灰色PID控制在AUV橫滾控制中應用研究

陳路偉　謝志強

摘 要： 針對AUV航行環(huán)境復雜、模型參數(shù)攝動大、執(zhí)行機構的飽和非線性等特點，采用灰色預測算法改進傳統(tǒng)的AUV PID橫滾姿態(tài)控制器，設計了灰色PID控制算法，以達到抑制和消除橫滾的目的。仿真結果表明，灰色預測PID算法操舵平滑，控制速度快，魯棒性和環(huán)境適應能力更好，完全能勝任AUV橫滾姿態(tài)控制的要求。

關鍵詞： 水下航行器； 橫向滾動控制； 灰色PID控制； 姿態(tài)控制

中圖分類號： TN108+.4?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）01?0100?03

Abstract： According to the characteristics of navigation environment complexity， model parameter perturbation， execution mechanism nonlinear saturation of autonomous underwater vehicle （AUV）， the traditional AUV PID roll attitude controller was improved by means of grey prediction algorithm， and a grey PID control algorithm was designed to inhibit and eliminate AUV roll. The simulation results show that the grey prediction PID algorithm has smooth steering control， fast speed control， better robustness and adaptive capacity to the environment. it is fully qualified to AUV roll attitude control.

Keywords： underwater vehicle； roll control； gray PID control； attitude control

0 引 言

PID控制因其算法簡單、魯棒性好、可靠性高而在AUV的控制中獲得了廣泛的應用[1]。但隨著現(xiàn)代海戰(zhàn)對水下航行器的操縱性能的要求越來越高，傳統(tǒng)的PID控制方法越來越難以完成復雜的任務。針對這種情況，國內(nèi)外很多學者將非線性魯棒控制、自適應控制、模糊控制等現(xiàn)代控制理論與技術應用于AUV的姿態(tài)控制上，在AUV姿態(tài)控制方法的研究上取得了一定的進展[2?5]。但在實際中很難建立精確的數(shù)學模型，有些控制方法本身具有運算量大、實時性差的不足，加之一些非線性因素和不確定因素的影響，給實時控制帶來了困難。

灰色系統(tǒng)理論是處理不確定量的一種有效途徑。它需要的信息少，通用性好，計算方便[6]。采用灰色系統(tǒng)的方法，對于不確定部分建立灰色模型，利用它來使控制系統(tǒng)中的灰量得到一定程度的白化，以提高控制質量極其魯棒性。本文以AUV橫滾控制為例，利用灰色系統(tǒng)理論對橫滾控制中的不確定部分建立灰色模型，對其PID控制進行一定的補償，以提高其控制品質，探索灰色PID控制在水下航行器控制中的應用方法。

1 水下航行器橫滾姿態(tài)控制模型

4 結 論

仿真發(fā)現(xiàn)，對于具有不確定干擾的AUV橫滾控制系統(tǒng)，如果只采用傳統(tǒng)的PID來控制航向，控制效果不太理想，而采用PID控制算法則能獲得較好的控制效果，這主要歸結于其采用了灰色預估補償原理，控制系統(tǒng)能夠具有良好的控制品質和魯棒性。仿真結果也說明采用灰色預測算法的PID控制相比傳統(tǒng)PID算法更適合水下航行器橫滾控制，在水下航行器控制中應用灰色預測算法是切實可行的。

參考文獻

[1]黃友銳，曲立國.PID參數(shù)整定與實現(xiàn)[M].北京：科學出版社，2010.

[2] 劉正平，徐德民，王曉娟.水下航行體非線性H∞控制研究[J].艦船科學技術，2001，22（7）：56?58.

[3] 陳曄，王德石，董友亮.水下航行體姿態(tài)系統(tǒng)的輸出反饋變結構控制研究[J].兵工學報，2009，12（8）：37?38.

[4] 陳曄，王德石.水下航行體非線性姿態(tài)系統(tǒng)的自適應反演控制[J].海軍工程大學學報，2008，20（3）：12?14.

[5] DEBITETTO P A. Fuzzy Logic for Depth Control of Unmanned Undersea Vehicles [C]// Proceedings of Symposium on Autonomous Underwater Vehicle Technology. [S.l.] [s.n.]， 1995： 233?241.

[6] 易德生，郭萍.灰色理論與方法[M].北京：石油工業(yè)出版社，1992.

[7] 徐德民.魚雷自動控制系統(tǒng)[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2006.

[8] 陳路偉，湯華濤.滑膜控制在水下航行器橫滾姿態(tài)控制中的應用研究[J].艦船電子工程，2013，33（9）：55?57.

[9] 劉金琨.先進Matlab控制及仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[10] 嚴衛(wèi)生.魚雷航行力學[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2005.