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AUV控制系统中非线性观测器设计方法研究
| 论文题名： | AUV控制系统中非线性观测器设计方法研究 |
| 关键词： | 自主水下航行器;非线性观测器;定速行驶;航向规划;定深控制 |
| 摘要： | 自主水下航行器（AUV：Autonomous Underwater Vehicle）在民用和军用领域有着十分广泛的应用前景，已成为当前国内外研究的一个热点。随着AUV应用范围的扩广，其执行作业任务程度越来越复杂，对AUV控制性能指标的要求也越来越高。由于AUV系统本身具有强耦合、强非线性、模型参数摄动、易受外界环境（海浪、海流等）干扰等特性，这些复杂特性大大提高了AUV控制系统设计的难度。因此，需采用高效的控制策略方能满足AUV对于其控制高精度性能指标的需求。 非线性观测器作为控制系统的重要环节，其不仅可以根据有效的测量信息观测出系统不可测的状态信息，还具有观测环境干扰，滤除高频测量噪声等作用，是提高非线性、耦合、扰动系统鲁棒性的有效方法。本文重点对AUV定速、航向、定深控制中非线性观测器的设计进行深入的研究。 首先，深入研究了AUV动力学和运动学模型，建立了AUV的六自由度数学模型，包括海流、环境干扰力下的模型。为研究方便，把AUV六自由度模型解耦为两个轻微耦合的子系统：水平面模型和垂直面模型。通过仿真试验，验证了解耦后的水平面和垂直面模型的正确性。 然后，详细介绍了一种不依赖于被控对象精确模型的非线性观测器—非线性扩张状态观测器（NESO: Nonlinear ExtendedState Observer）。以AUV水平面模型为研究对象，深入研究了在AUV定速、航向控制中NESO的设计。NESO可以实现对被控对象位置、速度、总和干扰的观测，通过对干扰的补偿，提高了被控系统对环境干扰的鲁棒性。通过仿真试验，验证了在AUV定速、航向控制系统中所设计NESO的有效性。 其次，介绍了一种依赖于被控对象标称模型的非线性观测器—非线性龙伯格状态观测器（NLSO: Nonlinear Luenberger State Observer），并对其稳定性进行了简要分析。NLSO可以利用有效的位置测量信息重构出AUV的不可测状态、实现对作用在系统上的外界环境的估计，同时还具有降低由测量元件引入的高频测量噪声影响的作用。通过对AUV水平面模型运动控制仿真实验，验证了所设计NLSO的上述功能。 最后，研究了AUV垂直面运动控制中非线性观测器的设计。把AUV垂直面模型简化为一个定深控制模型，以此模型为被控对象，分析和验证了NESO在其应用中的不足之处，借鉴NESO中以饱和函数估计干扰的设计思想，改进了NLSO。将NLSO与NESO相结合共同组成AUV定深控制中的非线性观测器环节，补偿了各自的不足。通过仿真，验证了NLSO-NESO方法能够满足设计需求，有利于提高控制系统的动态性能。 |
| 作者： | 孔明 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 李娟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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