本發(fā)明涉及的是一種水下航行器控制方法，具體地說是一種auv橫推低速無輸出情況下的運動控制方法。

背景技術(shù)：

隨著海洋開發(fā)的不斷深入，智能水下航行器(auv)越來越以其體積小，運動靈活，能夠自主作業(yè)的優(yōu)點而備受親睞，其已經(jīng)成為海洋開發(fā)的重要工具。水下航行器要到達指定位置執(zhí)行特定任務，必須對其進行精準的控制。在實際的控制系統(tǒng)中，由于組成元器件的物理性能的限制，執(zhí)行器通常會出現(xiàn)死區(qū)現(xiàn)象，即執(zhí)行機構(gòu)在低速時無輸出，在auv航向控制中其橫推低速無輸出現(xiàn)象較明顯。并且隨著生產(chǎn)過程中工作條件和環(huán)境的變化而發(fā)生變化，使得推進器存在的死區(qū)參數(shù)是時變的，死區(qū)的存在造成控制系統(tǒng)性能嚴重下降。

目前現(xiàn)有的針對推進器低速無輸出情況下的運動控制方法，是對推進器的非線性約束進行準確建?；蚪乒烙?，從而建立補償器，提高控制精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種響應速度快，方便高效的auv橫推低速無輸出情況下的運動控制方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

(1)螺旋槳敞水試驗獲得推進器推力曲線，

取系列特征轉(zhuǎn)速，測試推進器在每一轉(zhuǎn)速下的推力，建立推力與轉(zhuǎn)速對應關(guān)系，確定推進器有輸出情況下的轉(zhuǎn)速區(qū)間；

(2)在步驟(1)確定的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，模糊控制器根據(jù)艏向偏差及艏向偏差變化率求得所需轉(zhuǎn)速，具體包括：

利用磁羅經(jīng)測得的實際艏向與目標艏向作差獲得艏向偏差，差分獲得偏差變化率，通過設定的模糊化規(guī)則對艏向偏差及偏差變化率進行模糊化處理獲得所需的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；

(3)將艏向偏差和偏差變化率輸入pid控制器，求得推進器以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速工作的時間間隔，

推進器以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速工作，其中穩(wěn)定轉(zhuǎn)速由步驟(2)模糊控制器求得，當工作時間達到所求的時間間隔時，推進器轉(zhuǎn)速置零，進入下一控制節(jié)拍，轉(zhuǎn)到步驟(2)，最終auv到達目標艏向。

本發(fā)明還可以包括：

1、模糊控制器獲得所需的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速np論域的選取參考敞水實驗實測散點值及其變化趨勢，所述的模糊控制器的輸入輸出隸屬度函數(shù)取為三角隸屬度函數(shù)，所述的模糊控制器的解模糊方法采用重心法。

2、控制器輸出為確定推進器轉(zhuǎn)速及工作時間的階躍輸出，將艏向偏差ψe、偏差變化率輸入pid控制器，求得推進器以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速工作的時間間隔，

u(t)＝npt0＜t＜t0+t

式中：kp,ki,kd為pid控制器參數(shù)，t0為上一控制節(jié)拍結(jié)束時間。

本發(fā)明提供了一種auv橫推低速無輸出情況下的運動控制方法，針對橫向推進器低速無輸出現(xiàn)象，設計一種確定轉(zhuǎn)速下的時間控制方法。首先是螺旋槳敞水試驗獲得推進器推力曲線，從而確定推進器有輸出情況下的轉(zhuǎn)速區(qū)間。然后是模糊控制器根據(jù)艏向偏差及艏向偏差變化率求得所需轉(zhuǎn)速，所需轉(zhuǎn)速包含在敞水實驗所得轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)。最后是將艏向偏差和偏差變化率輸入pid控制器，求得推進器以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速工作的時間間隔。推進器在給定的時間間隔內(nèi)以確定轉(zhuǎn)速工作，驅(qū)動auv到達目標艏向。

本發(fā)明直接從準確轉(zhuǎn)速推力關(guān)系出發(fā)，建立確定轉(zhuǎn)速下的時間控制器，縮短了調(diào)節(jié)時間，提高了響應速度，與傳統(tǒng)的考慮推進器非線性約束的控制方法相比，方便高效。

本發(fā)明的有益效果為：

1.本發(fā)明方便高效，無需對推進器的非線性約束進行準確建?；蚪乒烙?，直接從準確轉(zhuǎn)速推力關(guān)系出發(fā)，建立確定轉(zhuǎn)速下的時間控制器，縮短調(diào)節(jié)時間，提高響應速度。

2.本發(fā)明充分利用測試獲得的準確數(shù)據(jù)，并考慮了推力曲線曲率變化，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的選取準確可靠。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明的推進器推力曲線圖；

圖3是本發(fā)明模糊控制器結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本發(fā)明的控制器輸出調(diào)整流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述：

結(jié)合圖1，本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括目標艏向輸入、推力曲線、磁羅經(jīng)、模糊控制器、pid控制器、推進器、auv載體。本發(fā)明結(jié)合模糊控制器和pid控制器，提出了一種確定推進器轉(zhuǎn)速及工作時間的階躍輸出控制方法?？刂破鬏敵隽繛榇_定推進器轉(zhuǎn)速及工作時間的階躍輸出，即在給定的時間間隔內(nèi)，推進器以所需轉(zhuǎn)速工作。進行auv航向控制時，磁羅經(jīng)測得auv當前艏向ψ，目標艏向ψd由上位機下達，根據(jù)當前艏向與目標艏向獲得艏向偏差ψe，差分得偏差變化率其中模糊控制器通過對偏差ψe和偏差變化率進行模糊處理，將兩個精確量變成模糊量，然后再根據(jù)模糊控制規(guī)則進行模糊決策，得到需要輸出的模糊轉(zhuǎn)速，最后進行解模糊化處理，得到精確的輸出穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。pid控制器將艏向偏差ψe和偏差變化率代入pid控制律得到推進器在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下持續(xù)工作時間間隔t，推進器根據(jù)控制器輸出u(t)在給定的時間間隔內(nèi)以確定轉(zhuǎn)速工作，產(chǎn)生推力τ(t)驅(qū)動auv到達目標艏向。

本發(fā)明的方法主要包括：

(1)螺旋槳敞水試驗獲得推進器推力曲線，取系列特征轉(zhuǎn)速，測試推進器在每一轉(zhuǎn)速下的推力，建立推力與轉(zhuǎn)速對應關(guān)系，從而確定了推進器有輸出情況下的轉(zhuǎn)速區(qū)間。

(2)在步驟一確定的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，模糊控制器根據(jù)艏向偏差及艏向偏差變化率求得所需轉(zhuǎn)速。具體為：利用磁羅經(jīng)測得的實際艏向與目標艏向作差獲得艏向偏差，差分獲得偏差變化率，通過設定的模糊化規(guī)則對艏向偏差及偏差變化率進行模糊化處理獲得所需的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

(3)將艏向偏差和偏差變化率輸入pid控制器，求得推進器以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速工作的時間間隔。推進器以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速工作，其中穩(wěn)定轉(zhuǎn)速由步驟二模糊控制器求得，當工作時間達到所求的時間間隔時，推進器轉(zhuǎn)速置零，進入下一控制節(jié)拍，轉(zhuǎn)到步驟二，最終auv到達目標艏向。

進一步的，模糊控制器所求穩(wěn)定轉(zhuǎn)速np論域的選取參考敞水實驗實測散點值及其變化趨勢，保證最有效利用實測數(shù)據(jù)。實際工作時，模糊控制器根據(jù)艏向偏差及艏向偏差變化率求得所需轉(zhuǎn)速。所述的模糊控制器的輸入輸出隸屬度函數(shù)取為三角隸屬度函數(shù)，所述的模糊控制器的解模糊方法采用重心法。

進一步的，控制器輸出為確定推進器轉(zhuǎn)速及工作時間的階躍輸出。將艏向偏差ψe、偏差變化率輸入pid控制器，求得推進器以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速工作的時間間隔，其中穩(wěn)定轉(zhuǎn)速np由模糊控制器求得。

u(t)＝npt0＜t＜t0+t

式中：kp,ki,kd為pid控制器參數(shù)，t0為上一控制節(jié)拍結(jié)束時間。

本發(fā)明的詳細實現(xiàn)方法為：

1.螺旋槳敞水試驗獲得推進器推力曲線，取系列特征轉(zhuǎn)速，測試推進器在每一轉(zhuǎn)速下的推力，建立推力與轉(zhuǎn)速對應關(guān)系，從而確定推進器有輸出情況下的轉(zhuǎn)速區(qū)間。

tf＝f(n1,n2,n3…nm)

式中：tf表示推進器推力，n1…nm為所選特征轉(zhuǎn)速。

2.在步驟一確定的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，模糊控制器根據(jù)艏向偏差及艏向偏差變化率求得所需轉(zhuǎn)速。具體為：磁羅經(jīng)測得auv當前艏向ψ，目標艏向ψd由上位機下達，根據(jù)當前艏向與目標艏向獲得艏向偏差ψe，差分得偏差變化率假設艏向偏差ψe的論域為x，其對應的模糊論域為a＝{-2，-1，0，1，2}，模糊子集為{nb，ns，zo，ps，pb}.假設艏向偏差的論域為y，其對應的模糊論域為b＝{-2，-1，0，1，2}，模糊子集為{nb，ns，zo，ps，pb}。假設輸出量轉(zhuǎn)速np的模糊論域和模糊子集分別為c＝{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}和{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}。

模糊控制器的輸入輸出隸屬度函數(shù)取為三角隸屬度函數(shù)。

模糊if-then規(guī)則可寫成：

所述的模糊控制器的解模糊化方法采用重心法，解模糊得推進器所需轉(zhuǎn)速。

模糊控制器所求穩(wěn)定轉(zhuǎn)速np論域的選取參考敞水實驗實測散點值及其變化趨勢。

3.將艏向偏差ψe、偏差變化率輸入pid控制器，求得推進器以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速工作的時間間隔，其中穩(wěn)定轉(zhuǎn)速np由模糊控制器求得。推進器以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速工作，當工作時間達到所求的時間間隔時，推進器轉(zhuǎn)速置零，進入下一控制節(jié)拍，轉(zhuǎn)到步驟二。

u(t)＝npt0＜t＜t0+t

式中：kp,ki,kd為pid控制器參數(shù)，t0為上一控制節(jié)拍結(jié)束時間。

推進器根據(jù)控制器輸出u(t)在給定的時間間隔內(nèi)以確定轉(zhuǎn)速工作，產(chǎn)生推力τ(t)驅(qū)動auv到達目標艏向。

如圖2所示為螺旋槳敞水實驗測試所得轉(zhuǎn)速推力曲線圖。通過此圖可確定推進器有輸出情況下的轉(zhuǎn)速區(qū)間。

圖3表述了本發(fā)明的模糊控制器結(jié)構(gòu)。具體實現(xiàn)步驟如下：

(1)通過模糊化接口，對輸入的磁羅經(jīng)實際艏向與設定的目標艏向的偏差ψe和偏差變化率進行模糊處理，將兩個精確量變成模糊量。

(2)推理機根據(jù)模糊控制規(guī)則庫中的模糊控制規(guī)則進行模糊決策，得到需要輸出的模糊轉(zhuǎn)速。

(3)解模糊化接口進行解模糊化處理，得到所需穩(wěn)定轉(zhuǎn)速輸出。

圖4表述了本發(fā)明的控制器輸出調(diào)整流程圖。具體實現(xiàn)步驟如下：

(1)初始化：t＝t0，n＝0。

(2)獲得模糊控制器輸出穩(wěn)定轉(zhuǎn)速np及pid控制器輸出推進器工作時間間隔t，推進器以轉(zhuǎn)速np工作，時間加一，t＝t0+1。

(3)時間判斷，若t＞t0+t不成立，推進器繼續(xù)以轉(zhuǎn)速np運轉(zhuǎn)，若成立，t0＝t0+t，進入下一控制節(jié)拍。