[发明专利]水下航行器艏艉联合操舵深度控制策略及其PID控制器

说明书

本发明公开了一种水下航行器艏艉联合操舵深度控制策略及其PID控制器，属于自动控制领域。本发明针对采用艏舵和艉舵对水下航行器进行深度控制时深度通道和纵倾通道存在的强非线性耦合问题，提出基于非线性耦合特性的艏艉联合操舵控制策略，充分考虑了艏舵和艉舵之间的强非线性耦合特性，首先提取出深度通道的艏舵、艉舵联合控制律与纵倾通道的艏舵、艉舵联合控制律，然后建立耦合方程组，最后，求解耦合方程组得到艏舵和艉舵各自的控制律，实现同时具有艏舵和艉舵的水下航行器深度控制。本发明从理论上解决了艏舵和艉舵在控制深度时深度通道和纵倾通道存在的强非线性耦合问题，使设计出的控制器更加接近工程实际，并具有更加优良的控制效果。

技术领域

本发明属于自动控制领域，更具体地，涉及一种针对同时具有艏舵和艉舵的水下航行器深度控制的艏艉联合操舵控制策略及其PID控制器。

背景技术

水下航行器作为探索海洋的有力工具如今越来越受到人们的重视，现如今已逐渐成为智能航行器领域的重要分支，在水文测量、油气勘测、光缆巡检、隐蔽侦察等军民领域发挥着重要的作用。水下航行器的深度控制是其完成各项任务的重要基础，在深度控制中，操舵策略作为一个重点内容近年来一直是业内人士的研究热点，不少学者也提出了各种不同的操舵策略用于水下航行器垂直面的深度控制，典型的有：单艏舵操舵、单艉舵操舵以及艏舵控制深度、艉舵控制纵倾的艏艉分别操舵等操舵策略。这些操舵策略在工程上也有着广泛的应用，但是由于普遍都忽略了艏舵和艉舵在控制深度时深度通道和纵倾通道存在的强非线性耦合问题，因此，在工程应用中的控制效果往往差强人意，这就导致了水下航行器的应用范围大大受限。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种针对同时具有艏舵(艏水平舵，下同)和艉舵(艉水平舵，下同)的水下航行器深度控制的操舵策略，其目的在于，通过充分考虑艏舵和艉舵之间的强非线性耦合特性，实现同时具有艏舵和艉舵的水下航行器深度控制，由此解决现有技术因忽略强非线性耦合问题导致水下航行器的应用范围大大受限的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种水下航行器艏艉联合操舵深度控制策略，基于水下航行器运动学和动力学模型，提取出深度通道的艏舵、艉舵联合控制律和纵倾通道的艏舵、艉舵联合控制律，并将两者相结合，建立耦合方程组，求解出艏舵和艉舵各自的控制律。

进一步地，在同时具有艏舵和艉舵的水下航行器三维空间模型的基础上，通过引入约束条件得到水下航行器在垂直面的深度控制模型，约束条件如下：

(1)假定水下航行器的纵向速度恒定；

(2)水下航行器的横摇较小忽略不计，航向角恒定；

(3)忽略影响较小的非线性项；

(4)忽略舵角的平方项。

进一步地，基于约束条件对水下航行器的三维空间运动学和动力学模型进行简化，得到垂直面的状态方程，此状态方程为耦合方程组，通过对其求解，得到艏舵和艉舵各自的控制率。

进一步地，水下航行器在垂直面的简化模型如下：

其中，z为水下航行器深度，θ为纵倾角，u,w分别为纵向速度和垂向速度，q为纵倾角速度，δ_b,δ_s分别为艏舵和艉舵舵角，b_wb,b_ws,b_qb,b_qs是由水下航行器自身属性决定的常量系数，f_w,f_q是由水下航行器自身属性以及航行状态决定的变量，可以根据水下航行器的航行状态实时确定。

进一步地，水下航行器的状态方程如公式(2)(3)所示：