基于模糊控制的水下潛器沉浮控制方法

摘要：針對水下潛器實際工作的需求和水下沉浮運動特征，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(shù)入手，采用多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡的誤差反向傳播(EBP)算法對它的參數(shù)進行在線修正，并采用Delta-Bar-Delta學習規(guī)則對學習速率進行在線調整，使EBP算法具有較快的收斂速度，同時避免了局部極小值問題。仿真實驗表明，對于水下潛器自主沉浮運動的不能精確建摸、干擾嚴重的非線性與時變情況，這種自適應模糊控制是一種較好的控制方式。
關鍵詞：模糊控制；自主沉??；隸屬函數(shù)；神經(jīng)網(wǎng)絡

水下潛器在作業(yè)使用時，為了自身的結構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，在水下的低速運動表現(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、時滯、非線性的復雜控制系統(tǒng)。常規(guī)的PID控制方法。要求水下潛器的動力學特性是已知的，同時應該保持不變，尤其是外界的擾動要盡可能小，主要由人工憑經(jīng)驗根據(jù)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(shù)。但實際情況中海洋環(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，運用效果不好。模糊控制是一種適用于難以用精確數(shù)學模型描述而主要依賴人工經(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(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，當環(huán)境條件發(fā)生變化時，控制效果就顯得不夠理想。
文中針對實際要求，提出一種基于自適應模糊控制的水下潛器自動沉浮控制方法。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)絡的誤差反向傳播(EBP)算法對它的參數(shù)進行在線修正，采用Delta-Bar-Delta學習規(guī)則對學習速率進行在線調整，使EBP算法具有較快的收斂速度，同時避免了局部極小值問題。仿真實驗表明，對于水下潛器自動沉浮與定深潛伏運動的不能精確建摸、干擾嚴重的非線性、時變情況，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(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(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的過程描述如圖2所示。所構想的初始技術指標為：定深誤差在定深指標的5％以內，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(jù)要求的反潛器定深動作反應速率和油囊體積變化時滯來參考，另一方面這些性能參數(shù)也依賴于實驗精確測定，為油囊充放油控制提供參數(shù)。