·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