle with disturbance observer 海浪干扰影响的问题，将干扰观测器理论应用到了 海浪干扰估计中。利用已知UUV数学模型和海浪 模型，设计了输出干扰观测器，并利用李亚普诺夫理 论和线性矩阵不等式方法证明了观测器的稳定性。 最后，利用仿真实验，证明了所设计的控制器与观测 器的有效性。 —1非装 i 民状欢北盘训水” 参考文献： [1]熊华胜，边信黔.积分变结构控制原理在AUV航向控制 图6加入观测器后纵倾曲线 中的应用仿真[J].船舶工程，2005,27(5)：30-33. Fig.6 Pitch angle with disturbance observer XIONG Huasheng,BIAN Xinqian.Simulation of AUV head-

浮力所致遥 通过图 源 可知袁纵倾角主要在原猿援缘毅 耀 圆毅 间波动遥 图 猿摇 定深航行舵角曲线 云蚤早援猿摇 阅藻枣造藻糟贼蚤燥灶 葬灶早造藻 枣燥则 糟燥灶泽贼葬灶贼 凿藻责贼澡 皂葬灶藻怎增藻则蚤灶早 图 源摇 定深航行纵倾曲线 云蚤早援源摇 孕蚤贼糟澡 葬灶早造藻 枣燥则 糟燥灶泽贼葬灶贼 凿藻责贼澡 皂葬灶藻怎增藻则蚤灶早 在实际近水面航行中袁这种对于海浪引起的深 度传感器变化的响应并没有实际意义遥 利用式 渊员远冤所示输出干扰观测器袁估计海浪干扰值袁同时袁 本文加入了采用 耘运云 方法的海浪观测器进行对比袁 可得到如图 缘尧图 远 所示的舵角尧纵倾曲线遥 此时袁 由于系统不再响应海浪干扰袁其深度反馈值并未稳 定在指令深度 苑 皂遥 如图 苑 所示遥 图 缘摇 加入观测器后舵角曲线 云蚤早援缘摇 阅藻枣造藻糟贼蚤燥灶 葬灶早造藻 憎蚤贼澡 凿蚤泽贼怎则遭葬灶糟藻 燥遭泽藻则增藻则 图 远摇 加入观测器后纵倾曲线 云蚤早援远摇 孕蚤贼糟澡 葬灶早造藻 憎蚤贼澡 凿蚤泽贼怎则遭葬灶糟藻 燥遭泽藻则增藻则 图 苑摇 加入观测器后深度控制曲线 云蚤早援苑摇 阅藻责贼澡 糟燥灶贼则燥造 憎蚤贼澡 凿蚤泽贼怎则遭葬灶糟藻 燥遭泽藻则增藻则 摇 摇 通过图 苑 所示的深度曲线可以看出袁虽然深度 值并未稳定在指令深度上袁但其变化曲线与海浪模 型基本相符袁分析图 缘尧图 远 所示的舵角曲线和纵倾 曲线袁仅考虑深度稳定后的曲线袁即在 源园 泽 之后袁虽 然舵角与纵倾值仍有一定的抖动袁但相比于图 猿尧图 源 所示的曲线袁其抖动在频率和幅值上均有所改善袁 相比于 耘运云 方法袁也得到了一定的提高遥 如表 员 所 示遥 通过仿真实验袁证明了该方法的有效性和工程 实际意义遥 表 员摇 舵角尧纵倾幅值频率对比值 栽葬遭造藻 员摇 悦燥皂责葬则蚤泽燥灶 燥枣 凿藻枣藻糟贼蚤燥灶 葬灶凿 责蚤贼糟澡 对比项 舵角 幅值辕 渊毅冤 舵角 频率辕 匀扎 纵倾 幅值辕 渊毅冤 纵倾 频率辕 匀扎 无观测时 员缘 园援缘 猿援缘 园援圆 加入 耘运云 观测器 员园 园援猿 圆援缘 园援员猿 加入输出干扰观测器 缘 园援圆 圆 园援员 缘摇 结束语 本文针对 哉哉灾 近水面深度控制问题袁设计了基 于可拓逻辑与积分变结构方法的可拓积分变结构控 制器袁充分利用了可拓理论中的信息转换的思维模 式袁在一定程度上弥补了积分变结构控制器极点调 整复杂的缺陷袁实现了对强耦合尧高度非线性 粤哉灾 系统的动态控制遥 针对 哉哉灾 在近水面航行时易受 海浪干扰影响的问题袁将干扰观测器理论应用到了 海浪干扰估计中遥 利用已知 哉哉灾 数学模型和海浪 模型袁设计了输出干扰观测器袁并利用李亚普诺夫理 论和线性矩阵不等式方法证明了观测器的稳定性遥 最后袁利用仿真实验袁证明了所设计的控制器与观测 器的有效性遥 参考文献院 咱员暂熊华胜袁 边信黔援 积分变结构控制原理在 粤哉灾 航向控制 中的应用仿真咱允暂援船舶工程袁 圆园园缘袁 圆苑渊缘冤 院 猿园鄄猿猿援 载陨韵晕郧 匀怎葬泽澡藻灶早袁 月陨粤晕 载蚤灶择蚤葬灶援 杂蚤皂怎造葬贼蚤燥灶 燥枣 粤哉灾 澡藻葬凿鄄 第 源 期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 徐大伟袁等院海浪干扰环境下 哉哉灾 近水面深度控制 窑源员员窑

·412 智能系统学报 第9卷 ing control system using integral variable structure control [10]尹正男，苏剑波，刘艳涛.基于H.范数优化的干扰观测 principle[J].Ship Engineering,2005,27(5):30-33. 器的鲁棒设计[J].自动化学报，2011,37(3)：331- [2]蔡文.物元分析[M].广州：广东高等教育出版社，1987： 341. 23-26. YIN Zhengnan,SU Jianbo,LIU Yantao.Design of disturb- [3]潘东，金以慧.可拓控制的探索与研究[J].控制理论与 ance observer with robust performance based on H.norm 应用，1996,13(3)：305-311. optimization[]].Acta Automatica Sinica,2011,37(3): PAN Dong,JIN Yihui.Exploration and research on exten- 331-341. sion control[J].Control Theory and Applications,1996,13 [11]李殿璞.船舶运动与建模[M.北京：国防工业出版社， (3):305-311 2008:14-16. [4]MOREIRA L,SOARES C G.H2 and H.designs for diving and [12]金鸿章.船舶控制原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学 course control of an autonomous underwater vehicle in presence 出版社，2001：18-24. of waves[J].IEEE J Ocean Eng,2008,33(2):69-88. 作者简介： [5]LIU S,WANG D.POH E.Non-linear output feedback 徐大伟，男，1969年生，高级工程 tracking control for AUVs in shallow wave disturbance con- 师，主要研究方向为水下航行器的控制 dition[J].nt J Control,2008,81(11):1806-1823. 与仿真，发表学术论文20余篇。 [6]SANYAL A K,CHYBA M.Robust feedback tracking of au- tonomous underwater vehicles with disturbance rejection [C]//2009 American Control Conference.St.Louis,MO 吴迪，男.1988年生，博士研究生 USA,2009:3585-3590. 主要研究方向为水下航行器的控制技 [7]GOODMAN L,LEVINE E R,WANG Z K.Subsurface ob- servations of surface waves from an autonomous underwater 术，发表学术论文5篇。 vehicle[J].IEEE J Ocean Eng,2010,35(4):779-784. [8]CHEN W H.Disturbance observer based control for nonlin- ear systems [J].IEEE/ASME Trans on Mechatronics, 2004,9(4):706-710. [9]胡慧，刘国荣.基于神经网络干扰观测器的一类不确定 侯恕萍，女.1972年生.副教授，博 非线性MM0系统H.跟踪控制[J].控制与决策，2009， 士，主要研究方向为水下特种作业技术 与装备、水下机器人智能控制与对接技 24(3):468-471. HU Hui,LIU Guorong.H.tracking control of a class of un- 术，发表学术论文20余篇. certain nonlinear MIMO systems based on neural network disturbance observer[J].Control and Decision,2009,24 (3):468-471

蚤灶早 糟燥灶贼则燥造 泽赠泽贼藻皂 怎泽蚤灶早 蚤灶贼藻早则葬造 增葬则蚤葬遭造藻 泽贼则怎糟贼怎则藻 糟燥灶贼则燥造 责则蚤灶糟蚤责造藻咱 允暂援 杂澡蚤责 耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早袁 圆园园缘袁 圆苑渊缘冤 院 猿园鄄猿猿援 咱圆暂蔡文援物元分析咱酝暂援 广州院 广东高等教育出版社袁员怨愿苑院 圆猿鄄圆远援 咱猿暂潘东袁 金以慧援 可拓控制的探索与研究咱允暂援 控制理论与 应用袁 员怨怨远袁 员猿渊猿冤 院 猿园缘鄄猿员员援 孕粤晕 阅燥灶早袁 允陨晕 再蚤澡怎蚤援 耘曾责造燥则葬贼蚤燥灶 葬灶凿 则藻泽藻葬则糟澡 燥灶 藻曾贼藻灶鄄 泽蚤燥灶 糟燥灶贼则燥造咱 允暂援 悦燥灶贼则燥造 栽澡藻燥则赠 葬灶凿 粤责责造蚤糟葬贼蚤燥灶泽袁 员怨怨远袁 员猿 渊猿冤 院 猿园缘鄄猿员员援 咱 源暂酝韵砸耘陨砸粤 蕴袁 杂韵粤砸耘杂 悦 郧援 匀圆 葬灶凿 匀肄 凿藻泽蚤早灶泽 枣燥则 凿蚤增蚤灶早 葬灶凿 糟燥怎则泽藻 糟燥灶贼则燥造 燥枣 葬灶 葬怎贼燥灶燥皂燥怎泽 怎灶凿藻则憎葬贼藻则 增藻澡蚤糟造藻 蚤灶 责则藻泽藻灶糟藻 燥枣 憎葬增藻泽咱允暂援 陨耘耘耘 允 韵糟藻葬灶 耘灶早袁 圆园园愿袁 猿猿渊圆冤院 远怨鄄愿愿援 咱 缘 暂 蕴陨哉 杂袁 宰粤晕郧 阅袁 孕韵匀 耘援 晕燥灶鄄造蚤灶藻葬则 燥怎贼责怎贼 枣藻藻凿遭葬糟噪 贼则葬糟噪蚤灶早 糟燥灶贼则燥造 枣燥则 粤哉灾泽 蚤灶 泽澡葬造造燥憎 憎葬增藻 凿蚤泽贼怎则遭葬灶糟藻 糟燥灶鄄 凿蚤贼蚤燥灶咱 允暂援 陨灶贼 允 悦燥灶贼则燥造袁 圆园园愿袁 愿员渊员员冤 院 员愿园远鄄员愿圆猿援 咱远暂 杂粤晕再粤蕴 粤 运袁 悦匀再月粤 酝援 砸燥遭怎泽贼 枣藻藻凿遭葬糟噪 贼则葬糟噪蚤灶早 燥枣 葬怎鄄 贼燥灶燥皂燥怎泽 怎灶凿藻则憎葬贼藻则 增藻澡蚤糟造藻泽 憎蚤贼澡 凿蚤泽贼怎则遭葬灶糟藻 则藻躁藻糟贼蚤燥灶 咱悦暂 辕 辕 圆园园怨 粤皂藻则蚤糟葬灶 悦燥灶贼则燥造 悦燥灶枣藻则藻灶糟藻援 杂贼援 蕴燥怎蚤泽袁 酝韵袁 哉杂粤袁 圆园园怨院 猿缘愿缘原猿缘怨园援 咱苑暂郧韵韵阅酝粤晕 蕴袁 蕴耘灾陨晕耘 耘 砸袁 宰粤晕郧 在 运援 杂怎遭泽怎则枣葬糟藻 燥遭鄄 泽藻则增葬贼蚤燥灶泽 燥枣 泽怎则枣葬糟藻 憎葬增藻泽 枣则燥皂 葬灶 葬怎贼燥灶燥皂燥怎泽 怎灶凿藻则憎葬贼藻则 增藻澡蚤糟造藻咱 允暂援 陨耘耘耘 允 韵糟藻葬灶 耘灶早袁 圆园员园袁 猿缘渊源冤 院 苑苑怨鄄苑愿源援 咱愿暂悦匀耘晕 宰 匀援 阅蚤泽贼怎则遭葬灶糟藻 燥遭泽藻则增藻则 遭葬泽藻凿 糟燥灶贼则燥造 枣燥则 灶燥灶造蚤灶鄄 藻葬则 泽赠泽贼藻皂泽 咱 允 暂援 陨耘耘耘 辕 粤杂酝耘 栽则葬灶泽 燥灶 酝藻糟澡葬贼则燥灶蚤糟泽袁 圆园园源袁 怨渊源冤 院 苑园远鄄苑员园援 咱怨暂胡慧袁刘国荣援 基于神经网络干扰观测器的一类不确定 非线性 酝陨酝韵 系统 匀肄 跟踪控制咱允暂援 控制与决策袁圆园园怨袁 圆源渊猿冤 院 源远愿鄄源苑员援 匀哉 匀怎蚤袁 蕴陨哉 郧怎燥则燥灶早援 匀肄 贼则葬糟噪蚤灶早 糟燥灶贼则燥造 燥枣 葬 糟造葬泽泽 燥枣 怎灶鄄 糟藻则贼葬蚤灶 灶燥灶造蚤灶藻葬则 酝陨酝韵 泽赠泽贼藻皂泽 遭葬泽藻凿 燥灶 灶藻怎则葬造 灶藻贼憎燥则噪 凿蚤泽贼怎则遭葬灶糟藻 燥遭泽藻则增藻则 咱 允暂援 悦燥灶贼则燥造 葬灶凿 阅藻糟蚤泽蚤燥灶袁 圆园园怨袁 圆源 渊猿冤 院 源远愿鄄源苑员援 咱员园暂尹正男袁苏剑波袁刘艳涛援 基于 匀肄 范数优化的干扰观测 器的鲁棒设计咱允暂援 自动化学报袁 圆园员员袁 猿苑 渊 猿冤 院 猿猿员鄄 猿源员援 再陨晕 在澡藻灶早灶葬灶袁 杂哉 允蚤葬灶遭燥袁 蕴陨哉 再葬灶贼葬燥援 阅藻泽蚤早灶 燥枣 凿蚤泽贼怎则遭鄄 葬灶糟藻 燥遭泽藻则增藻则 憎蚤贼澡 则燥遭怎泽贼 责藻则枣燥则皂葬灶糟藻 遭葬泽藻凿 燥灶 匀肄 灶燥则皂 燥责贼蚤皂蚤扎葬贼蚤燥灶咱 允暂援 粤糟贼葬 粤怎贼燥皂葬贼蚤糟葬 杂蚤灶蚤糟葬袁 圆园员员袁 猿苑渊 猿冤 院 猿猿员鄄猿源员援 咱员员暂李殿璞援 船舶运动与建模咱酝暂援 北京院国防工业出版社袁 圆园园愿院 员源鄄员远援 咱员圆暂金鸿章援船舶控制原理咱酝暂援 哈尔滨院 哈尔滨工程大学 出版社袁 圆园园员院 员愿鄄圆源援 作者简介院 徐大伟袁男袁 员怨远怨 年生袁高级工程 师袁主要研究方向为水下航行器的控制 与仿真袁发表学术论文 圆园 余篇遥 吴迪袁男袁员怨愿愿 年生袁博士研究生袁 主要研究方向为水下航行器的控制技 术袁发表学术论文 缘 篇遥 侯恕萍袁女袁员怨苑圆 年生袁副教授袁博 士袁主要研究方向为水下特种作业技术 与装备尧水下机器人智能控制与对接技 术袁发表学术论文 圆园 余篇援 窑源员圆窑 智 能 系 统 学 报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 第 怨 卷