一种基于T-S模型和PDC的UUV垂直面运动H∞控制方法技术

本发明专利技术属于水下运动体控制技术领域，具体涉及一种基于T‑S模型和PDC的UUV垂直面运动H∞控制方法。本发明专利技术包括建立UUV垂直面运动模型，包括UUV深度控制模型和UUV纵倾控制模型；利用T‑S模型对UUV的深度及纵倾系统进行建模；基于并行分布补偿PDC方法设计H∞控制器；运用深度‑纵倾协调控制变深的方法控制UUV的下潜，以保证纵倾角满足设计要求。通过建立基于T‑S模型的UUV的深度及纵倾模型，并且基于并行分布补偿(PDC)方法设计垂直面运动H∞控制器，利用深度‑纵倾协调控制变深的方法控制UUV的下潜，解决UUV下潜过程中纵倾角过大的问题，以保证UUV作业的安全性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水下运动体控制
，具体涉及一种基于T-S模型和PDC的UUV垂直面运动H∞控制方法。
技术介绍
无人水下航行器(UnmannedUnderwaterVehicle，UUV)是一种基于高新技术的小型水下自航载体，可以通过遥控或者自主操作的方式完成特定的水下作业任务。利用UUV可以进行深海勘探，海洋资源开发，沉船打捞以及军事上的港口战术侦查等任务。垂直面运动虽然是UUV空间运动的一个特殊情形，但却是其完成使命任务的关键，对UUV垂直面运动控制问题的研究在理论研究与工程实践方面都有着重要的意义。UUV的运动具有严重的非线性，而且航速经常需要改变。随着UUV智能化和控制精度要求以及对外界干扰抑制能力要求的提高，UUV运动控制技术也面临着巨大的挑战，一些经典的控制算法由于自身的局限性已不能满足对UUV的高精度控制。文献《基于LMI的H∞滤波器在UUV纵倾控制中的应用》(中国造船,2013年,第54卷第4期)基于LMI方法为UUV的纵倾控制系统设计了一个最优鲁棒H∞滤波器，然后，利用特殊的双线性变换方法解决了UUV纵倾控制系统方程的虚轴上存在极点不满足滤波器设计条件的问题。最后将设计的鲁棒H∞滤波器应用于UUV纵倾控制系统，然而文献并没有建立具体的UUV垂直面的T-S模型，而是通过滤波器的鲁棒性来解决纵倾控制问题，本专利技术采取的控制方法与其有着本质的区别。文献《潜器垂直面运动的综合控制技术研究》(哈尔滨工程大学硕士学位论文,2008.)研究了UUV下潜过程中纵倾角过大的问题，并利用滑模变结构控制器在UUV下潜过程中加入纵倾角判断模块，用以实现对下潜过程中纵倾角的限制，但未对深度和纵倾的控制进行协调切换，本专利技术采用H∞深度控制器对UUV的深度进行控制，同时加入纵倾角判断模块，实现了深度控制和纵倾控制的切换，可以对UUV下潜过程的深度-纵倾进行协调控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种能够在UUV处于变航速及受到海流干扰的情况下，对UUV垂直面的运动进行控制的基于T-S模型和PDC的UUV垂直面运动H∞控制方法。本专利技术的目的是这样实现的：(1)建立UUV垂直面运动模型，包括UUV深度控制模型和UUV纵倾控制模型；UUV垂直面运动模型为垂向方程： m [ w · - u q + v p - z G ( p 2 + q 2 ) + x G ( r p - q · ) + y G ( r q + p · ) ] = ( W - B ) cos θ cos φ + Z p r o p + 1 2 ρL 4 [ Z q · ′ q · +Z p p ′ p 2 + Z r r ′ r 2 + 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于T‑S模型和PDC的UUV垂直面运动H∞控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立UUV垂直面运动模型，包括UUV深度控制模型和UUV纵倾控制模型；UUV垂直面运动模型为垂向方程：m[w·-uq+vp-zG(p2+q2)+xG(rp-q·)+yG(rq+p·)]=(W-B)cosθcosφ+Zprop+12ρL4[Zq·′q·+Zpp′p2+Zrr′r2+Zrp′rp+Zq|q|′q|q|]+12ρL3[Zw·′w·+Zuq′uq+Zvr′vr+Zvp′vp+Zw|q|′w|w||(v2+w2)12||q|]+12ρL2[Z0′u2+Zuw′uw+Zu|w|′u|w|+Zw|w|′w|(v2+w2)12|+Zww′|w(v2+w2)12|+Zvv′v2]+12ρL3Z|q|δs′u|q|δs+12ρL2Zδs′u2δs;]]>纵倾方程：Jyxp·+Jyq·+Jyzr·+(Jxp+Jxyq+Jxzr)r-(Jzxp+Jzyq+Jzr)p+m[zG(u·-vr+wq)-xG(w·-uq+vp)]=-(xGW-xBB)cosθcosφ-(zGW-zBB)sinθ+Mprop+12ρL5[Mq·′q·+Mpp′p2+Mq|q|′q|q|+Mrr′r2+Mpr′pr]+12ρL4[Mw·′w·+Muq′uq+Mvr′vr+Mvp′vp+Mw|q|′|(v2+w2)12|q]+12ρL3[Muu′u2+Mvv′v2+Muv′uv+Muw′vw+Mu|w|′u|w|+Mw|w|′w(v2+w2)12+Mww′|w|(v2+w2)12]+12ρL4Mu|q|δs′u|q|δs+12ρL3Mδs′u2δs;]]>姿态方程：φ·=p+q sinφtanθ+r cosφtanθθ·=q cosφ-r sinφψ·=q sinφ/cosθ+r cosφ/cosθ;]]>运动关系式：ξ·=u cosψcosθ+v(cosψsinθsinφ-sinψcosφ)+w(cosψsinθcosφ+sinψsinφ)η·=u sinψcosθ+v(sinψsinθsinφ+cosψcosφ)+w(sinψsinθcosφ-cosψsinφ)ζ·=-u sinθ+v cosθsinφ+w cosθcosφ;]]>式中，m为UUV质量；L为UUV的长度；ρ为海水密度；B为UUV所受的浮力；u、v、w为UUV纵向、横向和垂向分速度；q、p、r为UUV纵倾、横倾和垂向角速度；x、y、z为UUV纵荡、横荡和垂荡位移；xG、yG、zG为UUV纵向、横向和垂向重心；为UUV横摇角、θ为UUV纵倾角、ψ为UUV艏摇角；δs为水平舵舵角；X、Y、Z为UUV纵向、横向和垂向作用力；K、M、N为UUV纵向、横向和垂向...

【技术特征摘要】
1.一种基于T-S模型和PDC的UUV垂直面运动H∞控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立UUV垂直面运动模型，包括UUV深度控制模型和UUV纵倾控制模型；UUV垂直面运动模型为垂向方程： m [ w · - u q + v p - z G ( p 2 + q 2 ) + x G ( r p - q · ) + y G ( r q + p · ) ] = ( W - B ) cos θ cos φ + Z p r o p + 1 2 ρL 4 [ Z q · ′ q · + Z p p ′ p 2 + Z r r ′ r 2 + Z r p ′ r p + Z q | q | ′ q | q | ] + 1 2 ρL 3 [ Z w · ′ w · + Z u q ′ u q + Z v r ′ v r + Z v p ′ v p + Z w | q | ′ w | w | | ( v 2 + w 2 ) 1 2 | | q | ] + 1 2 ρL 2 [ Z 0 ′ u 2 + Z u w ′ u w + Z u | w | ′ u | w | + Z w | w | ′ w | ( v 2 + w 2 ) 1 2 | + Z w w ′ | w ( v 2 + w 2 ) 1 2 | + Z v v ′ v 2 ] + 1 2 ρL 3 Z | q | δ s ′ u | q | δ s + 1 2 ρL 2 Z δ s ′ u 2 δ s ; ]]>纵倾方程： J y x p · + J y q · + J y z r · + ( J x p + J x y q + J x z r ) r - ( J z x p + J z y q + J z r ) p + m [ z G ( u · - v r + w q ) - x G ( w · - u q + v p ) ] = - ( x G W - x B B ) cos θ cos φ - ( z G W - z B B ) sin θ + M p r o p + 1 2 ρL 5 [ M q · ′ q · + M p p ′ p 2 + M q | q | ′ q | q | + M r r ′ r 2 + M p r ′ p r ] + 1 2 ρL 4 [ M w · ′ w · + M u q ′ u q + M v r ′ v r + M v p ′ v p + M w | q | ′ | ( v 2 + w 2 ) 1 2 | q ] + 1 2 ρL 3 [ M u u ′ u 2 + M v v ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勋，李昀澄，凌飞，周佳加，陈涛，张宏瀚，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23