[發(fā)明專利]一種復(fù)雜條件下潛艇X舵智能模糊控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911006244.X
• 申請日: 2019-10-22
• 公開（公告）號: CN110703791B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃斌;呂幫俊;彭利坤;何曦光;陳佳;宋飛;屈鐸;陳佳寶
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍海軍工程大學(xué)
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 北京天盾知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11421
• 代理人: 楊本官

1.一種復(fù)雜條件下潛艇X舵智能模糊控制方法，其特征在于，包括如下步驟，

步驟一、用于構(gòu)建X舵潛艇運動模型的步驟；具體是指：

以潛艇重心G為動坐標(biāo)系原點O構(gòu)建動坐標(biāo)系，將潛艇在流體中的空間運動分解為沿艇體運動坐標(biāo)系三個方向的平動和轉(zhuǎn)動，由此得如下六自由度空間運動方程：

軸向力方程：

橫向力方程：

垂向力方程：m(w-uq+vp)＝Z

橫搖力矩方程：

縱傾力矩方程：

偏航力矩方程：

其中：

m為潛艇質(zhì)量；I_x,y,z為潛艇對三坐標(biāo)軸X，Y，Z的轉(zhuǎn)動慣量；u,v,w為潛艇沿三坐標(biāo)軸X，Y，Z的運動速度；p,q,r為潛艇沿三坐標(biāo)軸X，Y，Z的旋轉(zhuǎn)角速度；X,Y,Z,K,M,N為潛艇所受的水動力和力矩；

其中，運動參數(shù)之間的滿足：

X型尾舵施加給潛艇的操縱力為：T(δ_i)＝[X,Y,Z,K,M,N]，i＝1,2,3,4

式中δ_i表示四個X舵角，X,Y,Z表示由X舵產(chǎn)生的三個方向的操縱力，K,M,N表示由X舵產(chǎn)生的三個方向的操縱力矩；且：

其中，表示操舵引起流體動力的水動力導(dǎo)數(shù)，由拖曳水池實驗得到；δ_r表示方向舵角,δ_s表示尾升降舵角；δ_i，i＝1,2,3,4表示四個X舵角；u表示航速在動坐標(biāo)系的x軸方向的分量，采用四階Runge-Kutta法迭代求解潛艇6-DOF得到潛艇的運動規(guī)律；

步驟二、構(gòu)建模糊控制論域及隸屬度函數(shù)，具體是指

建立控制器輸入變量的非線性映射關(guān)系：

其中輸入變量ΔH為深度誤差，論域[-2,2]；ΔHc為深度誤差變化率,論域[-0.06,0.06]；Δθ為縱傾誤差，論域[-2,2]；Δθc為縱傾誤差變化率，論域[-0.06,0.06]；Δφ為橫傾誤差，論域[-2,2]，Δφc為橫傾誤差變化率，論域[-0.06,0.06]；Δψ為航向誤差，論域[-20,20]；Δψc為航向誤差變化率，論域[-0.6,0.6]；控制器輸變量論域包括：首舵δb，論域[-25,25]，X舵δ1、δ2、δ3和δ4，論域[-30,30]；

將8個輸入變量ΔH、ΔHc、Δθ、Δθc、Δφ、Δφc、Δψ和Δψc和5個輸出變量δ_b、δ₁、δ₂、δ₃和δ₄的模糊語言值分為13個等級，對應(yīng)13個標(biāo)準(zhǔn)模糊集；包括NB/負(fù)大、NBM/負(fù)中大、NM/負(fù)中、NMS/負(fù)中小、NS/負(fù)小、NSZ/負(fù)小零、ZE/零、PSZ/正小零、PS/正小、PMS/正中小、PM/正中、PBM/正中大、PB/正大；隸屬度滿足：

m_k＝0，EE_k+1 or EE_k-1；

式中：μ_k為誤差E相對于模糊集k的隸屬度，E_k表示模糊集k的中心--隸屬度為1的點--對應(yīng)的橫坐標(biāo)值，k表示NB、NBM、NM、NMS、NS、NSZ、ZE、PSZ、PS、PMS、PM、PBM、PB；

步驟三、建立模糊控制規(guī)則的步驟，具體而言：

首舵控制規(guī)則，基于深度誤差ΔH以及誤差變化率ΔHc：

ΔH＝H_aim-H(t)

正舵角產(chǎn)生上浮作用力，負(fù)舵角產(chǎn)生下潛作用力，建立首舵控制規(guī)則矩陣

式中H_aim為目標(biāo)深度，H(t)為實際深度，t_out-t_in為時間步長；模糊推理語言可表示為

式中：i＝1,2,3…,13，j＝1,2,3…,13，ΔH₁＝NB,…,ΔH₁₃＝PB，ΔHc₁＝NB,…,ΔHc₁₃＝PB；通過結(jié)合ΔH和ΔHc的隸屬度可以得到及其對應(yīng)的權(quán)值K_ij；

采用中心平均解模糊方法得到首舵角δ_b模糊控制器輸出為：式中：選擇K_ij為ΔH_i和ΔHc_i隸屬度的代數(shù)積，且K_ij＝μ(ΔH_i)·μ(ΔHc_j)；

X舵控制規(guī)則：定義δ_1～4的正負(fù)為：舵力沿y方向分量為正時對應(yīng)舵角為正；則橫傾φ和航向ψ誤差及誤差變化率定義與縱傾相同，且

X舵對縱傾的控制規(guī)律：舵角為正時產(chǎn)生首傾力矩，舵角為負(fù)時產(chǎn)生尾傾力矩，X舵對縱傾的模糊控制規(guī)則U_X～θ與相同，

X舵對于橫傾和航向的控制規(guī)則：X舵的四個葉片對橫傾的控制規(guī)律各不相同，其中：δ₁和δ₃的控制規(guī)律一致，正舵產(chǎn)生負(fù)橫傾，負(fù)舵產(chǎn)生正橫傾，即而δ₂和δ₄的控制規(guī)律正好與δ₁和δ₃對橫傾的控制規(guī)律相反，即取反-U_X～θ的算法為：將矩陣U_X～θ中的N和B互換，則：δ₁和δ₂對航向的控制規(guī)律δ₃和δ₄對航向的控制規(guī)律

還包括步驟四，用于引入控制權(quán)限分配機(jī)制的步驟，具體包括：

引入X舵對橫傾、縱傾和航向控制權(quán)值，分別記為Q_θ,和Q_ψ；

構(gòu)造模糊決策系統(tǒng)實現(xiàn)控制權(quán)限的動態(tài)分配，決策系統(tǒng)輸入輸出即論域選擇如下：系統(tǒng)輸入為：Δθ，和Δψ，輸出為：Q_θ，和Q_ψ；

在各狀態(tài)量輸入論域中引入反映X舵對縱傾、橫傾和航向控制力差別的系數(shù)，具體為：Δθ[-3k_θ，3k_θ]，Δψ[-3k_ψ，3k_ψ]，控制力系數(shù)為輸出論域為：Q_θ[0，1]，Q_ψ[0，1]；

將輸入輸出論域劃分為7個標(biāo)準(zhǔn)模糊集，構(gòu)建模糊決策規(guī)則矩陣U_AB：

式中，ZE、PS、PM、PB分別表示采用三角形隸屬度的標(biāo)準(zhǔn)模糊集“零”、“正小”、“正中”和“正大”，A、B取值為θ和和ψ、ψ和θ；

若需要同時控制縱傾、橫傾和航向三個狀態(tài)，則分別計算出三個模糊控制器的權(quán)值后作歸一化處理，此時

式Ⅰ中，和表示模糊決策規(guī)則矩陣U_AB中規(guī)則矩陣對應(yīng)的值，表示Δθ和隸屬度的代數(shù)積即，(K_ψθ)_ij表示Δψ和Δθ隸屬度的代數(shù)積即，式Ⅱ和Ⅲ中變量含義與Ⅰ相同；同時控制三個狀態(tài)量時，當(dāng)控制達(dá)到控制目標(biāo)且穩(wěn)定時，權(quán)限分配穩(wěn)定至等權(quán)限分配，即：

若只需要控制兩個狀態(tài)，權(quán)限分配穩(wěn)定至等權(quán)限分配，即：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種復(fù)雜條件下潛艇X舵智能模糊控制系統(tǒng)，其特征在于，變深控制過程中ΔHc＝0.06×ΔH，ΔHc的值取下界為0.01；定深控制過程中：ΔHc設(shè)定為下界0.01；有外界擾動情況下的定深控制過程中：ΔHc設(shè)定為0.001。