施小成, 陳 江, 嚴(yán)浙平

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基于自抗擾方法的UUV近水面垂直面運(yùn)動(dòng)控制

施小成, 陳 江, 嚴(yán)浙平

(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱, 150001)

無人水下航行器(UUV)在近水面航行時(shí), 受到海浪、噪聲等干擾的影響較大, 尤其是垂直面方向, 為滿足UUV在近水面潛伏作戰(zhàn)的需求, 研究了基于自抗擾控制方法(ADRC)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。該技術(shù)抗干擾能力強(qiáng), 能將來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的擾動(dòng)都?xì)w結(jié)為系統(tǒng)的總擾動(dòng), 并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)同時(shí)給予相應(yīng)的擾動(dòng)補(bǔ)償, 運(yùn)用此方法設(shè)計(jì)了UUV垂直面控制器并分析了其抗擾性能, 以解決海洋環(huán)境下UUV近水面垂直面運(yùn)動(dòng)的控制擾動(dòng)問題。仿真結(jié)果表明, 所設(shè)計(jì)的UUV垂直面自抗擾控制器能有效抑制海浪的干擾, 降低艉升降舵的抖振現(xiàn)象, 具有較好的控制效果和抗擾性能。

無人水下航行器; 垂直面運(yùn)動(dòng); 自抗擾控制器; 艉升降舵; 抖振現(xiàn)象

0 引言

無人水下航行器（unmanned underwater vehicle，UUV）在近水面航行時(shí)常會(huì)受到海浪、海流等的擾動(dòng), 造成UUV操舵頻繁且舵幅較高, 經(jīng)典比例-積分-微分（proportional integral derivative,PID）控制器雖然是UUV控制的常用方法之一, 但是隨著UUV的發(fā)展和對(duì)控制精度和速度的要求以及對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力的要求越來越高, PID控制慢慢顯露出其局限性。中國科學(xué)院系統(tǒng)科學(xué)研究所韓京清研究員將現(xiàn)代理論對(duì)控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和現(xiàn)代的信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合, 汲取經(jīng)典PID的思想精華, 提出了一種新型的實(shí)用控制技術(shù)——自抗擾控制技術(shù)(active disturbance rejection controller，ADRC)[1]。自抗擾控制器是對(duì)經(jīng)典PID控制器結(jié)構(gòu)方面的缺陷做進(jìn)一步改進(jìn), 它利用特殊的非線性效應(yīng), 結(jié)合實(shí)際的非線性工程算法, 是一種自動(dòng)補(bǔ)償對(duì)象模型的新型控制器。這種估計(jì)擾動(dòng)并給予相應(yīng)補(bǔ)償?shù)哪芰? 對(duì)于解決UUV在運(yùn)動(dòng)控制中遇到的各種擾動(dòng)問題具有一定的適應(yīng)性[2]。

自抗擾控制器主要由跟蹤微分器(tracking differentiator, TD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(extended state observer, ESO)、非線性誤差反饋(nonlinear error feedback, NEF) 3部分組成。對(duì)于跟蹤微分器[3], 它能以任意精度跟蹤給定信號(hào), 合理提取連續(xù)信號(hào), 并給出其微分信號(hào), 從而抑制UUV在信號(hào)傳輸時(shí)的噪聲干擾。對(duì)于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器[4], 它能起到實(shí)時(shí)跟蹤并估計(jì)擾動(dòng)的作用, 它的存在提高了控制器的抗干擾性和魯棒性。對(duì)于狀態(tài)誤差的反饋形式則通過線性或非線性函數(shù)把相應(yīng)誤差量進(jìn)行組合[5], 產(chǎn)生一個(gè)控制量傳遞給被控對(duì)象, 提高了控制器的適應(yīng)性。本文通過對(duì)自抗擾方法的研究及對(duì)自抗擾控制器抗擾性的分析計(jì)算, 設(shè)計(jì)了適用于UUV在近水面航行時(shí)控制效果和抗擾性能較高的垂直面控制器, 以滿足控制指標(biāo)及工程需求。

1 UUV海試中垂直面控制性能

圖1 近水面定深航行曲線

圖2 PID控制的艉升降舵舵角變化曲線

圖3 縱傾角隨動(dòng)變化曲線

UUV在近水面受到的波浪力其均值不為零, 除了振蕩性質(zhì)的力外還有定常力的成分, 對(duì)UUV垂直面運(yùn)動(dòng)影響最大的是水表面的垂向力和力矩, 即吸波力也稱2階波浪力, 它隨航行深度的減小而增大, 因此給UUV下潛時(shí)的深度保持造成困難, 使UUV有向水面拋甩的趨勢(shì)。從圖1看, UUV下潛到0.2 m時(shí)出現(xiàn)上浮現(xiàn)象, 到達(dá)指令深度后深度仍在振蕩, 估計(jì)是受到2階波浪力的影響。UUV在波浪力作用下作近水面運(yùn)動(dòng)時(shí), 由于波動(dòng)壓力作用于艇體, 又由于次波面為等壓力面且傾斜于艇體, 使得艇體所受的壓力不對(duì)稱, 從而產(chǎn)生幅值較大的波浪繞動(dòng)力和力矩, 即通常所說的1階波浪力, 它是一種高頻周期力, 以波形相同的頻率作振蕩, 因其頻率太高, 升降舵無法產(chǎn)生有效的控制作用去克服, 只能通過升降舵保持UUV的平均深度。故從圖2看, 升降舵的頻繁操舵估計(jì)是受其影響。深度在指令深度附近周期振蕩, 也就造成縱傾角的不斷振蕩, 從圖3看, 還有一些高頻分量, 估計(jì)是由一些短峰波海浪等紊流干擾造成。另外, 從控制器方面考慮, 通過PID的控制作用, 控制器輸出的升降舵指令信號(hào)對(duì)縱傾誤差具有一定信號(hào)放大作用, 在海情較差時(shí), PID控制器的控制效果存在一定局限性。

綜上所述, 從海試數(shù)據(jù)可以看出, UUV在近水面航行時(shí), 所受海浪干擾影響較大, PID控制器的控制效果一般, 有尋求抗干擾能力更強(qiáng)的控制器的必要[6]。

2 基于ADRC的控制方法

2.1 UUV垂直面運(yùn)動(dòng)模型

本文研究對(duì)象UUV為扁平流線型, 其結(jié)構(gòu)如圖4所示。艇體艉部安裝有一副艉升降舵, 一對(duì)艉方向舵和一左一右2個(gè)主推進(jìn)器。

圖4 UUV結(jié)構(gòu)示意圖

縱傾方程

垂向方程

隨機(jī)海浪設(shè)為定點(diǎn)長峰波海浪, 見式(5), 譜密度采用國際可用拖曳水池會(huì)議（international towing tank conference, ITTC）推薦的單參數(shù)波譜來描繪, 即P-M譜, 見式(6)。

2.2 UUV垂直面自抗擾控制器

按照分離性原理思想, 將自抗擾控制器分成TD、ESO、NEF 這3個(gè)獨(dú)立的組成部分來進(jìn)行設(shè)計(jì), 然后再組合起來成為一個(gè)完整的自抗擾控制器。將式(1)~ (4)改寫為方程組

將式(7)寫為

根據(jù)自抗擾控制理論, 采用2階自抗擾控制器進(jìn)行設(shè)計(jì), 2階自抗擾控制器的具體算法為

圖5 自抗擾控制器結(jié)構(gòu)圖

3 仿真試驗(yàn)及驗(yàn)證

UUV在自抗擾控制器控制下完成近水面(0.5 m水深)海浪干擾環(huán)境下的定深航行試驗(yàn)。為評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)控制器的性能, 以PID控制器的仿真數(shù)據(jù)加以比對(duì)。ADRC控制與PID控制動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)比較見表1。仿真結(jié)果如圖6~圖9。

表1 ADRC控制與PID控制動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)比較

圖6 海浪干擾下近水面航行曲線

圖7 ADRC控制與PID控制的艉升降舵舵角變化曲線

圖8 ADRC控制與PID控制的縱傾角隨動(dòng)變化曲線

圖9 定點(diǎn)長峰波隨機(jī)海浪

從仿真曲線可以看出, 在近水面海浪干擾的影響下, ADRC控制器和PID控制器均采用原參數(shù)情況時(shí), 在200 s的仿真時(shí)間內(nèi), ADRC控制和PID控制均能實(shí)現(xiàn)指令的深度變化, PID控制的上升時(shí)間雖略小于自抗擾控制, 但其調(diào)節(jié)時(shí)間較長, 到達(dá)指令深度后仍有小幅振蕩, 從艉升降舵的控制品質(zhì)看, 無論是舵頻還是舵的幅度, 自抗擾控制方式均小的多, UUV的縱傾角變化也更平穩(wěn)。與海試曲線圖1~圖3相比, 由于自抗擾控制器自身具有對(duì)擾動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償?shù)哪芰? 其抗干擾性明顯強(qiáng)于PID控制器, 控制效果略勝一籌。

4 結(jié)束語

本文分析了UUV在海試中近水面航行時(shí)垂直面控制性能上存在的部分問題, 通過對(duì)其研究, 引入自抗擾方法, 分析了自抗擾控制器的抗擾性能, 總結(jié)了其參數(shù)對(duì)自抗擾控制器抗擾性的影響及整定規(guī)律, 設(shè)計(jì)了UUV垂直面自抗擾控制器以解決UUV近水面運(yùn)動(dòng)過程中外界擾動(dòng)的影響。在海浪干擾下進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn), 證明了該方法的有效性, 與PID控制器相比具有較好的控制品質(zhì)及抗干擾性能。此控制技術(shù)能有效抑制海浪的干擾, 降低艉升降舵的抖振現(xiàn)象, 可提高UUV在近水面航行時(shí)的控制性能。本文的研究成果對(duì)于將自抗擾方法應(yīng)用于實(shí)際工程中, 滿足作戰(zhàn)需求, 如潛艇近水面潛伏作戰(zhàn)等, 改善UUV垂直面運(yùn)動(dòng)控制效果, 具有重要的參考價(jià)值。

[1] 韓京清. 從PID技術(shù)到自抗擾控制技術(shù)[J]. 控制工程, 2002, 9(3): 13-18, 15-16. Han Jing-qing. From PID Technique to Active Disturbances Rejection Control Technique[J]. Control Engineering of China, 2002,9(3): 15-16.

[2] 韓京清. 自抗擾控制器及其應(yīng)用[J]. 控制與決策,1998, 13(1): 19-23. Han Jing-qing. Auto-diturbances-rejection Controller and it′s Applications[J]. Control and Decision, 1998, 13 (1): 19-23.

[3] 黃煥袍, 萬暉, 韓京清. 安排過渡過程是提高閉環(huán)控制系統(tǒng)“魯棒性、適應(yīng)性和穩(wěn)定性”的一種有效方法[J]. 控制理論與應(yīng)用, 2001, 18(z): 89-94. Huang Huan-pao, Wan Hui, Han Jing-qing. Arranging the Transient Process Is an Effective Method Improved the Robustness, Adaptability and Stability of Closed- Loop System[J]. Control Theory & Applications, 2001, 18(z), 89-94.

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VerticalPlane Motion Control of UUV Near Free-surface Based on Active Disturbance Rejection Controller

SHI Xiao-cheng, CHEN Jiang, YAN Zhe-ping

(College of Automation, Harbin Engineering University, Hrbin 150001, China)

Unmanned underwater vehicle (UUV) is influenced by waves and noise, especially in the vertical direction, when it navigates near free-surface. In order to meet latency operation demand of UUV near the free-surface, we discuss a motion control technology based on active disturbance rejection controller (ADRC). This technology has stronger anti-interference capability, can combine the internal and external disturbances into the general disturbance of the system, and gives real-time estimates for the corresponding disturbance compensation. To solve the control disturbance problems of vertical plane motion for UUV near free-surface in ocean environment, we design a vertical plane motion controller of UUV by using this technology, and analyze its anti-disturbance performance. Simulation results show that the designed controller can effectively restrain the interference of waves and reduce the buffeting phenomenon of stern elevator, and has good control effect and anti-disturbance performance.

unmanned underwater vehicle(UUV); vertical plane motion; active disturbance rejection controller (ADRC); stern elevator；buffeting phenomenon

TJ 630.33; TP273

A

1673-1948(2011)03-0209-05

2011-03-07;

2011-05-03.

施小成(1957-), 男, 博士生導(dǎo)師, 教授, 主要從事船舶與潛器的控制方面的研究工作.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)