基于模糊控制的水下潛器沉浮控制方法

摘要：針對(duì)水下潛器實(shí)際工作的需求和水下沉浮運(yùn)動(dòng)特征，提出一種基于自適應(yīng)模糊控制的水下潛器自主沉浮控制方法。該方法從優(yōu)化隸屬函數(shù)入手，采用多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差反向傳播(EBP)算法對(duì)它的參數(shù)進(jìn)行在線修正，并采用Delta-Bar-Delta學(xué)習(xí)規(guī)則對(duì)學(xué)習(xí)速率進(jìn)行在線調(diào)整，使EBP算法具有較快的收斂速度，同時(shí)避免了局部極小值問題。仿真實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于水下潛器自主沉浮運(yùn)動(dòng)的不能精確建摸、干擾嚴(yán)重的非線性與時(shí)變情況，這種自適應(yīng)模糊控制是一種較好的控制方式。
關(guān)鍵詞：模糊控制；自主沉??；隸屬函數(shù)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

水下潛器在作業(yè)使用時(shí)，為了自身的結(jié)構(gòu)安全以及保持深度穩(wěn)定性，要求有良好的自主沉浮控制能力。水下潛器由于慣性較大，在水下的低速運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為耦合非線性。因此，水下潛器自主沉浮控制系統(tǒng)是一種慣性大、時(shí)滯、非線性的復(fù)雜控制系統(tǒng)。常規(guī)的PID控制方法。要求水下潛器的動(dòng)力學(xué)特性是已知的，同時(shí)應(yīng)該保持不變，尤其是外界的擾動(dòng)要盡可能小，主要由人工憑經(jīng)驗(yàn)根據(jù)水下潛器的重量、排水、沉浮速度及海況等諸因素調(diào)整各參數(shù)。但實(shí)際情況中海洋環(huán)境的特殊性和多變性，使得常規(guī)的PID方法有很大的局限性，運(yùn)用效果不好。模糊控制是一種適用于難以用精確數(shù)學(xué)模型描述而主要依賴人工經(jīng)驗(yàn)的復(fù)雜控制方法，因此人們紛紛研究將模糊控制應(yīng)用到各種航器的操縱控制中。但一般的模糊控制器因?qū)儆赑D控制，缺少積分環(huán)節(jié)，并且其模糊規(guī)則一經(jīng)確定就不再改變，在無干擾的情況下，可以獲得較好的控制效果，當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，控制效果就顯得不夠理想。
文中針對(duì)實(shí)際要求，提出一種基于自適應(yīng)模糊控制的水下潛器自動(dòng)沉浮控制方法。由于模糊控制器的隸屬函數(shù)與模糊控制規(guī)則的選取對(duì)控制效果影響最大，該方法從優(yōu)化隸屬函數(shù)入手，采用多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差反向傳播(EBP)算法對(duì)它的參數(shù)進(jìn)行在線修正，采用Delta-Bar-Delta學(xué)習(xí)規(guī)則對(duì)學(xué)習(xí)速率進(jìn)行在線調(diào)整，使EBP算法具有較快的收斂速度，同時(shí)避免了局部極小值問題。仿真實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于水下潛器自動(dòng)沉浮與定深潛伏運(yùn)動(dòng)的不能精確建摸、干擾嚴(yán)重的非線性、時(shí)變情況，這種自適應(yīng)模糊控制是一種較好的控制方式。

1 潛器水下自主沉浮控制系統(tǒng)工作原理
潛器沉浮控制系統(tǒng)裝置如圖1所示，主要由油箱、油泵、電磁閥、油囊及相關(guān)的電子控制器、傳感器，模糊轉(zhuǎn)換電路、電源組成。裝置浮力調(diào)節(jié)的控制原理是用油泵將油箱的油充到油囊中去，油囊膨脹，從而使反潛器排水體積增加，其浮力增加。反之，將油囊中的油抽回油箱中，則其浮力將減小。正負(fù)浮力的改變從而使反潛器上浮或下沉。

設(shè)想的潛器定深與沉浮運(yùn)動(dòng)的過程描述如圖2所示。所構(gòu)想的初始技術(shù)指標(biāo)為：定深誤差在定深指標(biāo)的5％以內(nèi)，即在2 000 m定深處上下沉浮不能超出100 m。這樣就要求高壓油泵的工作深度要達(dá)到2 100 m以上，并留出50～100 m的設(shè)計(jì)裕度。油囊高壓泵的抽放油速率設(shè)計(jì)以及油囊的大小，一方面根據(jù)要求的反潛器定深動(dòng)作反應(yīng)速率和油囊體積變化時(shí)滯來參考，另一方面這些性能參數(shù)也依賴于實(shí)驗(yàn)精確測(cè)定，為油囊充放油控制提供參數(shù)。