基于单输入模糊控制的水下航行器控制器研究

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无人水下航行器(UUV)是一种无驾驶员的类潜艇机器人装置,用于水下任务,如搜救、测量、监视、检查、维修和维护。水下航行器运行期间,其运动轨迹会呈现高度非线性。此外,航行器动力性能还会随着周围环境的变化和外部干扰(如风速和海流)而发生显著变化。这些因素都使得我们难以对水下航行器空间运动进行准确建模。模糊控制具有很强的鲁棒性,能够适应流体动力学的不确定性。不仅可以对多种线性系统进行控制,在非线性系统控制方面也有着比传统控制更加明显的优势。同时模糊控制系统的非线性性能使得其对外界的干扰有较强的抵抗能力。因此模糊控制对水下航行器而言是比较理想的控制方法。模糊控制器的性能在很大程度上取决于其推理规则。通常情况下,对模糊控制器应用的规则越多,控制动作的准确性就越高。但随着控制规则的增多,模糊控制的计算量和计算的复杂性也会随之增大,对硬件系统的性能要求也会增加。那么在尽量保证控制效果的基础上,对模糊规则计算量的简化十分必要。本文基于以上因素,提出了水下航行器单输入模糊控制研究。首先,结合水下航行器特点与模糊控制优点,选择模糊控制作为水下航行器控制的方法;结合水下航行器受力情况及干扰因素进行了水下航行器运动学和动力学方程的理论推导。其次,本文的重点在于将经典双输入模糊控制规则简化为单输入模糊控制规则,简化后的规则使得水下航行器的模糊控制更易实现。通过对模糊控制器的结构及其实现过程进行详细分析,对经典双输入模糊控制规则表进行了一维简化。经过推理和试验得出了将模糊控制的输入由两个(多个)状态变量转化为单变量基本换算关系,随后通过仿真将水下航行器的单输入模糊控制与经典双输入模糊控制器进行对比。结果表明,简化后的单输入模糊控制器控制效果良好,但其推理规则却大大减少了,仿真时间更少。最后,本文针对模糊PID控制进行了研究,将模糊控制规则的简化应用在模糊PID控制规则中,经典模糊PID的控制规则明显多于简化的一维输入的模糊PID模糊控制规则,但是控制效果并未优于控制规则少的单输入模糊控制,仿真结果证明双输入模糊PID控制的控制规则是有冗余的,可简化的。
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