具有输入时滞的水下无人航行器运动控制研究

发布时间：2020-04-01 03:10

【摘要】：在水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)的关键技术中,运动控制技术是保证UUV执行勘测、侦察任务顺利完成的关键技术之一。时滞因素和模型不确定性因素普遍存在于欠驱动UUV运动控制系统中,通过分析国内外欠驱动UUV运动控制的研究成果发现,为简化欠驱动UUV运动控制器的设计,通常忽略输入时延因素。然而,对于实时性要求高的欠驱动UUV运动控制系统,即使是较小的输入时滞,也将会造成严重的负面影响。因此,本文对时滞下欠驱动UUV受模型不确定性以及外界干扰的约束下的镇定控制和轨迹跟踪控制问题进行了深入的研究。首先,通过分析欠驱动UUV的运动规律,建立欠驱动UUV的六自由度运动模型,并详细分析了时滞引入对系统控制性能的影响。引入用于时滞系统控制分析的控制理论基础——Lyapunov-Krasovskii稳定性理论,并介绍了时滞系统控制器设计用到的工具(线性矩阵不等式、时滞处理的常用不等式)。归纳总结了引入时滞的欠驱动UUV运动控制器设计必须考虑的约束条件。其次,针对输入时滞约束下的欠驱动UUV三维空间的镇定控制问题,为了更易于工程实现,设计了时滞状态反馈控制器。通过引入自由权矩阵,Moon不等式以及Jensen不等式来降低引入Lyapunov-Krasovskii泛函带来的保守性,进而导出易于求解的LMI形式的稳定条件,并通过对比仿真实验的方式证明了所设计控制律对执行机构输入时滞的鲁棒性。再次,针对输入时滞和模型参数不确定共同约束下的欠驱动UUV三维空间镇定控制,设计了时滞状态反馈镇定控制器。通过分析欠驱动UUV参数不确定性的来源,考虑欠驱动UUV惯性矩阵系数的摄动。在此条件下,改进时滞状态反馈控制器,给出能保证系统的一致渐近稳定的状态反馈控制律,并通过LMI方法来求解状态反馈控制器的增益系数。设计了参数摄动范数有界下的时滞镇定控制对比仿真实验,结果说明了所设计控制律对参数摄动的鲁棒性。最后,针对输入时滞、模型参数不确定性和外界干扰共同约束下的欠驱动UUV轨迹跟踪控制问题,设计了积分滑模控制器。为便于讨论,对欠驱动UUV输入时滞模型进行简化,将系统划分为由运动学子系统和动力学子系统组成的级联系统,并建立轨迹跟踪位姿和速度误差方程。基于级联系统控制器的设计方法,分别针对轨迹跟踪位置和速度误差设计积分时滞滑模控制律。通过构造合适形式的Lyqpunov-Krasovskii泛函分析子系统的稳定性,并给出LMI形式的全局稳定性结论。针对UUV时滞设计了对比仿真实验,仿真结果表明所提控制律实现了欠驱动UUV对期望轨迹快速且平稳的跟踪。
【图文】：

析的理论基础，将重点介绍 UUV 运先，建立 UUV 模型所用到的坐标系统维运动模型的一般方程；其次，对 U后，，介绍适用于时滞非线性系统的稳。模需要考虑多种因素对 UUV 的影响，了方便后文的理论推导与分析，我们定坐标系和刚体坐标系，如图 2.1 所 ψOξ
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U674.941

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本文编号：2609929