鱼雷型无人水下航行器鲁棒控制器设计

廉成斌 ，唐献平 ，荆雪燕 ，郝拥军（中国舰船研究院，北京 100101）

鱼雷型无人水下航行器鲁棒控制器设计

廉成斌 ，唐献平 ，荆雪燕 ，郝拥军
（中国舰船研究院，北京 100101）

针对鱼雷型无人水下航行器航行过程中外界环境干扰复杂，航行体系统内部干扰严重的特殊问题，并同时考虑系统参数剧烈变化造成的系统不确定性，设计纵向鲁棒控制器。该控制器采用 PID 控制器作为标称控制器控制标称受控对象。利用非线性状态观测器估计受控系统中的不确定性和外界环境干扰，并通过补偿控制律补偿，使整个闭环控制系统具有鲁棒性。将此方法应用于鱼雷型无人水下航行器鲁棒控制器的设计，可大大提高鱼雷型无人水下航行器航行过程中对干扰的抑制和对不确定性的适应能力，保证鱼雷型无人水下航行器在整个航行过程中的姿态稳定，以保证航行任务的完成。

鱼雷型无人水下航行器；不确定性；鲁棒控制器；非线性状态观测器

0　引 言

无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）自 20 世纪中期开始探索发展至今，其在海洋活动及军事中的作用和价值越来越受到海洋国家的高度重视。其中，以鱼雷型UUV为载体加装模块化的功能载荷，具备海洋环境调查、海战场情报搜集等任务的信息型UUV受到海洋国家尤其是海洋军事强国的重视［1-2］，其典型的航行体外型如图1所示。

鱼雷型信息 UUV 航行速度低，工作环境干扰多，流体动力学参数含有建模误差。由于其搭载的众多声、光学成像载荷对载体稳定姿态要求高，使得设计鱼雷型 UUV的姿态控制系统成为一个难题。

本文针对鱼雷型 UUV 航行过程中外界干扰强烈问题，并同时考虑系统中的不确定性，提出一种由标称控制器、扰动估计器和补偿控制器构成的鲁棒控制器。在该鲁棒控制器中，避免了复杂控制率转换和大量的控制增益调节，就能保证控制系统具有好的鲁棒性。基于设计的控制器构型，标称控制器为 PID 控制器，扰动估计器为非线性状态观测器，其主要作用是对系统的不确定项和外界干扰组成的复合干扰项进行观测逼近。并合理设计补偿控制器以解决流体动力学参数和外界扰动大范围剧烈变化情况下的UUV 航行姿态鲁棒控制问题。

图1　鱼雷型 UUV 外型图Fig.1　TheeExternal configuration of torpedo type UUV

1　鱼雷型 UUV 鲁棒控制器

1.1鲁棒控制器的原理

传统的鲁棒控制方法具有无法兼顾系统的性能和鲁棒性的缺陷，经过深入鱼雷型 UUV 航行特点和控制需求，设计主鲁棒控制器构型。该控制器可分为 2 部分，一是以跟踪误差为输入的主控制器，二是以观测误差为输入的补偿控制器。主控制器可用现有的控制理论设计，主要考虑系统的性能；补偿控制器主要考虑如何容忍各种不确定性和外部干扰，这意味着在鲁棒控制器构型下，系统性能和鲁棒性可以同时兼顾。

本文所设计的鲁棒控制器构型如图2所示。

图2　鲁棒控制器构型Fig.2　The configuration of robust controller

由图2可见，该鲁棒控制器由主控制器、扰动估计器和补偿控制器3个子模块构成。其中，主控制器以跟踪误差为输入，补偿控制器以扰动估计为输入，这里扰动包括系统不确定性、流体动力学参数偏离标称值的变化或 UUV 航行时外部环境的干扰。

当受控系统未受到扰动时，仅主控制器起作用，扰动估计器输出为 0 ；当受控系统受到外界扰动或流体动力学参数偏离标称值时，扰动估计器对系统扰动进行实时估计并输出补偿调整信号，驱动补偿控制器工作来克服系统扰动对闭环控制系统性能、甚至闭环系统稳定性的影响。补偿控制作用可在保证系统稳定的同时，使整个受控系统具有较强的鲁棒性［3］。

1.2鱼雷型 UUV 纵向鲁棒控制系统设计

主控制器可采用现有成熟的控制方法来设计，本文采用 PID 控制器。通过选取航路上的平衡点，利用小扰动线性化方法得到鱼雷型 UUV 纵向线性化模型如下：

式中：

本文研究的鱼雷型 UUV，口径 210mm，长度 2.85m，重量 175kg，表面积为 2.114m2，设计航速为 2kn，航深 50m。利用 CFD 计算其流体动力学参数并以此得到纵向传递函数如下：

针对 UUV 航行特点，选取 PID 控制器结构如图3所示。

图3　纵向PID控制结构图Fig.3　The longitudinal PID controller

对于补偿控制器的设计，主要研究基于 NESO的扰动估计器设计和补偿控制器设计。

1.3基于 NESO的扰动估计器

扩张状态观测器（Extended state observer，ESO）能够同时实现状态和干扰估计的一种应用广泛的观测器，其以输出误差为输入，即可以对受控对象的状态量进行估计，还可对受控系统的不确定性模型和外界环境扰动总和进行实时估计。按照其估计原理可以分为线性扩张状态观测器（Linear extended state observer，LESO）和非线性扩张状态观测器（Nonlinear extended state observer，NESO）2 种［4］。

为了设计扰动估计器，针对于鱼雷型 UUV 纵向动力学模型，设计如下 NESO［5-6］：

其中，

由上式可看出，扩张状态 z3可以逼近鱼雷型 UUV纵向模型中的干扰项△。

图4　基于扩张状态观测器的扰动估计Fig.4　The disturbance estimation based on extended state observer

1.4基于 NESO的补偿控制器设计

根据扩张状态观测器的原理，下面以单变量系统为例说明其补偿控制器的设计方法和稳定性分析，扩张状态补偿控制律为［8］：

加入补偿控制律后的系统和二阶扩张状态观测器一起构成的整个闭环系统为：

其中，

式中v（t）为假设的扩张状态的导数。

在本文设计的鲁棒控制构型下，当受控系统未受到外界环境干扰或者流体动力参数没有出现偏差的情况下，利用主控制器控制控制鱼雷型 UUV 是闭环稳定的且满足工程设计要求。若受控系统受到外界干扰或流体动力参数出现偏差，则 NESO 可对其进行估计，并通过补偿控制器输出的补偿控制信号进行补偿，即可保证在主控制器和补偿控制器共同作用下的系统闭环稳定，且具有较好的性能。

图5　基于 NESO的鲁棒控制系统Fig.5　robust control system based on NESO

2　仿真验证

将所设计的鲁棒控制器应用于鱼雷型 UUV的纵向姿态控制问题。由于鱼雷型 UUV流体动力学参数存在很大的不确定性。另外，由于利用 CFD 计算得到的流体动力学参数与真实流体动力学参数之间存在一定的偏差，流体动力学参数偏差会导致 UUV 动态特性的变化，所有这些不确定性和偏差可以归结为系统方程中的干扰项。为验证本文所设计的鲁棒控制器的控制特性。

首先，选取弹道上某特征点，针对小扰动线性化模型进行仿真，考察在控制器作用下实际攻角对指令攻角的跟踪效果。

1）特征点选取为航行深度 100m，航行速度 8kn。

2）根据 PID 控制器参数理论设计控制器参数，进行适当调整后，确立PID控制器参数为：内环反馈控制增益K=30。

3）根据 NESO 理论给出的经验参数和实际仿真效果，确立NESO参数为

考虑到鱼雷型 UUV 在执行侦察任务时航行深度变化宽广，该区域流体参数存在很大的不确定性，基于目前的测试手段，很难得到精确值。另外，由于理论计算得到的流体动力参数与真实参数之间存在一定的偏差，而这些偏差会导致航行体动态特性的变化，因此引入 75％的俯仰力矩系数偏差作为干扰输入，分别以 PID和 PID+NESO 两种控制结构跟踪指令攻角，具体仿真结果如下图6～图9所示。

图6　无干扰模型的PID 控制跟踪效果Fig.6　PID control tracking effect without interference

图7　纵向力矩参数正向拉偏+外界干扰的PID 控制跟踪效果Fig.7　PID control tracking effect of the longitudinal moment parameters of the positive bias+external disturbance

图8　纵向力矩参数正向拉偏+外界干扰的PID+NESO 控制跟踪效果Fig.8　PID +NESO control tracking effect of the longitudinal moment parameters of the positive bias+external disturbance

图9　纵向力矩参数负向拉偏+外界干扰的PID 控制跟踪效果Fig.9　PID control tracking effect of the longitudinal moment parameters of the negative bias+external disturbance

图10　纵向力矩参数正向拉偏加外界干扰的PID+NESO 控制跟踪效果Fig.10　PID +NESO control tracking effect of the longitudinal moment parameters of the negative bias+external disturbance

由图3～图5可见，如果仅采用 PID 控制器，由于俯仰力矩系数偏差和外加干扰的影响，在整个仿真航行过程中，实际攻角对指令攻角的跟踪效果有一定误差；而采用 PID+NESO 控制器仍然具有较好的跟踪效果。这说明 PID+NESO 控制器克服了参数偏差所带来的影响，具有较强的鲁棒性。

3　结 语

本文通过分析鱼雷型 UUV 进行侦察任务时的航行特点，对航行控制的特点及不确定性进行简化处理。设计鲁棒控制器构型。在此构型的基础上，设计以跟踪误差为输入的控制器，以及以观测误差为输入的补偿控制器，对控制量进行计算和补偿。

根据鱼雷型 UUV 航行所需控制器的特点，采用扩张状态观测器来估计流体动力学参数变化及外部干扰所形成的不确定性。在应用扩张观测器的基础上，设计补偿控制器，对系统及外界环境产生的不确定性进行补偿。将补偿控制器与设计的控制系统的主控制器按照控制系统结构图进行结合，共同构成了鱼雷型UUV的鲁棒控制器。

［1］陈强，张林根.美国军用UUV现状及发展趋势分析［J］.舰船科学技术，2010，32（7）：129-134.CHEN Qiang，ZHANG Lin-gen.Analysis of current situational development trend of US military UUV［J］.Ship Science and Technology，2010，32（7）：129-134.

［2］胡红波，宋涛.UUV在水下态势感知中的应用［J］.水雷战与舰船防护，2013，21（4）：57-61.HU Hong-bo，SONG Tao.The application of UUV in underwater situation awareness［J］.Mine Warfare & Ship Self-defence，2013，21（4）：57-61.

［3］ZHOU K M，REN Z.A new controller architecture for high performance，robust，and fault-tolerant Control［J］.IEEE Transactions on Automatic Control，2001，46（10）：1613-1618.

［4］朱芳来.非线性控制系统观测器研究［D］.上海：上海交通大学，2001.

［5］HAN Jing-qing.Active disturbance rejection control technique［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2008.

［6］黄一，韩京清.非线性连续二阶扩张状态观测器的分析与设计［J］.科学通报，2000，45（13）：1373-1379.HUANG Yi，HAN Jing-qing.Analysis and design for the second order nonlinear continuous extended states observer［J］.Chinese Science Bulletin，2000，45（21）：1938-1944.

［7］HUANG Y，XU K K，HAN J Q.Application of ADRC for aircraft attitude control［C］//Proceedings of the 3rd Asian Control Conference.Shanghai：ASCC，2000.

［8］秦昌茂，齐乃明，朱凯.高超声速飞行器自抗扰姿态控制器设计［J］.系统工程与电子技术，2011，33（7）：1607-1610.QIN Chang-mao，QI Nai-ming，ZHU Kai.Active disturbance rejection attitude control design for hypersonic vehicle［J］.Systems Engineering and Electronics，2011，33（7）：1607-1610.

Design method of robustness controller for torpedo type unmanned underwater vehicle

LIAN Cheng-bin，TANG Xian-ping，JING Xue-yan，HAO Yong-jun
（China Ship Research and Development Academy，Beijing 100101，China）

For special problems of torpedo type unmanned underwater vehicle including complex external environmental disturbance and serious internal system interference，taking the system parameters and system uncertainty caused dramatic changes into account，this paper proposes a robustness controller.This new controller，which is divided into nominal controller and compensate controller，uses PID controller as the nominal controller，and nonlinear state observer to estimate uncertain interference in system.The robust compensation control law is designed to strengthen the entire closedloop control system robustness.Through designing robustness attitude controller of torpedo type unmanned underwater vehicle based on this method，the capacity resist interference and uncertainty during torpedo type unmanned underwater vehicle can be promoted，which ensures steady flight of hypersonic vehicle throughout the entire flight.

torpedo type unmanned underwater vehicle；uncertainty；robust controller；nonlinear state observer

TJ63

A

1672-7619（2016）07-0077-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.017

2016-04-08；

2016-05-09

廉成斌（1982-），男，博士，工程师，主要从事鱼雷及无人水下航行器控制技术研究及工程管理。