基于模糊控制的水下潛器沉浮控制方法

摘要：針對水下潛器實(shí)際工作的需求和水下沉浮運動(dòng)特征，提出一種基于自適應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)算法對它的參數進(jìn)行在線(xiàn)修正，并采用Delta-Bar-Delta學(xué)習規則對學(xué)習速率進(jìn)行在線(xiàn)調整，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(wèn)題。仿真實(shí)驗表明，對于水下潛器自主沉浮運動(dòng)的不能精確建摸、干擾嚴重的非線(xiàn)性與時(shí)變情況，這種自適應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；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )

水下潛器在作業(yè)使用時(shí)，為了自身的結構安全以及保持深度穩定性，要求有良好的自主沉浮控制能力。水下潛器由于慣性較大，在水下的低速運動(dòng)表現為耦合非線(xiàn)性。因此，水下潛器自主沉浮控制系統是一種慣性大、時(shí)滯、非線(xiàn)性的復雜控制系統。常規的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)驗根據水下潛器的重量、排水、沉浮速度及海況等諸因素調整各參數。但實(shí)際情況中海洋環(huán)境的特殊性和多變性，使得常規的PID方法有很大的局限性，運用效果不好。模糊控制是一種適用于難以用精確數學(xué)模型描述而主要依賴(lài)人工經(jīng)驗的復雜控制方法，因此人們紛紛研究將模糊控制應用到各種航器的操縱控制中。但一般的模糊控制器因屬于PD控制，缺少積分環(huán)節，并且其模糊規則一經(jīng)確定就不再改變，在無(wú)干擾的情況下，可以獲得較好的控制效果，當環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，控制效果就顯得不夠理想。
文中針對實(shí)際要求，提出一種基于自適應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與模糊控制規則的選取對控制效果影響最大，該方法從優(yōu)化隸屬函數入手，采用多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的誤差反向傳播(EBP)算法對它的參數進(jìn)行在線(xiàn)修正，采用Delta-Bar-Delta學(xué)習規則對學(xué)習速率進(jìn)行在線(xiàn)調整，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(wèn)題。仿真實(shí)驗表明，對于水下潛器自動(dòng)沉浮與定深潛伏運動(dòng)的不能精確建摸、干擾嚴重的非線(xiàn)性、時(shí)變情況，這種自適應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工作原理
潛器沉浮控制系統裝置如圖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，模糊轉換電路、電源組成。裝置浮力調節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。正負浮力的改變從而使反潛器上浮或下沉。

設想的潛器定深與沉浮運動(dòng)的過(guò)程描述如圖2所示。所構想的初始技術(shù)指標為：定深誤差在定深指標的5％以?xún)?，即? 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到2 100 m以上，并留出50～100 m的設計裕度。油囊高壓泵的抽放油速率設計以及油囊的大小，一方面根據要求的反潛器定深動(dòng)作反應速率和油囊體積變化時(shí)滯來(lái)參考，另一方面這些性能參數也依賴(lài)于實(shí)驗精確測定，為油囊充放油控制提供參數。