基于模糊PID的水下滑翔机姿态控制算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于模糊PID的水下滑翔机姿态控制算法。该算法包括：(1)模糊PID控制器原理性设计；(2)模糊PID控制器Matlab中的设计；(3)编写模糊PID控制器控制程序；(4)模糊PID控制器结构框图的搭建；(5)搭建控制系统，运行模糊PID控制器控制程序，实现算法控制。本发明专利技术能够解决姿态角大迟滞和大惯性控制问题、姿态角实时控制参数整定问题、姿态角强耦合控制问题。具有研发周期短，测试周期短，成本低，控制效果优良，缩短姿态角调节时间，降低稳态误差的优点。长远来讲，优良的姿态角控制可以降低电池功耗，增强滑翔机续航能力。

Attitude control algorithm for underwater glider based on fuzzy PID

The invention discloses a method for attitude control of an underwater glider based on fuzzy PID. The algorithm includes: (1) fuzzy PID controller design principle; (2) fuzzy PID controller design in Matlab; (3) preparation of fuzzy PID controller control program; (4) to build a fuzzy PID controller structure diagram; (5) set up the control system, the operation of fuzzy PID controller control program, control algorithm. The invention can solve the problem of large delay and large inertia control of the attitude angle, the real-time control parameter setting of the attitude angle and the strong coupling control of the attitude angle. The utility model has the advantages of short development cycle, short test period, low cost, good control effect, shortening the adjustment time of the attitude angle and reducing the steady-state error. In the long run, good attitude control can reduce battery power consumption, enhance the glider endurance.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于模糊PID的水下滑翔机姿态控制算法。
技术介绍
当今社会，对于海洋全面认知的需求，实现真正了解海洋、服务人类的目的，海洋探索的步伐不断从近海走向远洋，从浅海走向深海，从定点走向空间，不断深入。用于海洋监测、考察和开发的主要工具也从海洋科考船只逐渐转向水下机器人，在海洋工程界通常称为潜水器。海洋探测工具按照历史进程取得了长足发展，其中水下机器人按是否载人分为载人、载人无人两用和无人三种类型。可载人型机器人相对机动灵活，便于处理复杂问题，但需要有复杂的生命保障系统，而且体积庞大，价格昂贵；对于航程长、范围广的考察任务则常选用无人潜水器，也可是无人水下机器人。水下滑翔机作为无人潜水器的一种，航行速度不如螺旋桨推进的水下自主航行器，但它由自身净浮力提供驱动力，具有能耗小、噪音低、续航能力长、制造成本低、可重复利用、投放回收方便等优势，适于大范围长期的海洋立体监测，能够长时间不间断地进行海洋信息的搜集，海洋探测和科研的范围从时间和空间上得到了拓展。水下滑翔机的姿态控制是滑翔机领域内的一个重要研究课题，因为滑翔机所需航行能量来源于其搭载电池组，而电池电量的消耗很大程度上来源于航行姿态，如若有一个很完备的航行姿态控制技术，便可优化航行轨迹，提高航行里程，减少航行电池电量的消耗，从而使得滑翔机有效工作时间更长。现有技术不能对滑翔机的姿态角进行实时控制，并且控制效果并不能很好的满足控制指标。另外，现有技术需要获得较为精确的姿态角传递函数，需要通过大量的试验，分析试验数据得出，成本高，效率低，耗时长。而本项专利技术的主要目的，是为解决现有技术的缺点来提出。另一方面，本项目的研究成果将有助于推动水下滑翔机控制技术向前发展，有助于推动水下机器人技术在我国的应用和推广，打破国外技术封锁和垄断，推动国产海洋仪器的产品化进程，为提升我国海洋开发和应用的技术水平和能力发挥了重要推动作用，为蓝色经济的发展做出贡献。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于模糊PID的水下滑翔机姿态控制算法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是，基于模糊PID的水下滑翔机姿态控制算法，包括以下步骤：(1)模糊PID控制器原理性设计设计模糊PID控制器时首先需要进行模糊化处理和知识库的配置；根据要求设计出死区、饱和区和采样周期；根据PID各个参数对被控系统的影响可以得到：模糊PID控制以系统运行的不同状态为基础，考虑比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd三个参数之间的关联，根据工程实际经验设计模糊控制器整定这三个参数，选择输入变量为误差e和误差变化率ec，相对应的语言变量值取NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB七个模糊值；再选择输出语言变量为Kp、Ki、Kd，相对应的语言变量值也取NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB七个模糊值，并且可对应求出误差因子、误差变化率因子和输出比例因子；然后得出比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd的模糊规则表，其中Δ表示取微分；(2)模糊PID控制器Matlab中的设计基于以上模糊规则表的建立，然后在MATLAB中进行控制器设计，对输入输出结构、隶属度函数及规则库进行配置；该模糊控制器根据条件设置为两输入三输出结构，控制器输入为误差和误差变化率，输出为比例、积分和微分增益；根据经验设置输入输出的隶属度函数都为三角型函数，通过搭建PID控制器系统仿真得出的合理PID参数；于是，误差e范围和误差变化率ec范围便可相应设置；同时设定比例增益Δkp范围，微分增益Δkd和积分增益Δki范围；设置完隶属度函数后，按照上述三个模糊规则表进行模糊规则的配置；按照上述步骤依次设置模糊PID控制器，最后保存控制器设计文件，以便在仿真时调用；(3)编写模糊PID控制器控制程序在完成matlab中控制器设计之后，根据要求编写模糊PID控制器控制程序；(4)搭建控制系统，运行模糊PID控制器控制程序，实现算法控制完成模糊PID控制器控制程序编写后，通过MAILAB/simulink搭建控制系统框图，对姿态角进行控制仿真，并运行模糊PID控制器控制程序，得出仿真结果。作为优选，在步骤(3)中，所述模糊PID控制器控制程序包括以下步骤：(1)系统开启，读取设定的FIS模糊控制系统文件；(2)构造姿态角系统传递函数，并离散化；(3)设置控制系统参数初值、采样周期及控制时间；(4)传入设定姿态角度；(5)进行模糊推理计算，得出新参数；(6)得到PID输出结果与系统姿态角控制结果；(7)计算误差与误差变化率；(8)修改PID比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd；(9)跳转至第(5)步，进行循环控制；(10)在得到期望控制效果或达到设定控制时间后，系统暂停，等待接收下一条控制指令。作为优选，NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB分别代表了相应语言变量值的负大、负中、负小、零、正小、正中、正大共七个模糊值。本专利技术的有益效果是：1.能够解决姿态角大迟滞和大惯性控制问题。2.能够解决姿态角实时控制参数整定问题。3.能够解决姿态角强耦合控制问题。4.研发周期短，测试周期短，成本低。5.控制效果优良，缩短姿态角调节时间，降低稳态误差。6.长远来讲，优良的姿态角控制可以降低电池功耗，增强滑翔机续航能力。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是本专利技术实施例的模糊PID的控制系统框图。图2是本专利技术实施例的模糊控制器配置结果图。图3是本专利技术实施例的模糊PID控制器各参量的隶属度函数配置图。图4是本专利技术实施例的按照三个模糊规则表进行模糊规则的配置图。图5是本专利技术实施例的控制系统仿真结构图。图6是本专利技术实施例的模糊PID控制仿真结果。具体实施方式1、模糊PID控制框图设计：图1描绘了模糊PID的控制系统框图，系统输入为滑翔机设定姿态角，输出为滑翔机当前姿态角，并反馈回输入端，与设定值做差，得到误差，经过微分处理得到误差变化率。以误差和误差变化率作为模糊PID控制器的输入，控制器的输出作用到水下滑翔机本体，在控制框图中为姿态角传递函数。其中，模糊推理实时整定比例、积分和微分增益。2、模糊PID控制器设计：设计模糊PID控制器时首先需要进行模糊化处理和知识库的配置。根据要求设计出0.05的死区和0.1的饱和区，采样周期为0.01秒。根据PID各个参数对被控系统的影响可以得到：模糊PID控制以系统运行的不同状态为基础，考虑比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd三个参数之间的关联，根据工程实际经验设计模糊控制器整定这三个参数，选择输入变量为误差e和误差变化率ec，相对应的语言变量值取NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB七个模糊值，其中NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB分别代表语言变量值的负大、负中、负小、零、正小、正中、正大共七个模糊值。再选择输出语言变量为Kp、Ki、Kd，相对应的语言变量值也取NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB七个模糊值，并且可对应求出误差因子为3，误差变化率因子为1，输出比例因子为0.4。然后得出比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd的模糊规则表(表1、2、3)：表1：比例增益Δkp的模糊规则表表2：积分增益Δki本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于模糊PID的水下滑翔机姿态控制算法，包括以下步骤：(1)模糊PID控制器原理性设计设计模糊PID控制器时首先需要进行模糊化处理和知识库的配置；根据要求设计出死区、饱和区和采样周期；根据PID各个参数对被控系统的影响可以得到：模糊PID控制以系统运行的不同状态为基础，考虑比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd三个参数之间的关联，根据工程实际经验设计模糊控制器整定这三个参数，选择输入变量为误差e和误差变化率ec，相对应的语言变量值取NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB七个模糊值；再选择输出语言变量为Kp、Ki、Kd，相对应的语言变量值也取NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB七个模糊值，并且可对应求出误差因子、误差变化率因子和输出比例因子；然后得出比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd的模糊规则表，其中Δ表示取微分；(2)模糊PID控制器Matlab中的设计基于以上模糊规则表的建立，然后在MATLAB中进行控制器设计，对输入输出结构、隶属度函数及规则库进行配置；该模糊控制器根据条件设置为两输入三输出结构，控制器输入为误差和误差变化率，输出为比例、积分和微分增益；根据经验设置输入输出的隶属度函数都为三角型函数，通过搭建PID控制器系统仿真得出的合理PID参数；于是，误差e范围和误差变化率ec范围便可相应设置；同时设定比例增益Δkp范围，微分增益Δkd和积分增益Δki范围；设置完隶属度函数后，按照上述三个模糊规则表进行模糊规则的配置；按照上述步骤依次设置模糊PID控制器，最后保存控制器设计文件，以便在仿真时调用；(3)编写模糊PID控制器控制程序在完成matlab中控制器设计之后，根据要求编写模糊PID控制器控制程序；(4)搭建控制系统，运行模糊PID控制器控制程序，实现算法控制完成模糊PID控制器控制程序编写后，通过MAILAB/simulink搭建控制系统框图，对姿态角进行控制仿真，并运行模糊PID控制器控制程序，得出仿真结果。...

【技术特征摘要】
1.基于模糊PID的水下滑翔机姿态控制算法，包括以下步骤：(1)模糊PID控制器原理性设计设计模糊PID控制器时首先需要进行模糊化处理和知识库的配置；根据要求设计出死区、饱和区和采样周期；根据PID各个参数对被控系统的影响可以得到：模糊PID控制以系统运行的不同状态为基础，考虑比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd三个参数之间的关联，根据工程实际经验设计模糊控制器整定这三个参数，选择输入变量为误差e和误差变化率ec，相对应的语言变量值取NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB七个模糊值；再选择输出语言变量为Kp、Ki、Kd，相对应的语言变量值也取NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB七个模糊值，并且可对应求出误差因子、误差变化率因子和输出比例因子；然后得出比例增益Δkp、积分增益Δki、微分增益Δkd的模糊规则表，其中Δ表示取微分；(2)模糊PID控制器Matlab中的设计基于以上模糊规则表的建立，然后在MATLAB中进行控制器设计，对输入输出结构、隶属度函数及规则库进行配置；该模糊控制器根据条件设置为两输入三输出结构，控制器输入为误差和误差变化率，输出为比例、积分和微分增益；根据经验设置输入输出的隶属度函数都为三角型函数，通过搭建PID控制器系统仿真得出的合理PID参数；于是，误差e范围和误差变化率ec范围便可相应设置；同时设定比例增益Δkp范围，微分增益Δkd和积分增益Δki范围；设置完隶属...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋大雷，苏志强，韩雷，王向东，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37