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原文传递 X舵水下航行器操纵特性及控制方法研究

论文题名：	X舵水下航行器操纵特性及控制方法研究
关键词：	X舵水下航行器;操纵特性;自适应控制;容错控制
摘要：	X舵水下航行器是一种采用了新型艉舵布局的水下航行器，具有机动性更强、安全性更高、流体性能更好等优点。国外海洋装备市场上已经出现了应用级X舵水下航行器产品，各国海军在新型号水下航行器的研发计划中也采用了这种新式布局，X舵正逐渐成为未来水下航行器在艉舵构型选择上的一种趋势。然而，X舵在国内民用水下航行器市场尚未取得广泛应用，其在军用水下航行器上的应用还处于探索阶段。为了顺应艉舵的发展趋势，促进X舵在国内水下航行器，特别是潜艇上的应用将是一项具有重要意义的工作。国内学者已经通过仿真分析法论证了X舵的诸多优势，也开发了一些操纵控制方法，但X舵在应用上仍存在较多问题，其操纵性优势也有待充分发掘。因此，本文将围绕X舵在特殊应用中需面临的操纵性、生存力和减噪需求这三个问题开展系统地研究工作，以求达到提供理论指导和技术支持的目的。　　X舵水下航行器的空间运动方程是操纵特性和操纵控制器研究的基础。为此，本文通过分析舵叶的水动力特性及其对航行器的空间作用力，运用叠加原理推导得出了适用于X舵水下航行器的空间运动方程。据此，采用转矩可达集和操纵性试验两种方法研究了相关操纵特性。　　十字舵中方向舵和升降舵各有分工，而X舵各舵面对航行器的航向和深度均有影响，故两者的操纵方法完全不同。在研究X舵的操纵控制问题时，本文提出了一种包含鲁棒自适应操纵控制器、优化控制分配器和舵机特性补偿器的级联控制方法。鲁棒自适应操纵控制器根据操纵需求生成虚拟控制量。其中，投影算子的引入使控制量变化率平滑且受限，在提高响应速度的同时避免了因高增益而引发的系统振荡或失稳问题，状态观测器的引入则提高了控制器的抗干扰能力。优化控制分配器根据虚拟控制量生成X舵控制指令。它采用了多目标有约束最小化思想，考虑了舵角范围约束、舵速约束和安全舵角约束等现实因素，优于一般广义逆方法。舵机特性补偿器抑制了舵机动态响应特性不一致产生的不利影响，实现了特性各异舵机的同步运动。　　X舵具有舵面冗余的特点，因而具备天然的容错优势。在研究通过激活X舵容错能力进而提高航行器生存力的问题时，本文首先提出了基于无迹粒子滤波器的舵面故障自主诊断方法，其次假设故障舵状态精确可知，设计了基于控制重构的容错控制方法，假设故障舵状态不可知，设计了基于故障补偿的容错控制方法。设计的无迹粒子滤波器可以在不依赖高斯分布假设的情况下，通过将舵效偏差增广为状态变量，实现对舵面实际状态的在线估计，可为故障诊断提供所需信息。设计的容错控制方法则能在航行器遭遇舵面浮松、偏中、受损和卡滞等典型故障时保障其仍具备一定的机动能力，达到提高水下生存力的目的。此外，本文还建立了故障后航行器机动能力的评估方法，能够为故障发生后的行为决策提供数据支撑。　　特殊用途的X舵水下航行器还需满足减噪要求。在研究通过改善操舵行为来减少操舵噪声的问题时，本文提出了一种能够延长操舵时间间隔且最小化用舵量的低频操舵控制方法。该方法是一种最优化方法，通过预测系统在各种控制量作用下经过规定时间后的状态，可以从中挑选出评价指标最优所对应的控制量。本文运用该方法求解出在限定的操舵周期下使控制误差最小的控制量，达到了改善操舵行为从而减少操舵噪声的目的。为了判断设定的操舵周期是否合理，本文还利用离散系统分析方法研究了操舵周期和系统稳定性的关系，为评判设定的操舵周期是否合理提供了理论依据。　　为了验证控制方法的有效性，本文首先开展了大量的仿真试验，仿真结果表明所提方法有效可行。其次，依托“新型舵面操舵试验平台”项目，研制了一台艉部舵型可旋转变换的X舵水下航行器，并在拖曳水池和操纵性水池分别开展了相关方法的实物验证试验。试验结果表明：1）X舵相比十字舵操纵性更优；2）操纵控制方法可通过操纵X舵控制航行器运动；3）容错控制方法能够处理单舵或双舵故障时的操控问题，但存在适用边界；4）低频操舵方法能够一定范围内延长操舵周期并保证控制精度。这些研究成果不仅能够促进X舵的推广应用，还能被移植到其他具备执行机构冗余特点的移动式机器人上，具有一定的应用价值。
作者：	王文晋
专业：	轮机工程
导师：	徐国华
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2020