Design of Novel S-plane Controller of Autonomous Underwater Vehicle Established on Sliding Mode Control

Based on the deep analysis of the mathematical model of an autonomous underwater vehicle( AUV),comprehensive considerations are given to the coupling effect of AUV's longitudinal velocity on the other degrees of freedom. In the meantime,discussions are made on the influence of residual buoyancy and restoring moment.A novel S-plane controller established on sliding mode control( SMC) is hereby proposed in this study. The strengths of traditional S-plane controller including simple structure and easily adjustable parameters are maintained in the improved design while the weakness of unsatisfactory control effect at the time of high-speed operation is also overcome. Lyapunov function is introduced to make the stability analysis of the controller before it is successfully applied to the basic motion control of AUV-X. Then the comparative experiment test is carried out between the traditional S-plane controller and the novel S-plane controller. The effectiveness and feasibility of the novel S-plane controller established on sliding mode control in the AUV basic motion control is verified by the comparative analysis of experiment results.

基于Super-Twisting滑模S面的无人机路径跟踪控制

针对小型固定翼无人机在执行任务时跟踪精度低以及容易受外界风影响的问题,设计基于Super-Twisting滑模S面(STSM S-Plane)的路径跟踪控制器,同时采用内外双环控制模式。外环即速度环采用Super-Twisting滑模控制,内环即姿态环采用S面控制。考虑到S面控制求导易导致积分爆炸的问题引入了二阶微分器,并对外界风组成进行建模研究。最后通过空间特殊曲线来验证所设计算法的控制性能。仿真结果表明,所设计的算法可以实现固定翼无人机对期望路径的精确跟踪,并具有良好的鲁棒性和抗干扰性能。

固定翼UAV路径跟踪的全局稳定积分滑模S面控制

针对固定翼无人机的三维路径跟踪控制问题,设计了一种基于全局稳定积分滑模S面模型的内外环控制器。控制器外环采用全局稳定积分滑模控制,内环采用S面控制。设计控制器外环的全局稳定积分滑模控制律,并采用Lyapunov理论证明所设计控制律的稳定性。对内环的指令信号设计S面控制器,考虑到S面控制器中求导的复杂性,引入二阶微分器,解决内环中导数存在积分爆炸的问题。半物理仿真试验结果表明,提出的控制器能精确跟踪期望路径,具有良好的控制性能和抗干扰性能。

基于自适应S面算法的小型ROV艏向和深度运动控制研究

带缆遥控水下机器人(ROV)系统艏向与深度运动具有强非线性和运行环境不确定性等特点。针对ROV的运动特点,构建运动控制模型并进行化简,通过构建自适应S面控制法对艏向与深度进行控制,并利用Lyapunov的稳定性判据证明该控制法的稳定性,通过仿真验证了该控制法具有良好的稳定性和控制品质。同时,与S面控制法相比,自适应S面控制具有更好的动态性能与静态性能,调节速度快、稳定性强,能够准确控制ROV运动。

基于分数阶S面模型的四旋翼轨迹跟踪控制

四旋翼无人机具有欠驱动、非线性、强耦合的特点。针对四旋翼无人机轨迹跟踪控制中跟踪精度低,抗外界干扰能力弱的特点,通过对四旋翼无人机进行四元数建模,使用误差四元数作为控制器输入,消除了无人机在机动角度过大时的奇点问题,提出了一种分数阶S面的控制方法,即将分数阶PID控制与S面控制融合,作为一个新的控制器。轨迹跟踪试验表明,分数阶S面控制器在四旋翼无人机控制模型中的累计误差明显小于分数阶PID,证明了该方法具有抗风扰能力强、跟踪精度高的特点。

专家控制-改进S面算法在近水面航行器运动控制中的应用研究

[目的]旨在提高舵板响应速度和效率,以满足近水面航行器在静水及波浪干扰下的深度保持和姿态控制要求。[方法]在S面算法的基础上,提出一种具有更快收敛速度的改进S面控制算法,并与专家智能控制相结合,建立闭环专家控制-改进S面算法的混合控制模型,构建混合算法控制器。对比分析PID算法、S面算法、改进S面算法以及专家控制-改进S面算法在近水面航行器航行深度、姿态控制间的差异,并进行波浪干扰下的运动预报。[结果]预报结果表明:改进S面算法在静水航行控制中可提高收敛速度,波浪干扰下可降低纵摇幅度;专家控制-改进S面算法能够提高舵的控制效率,在静水中快速实现航行状态稳定转换,在波浪中有效降低近水面航行器垂荡和纵摇幅值30%以上。[结论]所提专家控制-改进S面算法对近水面航行器运动稳定性的提高适用性良好。

热效应作用下S波入射弹性地基自由场地地震响应研究

基于热弹性介质中波的传播理论,建立了平面S波入射下弹性地基自由场地模型,采用亥姆霍兹矢量分解原理,对热效应作用下弹性地基自由场地中的波场进行分析,获得了热效应作用下平面S波入射弹性地基自由场地地震地面运动的解析解答。通过数值计算,分析了热传导系数、介质温度、热膨胀系数等热物性参数对弹性地基自由场地地震地面运动所产生的影响规律。研究结果表明:考虑热效应和不考虑热效应的两种理论模型下所得到的水平和竖向位移放大系数有着明显差异;地表水平和竖向位移放大系数以及相应的加速度随着热膨胀系数和介质温度的增大而增大;热传导系数和热通量相位延迟对地表位移放大系数和加速度的影响较小;随着入射波频率的增大,地表位移放大系数和加速度均逐渐增大。

基于改进鱼群算法的UUV路径跟踪控制参数整定研究

针对优化算法在无人水下航行器的水平面路径跟踪控制器参数整定中的应用,采用夺食行为、自适应步长、带衰减因子的视野范围等方法改进人工鱼群算法,利于加快迭代后期收敛速度以及跳出局部最优值。使用改进鱼群算法对S面前向速度控制器与S面艏向控制器的5个控制参数进行优化整定,同时在传统S面控制器中引入积分项,以提高控制器性能。经过仿真与试验分析,改进后的鱼群算法具有较快的收敛速度,且跳出局部最优值的能力显著增强,使用整定后参数的S面路径跟踪控制器指标较整定前降低了96%,并在水下实物试验中验证了改进鱼群算法在UUV水平面路径跟踪控制参数整定中应用的可行性与有效性。

平面上面积长度具有单调性的闭凸曲线流及其应用

研究了速度和函数中含有支撑函数的闭凸曲线非局部流,在非局部项可微函数的不同取值情况下,给出了演化曲线面积和长度对应的单调性,得到了演化曲线保持闭凸性,光滑闭凸曲线在该流下存在唯一解且最终收敛于一个圆.特别地,通过该曲线收缩流给出了平面上Ros定理的加强形式.

平面S型轴伸贯流泵装置泵内流动特性研究

【目的】探究低扬程泵站平面S型泵装置内压力脉动特性和流动稳定性。【方法】采用软件CFX开展三维全流道数值模拟,湍流模型选择为RNG k-ε。采用快速傅里叶变换对压力信号进行处理,在Ansys后处理系统中对流场数据进行可视化处理。分析了小流量工况0.8 Qd、设计工况Qd和大流量工况1.2 Qd等3个典型工况下泵装置内的流动特性、压力脉动特性和涡量分布特性。【结果】进水流道内水流流态稳定,流量工况主要影响出水流道内的流动稳定;叶轮内压力脉动激励源为叶轮的旋转作用,在叶轮进口脉动频率成分复杂,主频为叶频;而叶轮出口脉动幅值较小,存在明显的低频脉动;进水流道内水流涡量接近0,叶轮室、导叶室和出水流道内的涡量差别很大,受到叶轮的旋转扰动叶轮室内和导叶室内流场涡量最大。小流量工况下泵段和出水流道内的涡量差异最大,随着流量的增大涡量减小。【结论】涡量分布规律与泵装置内流态变化一致,这从能量的角度解释了不同流量工况下流动稳定差异的原因。研究结果对充分了解平面S型泵装置内流动特性和流动稳定机理提供理论指导,对工程运行提供借鉴意义。

平面S型轴伸贯流泵装置泵内流动特性研究

为分析平面S型轴伸贯流泵装置泵内流动特性,采用软件CFX对平面S型泵装置开展三维全流道数值模拟,并采用能量梯度理论分析不同工况下泵装置内的流动特性。结果表明,不同流量工况下平面S型轴伸贯流泵装置进水流道内的水流均非常平顺,整体差异较小。出水流道内的水流流态差别较大,流量越小出水流道内流态越差。小流量工况下平面S型轴伸贯流泵装置内相同位置的压力脉动最大。小流量工况下出水流道内能量梯度差异最大,说明此工况下出水流道内会产生较大的能量损失。平面S型轴伸贯流泵装置出水流道设计时应尽量增加出水流道的平顺段长度,保证能量梯度分布均匀。研究结果为深入了解平面S型轴伸泵装置和优化设计提供了理论指导。

S波段旋转式高功率微波移相器

基于电长度可调的移相原理,将波导窄边缝隙电桥与环形移相段相结合,通过旋转式扼流活塞进行移相,设计了一款新型旋转式高功率微波移相器。该移相器具有结构紧凑、易于驱动、移相范围大、移相精度高及功率容量大的优势。仿真结果表明:在2.7~2.9 GHz的工作频段内,该移相器的移相范围大于360°,插入损耗小于0.2 dB,功率容量大于450 MW,在2.8 GHz处,扭转扼流活塞角度为γ时,输出端相位改变量为3.29γ。本文所设计的紧凑型旋转式移相器能够满足高功率微波系统的发展需要,可为下一步的研制和应用提供参考。

水下机器人高度信息融合与欠驱动地形跟踪控制

研究了配置高度计和多普勒速度计(DVL)的欠驱动水下机器人地形跟踪控制问题.采用Takagi-Sugeno推理方法对高度计和DVL两种传感器的高度信息进行融合,提高了高度信息感知能力.将地形跟踪分为速度控制和深度控制问题,分别使用S面控制方法设计速度控制器和反步法设计欠驱动深度控制器.最后,通过实际海洋实验对研究的方法进行了验证,实验结果表明该文提出的方法是有效的.

水下机器人改进的S面控制方法

由于水下机器人系统的强非线性以及所处环境的不确定性 ,水下机器人进行精确作业时的运动控制技术一直是智能水下机器人技术中急于解决而又难于解决的问题 .S面控制是一种简单实用的控制方法 ,但其控制器参数完全靠人工调整 ,需要设计者有丰富的实际经验。本文提出改进的S面控制方法为S面控制增加了自学习的算法 ,实现控制参数的自动调整 .仿真结果表明改进S面控制方法具有更好的控制精度 ,更快的响应速度 ,改善了机器人的工作性能 。

水下航行体的改进S面运动控制器

为研究水下航行体的纵向速度对其余自由度运动所产生的影响及其自身所承受的静力学作用,在分析水下航行体运动模型的基础上,提出了一种改进S面运动控制器。该控制器不仅保留了常规S面控制器参数易于调整且结构简单的优点,同时还克服了常规S面控制器在水下航行体高速航行时运动控制效果差的缺点。引入李雅普诺夫函数对该控制器的稳定性进行分析,并将该控制器成功应用于水下航行体的运动控制。将改进S面运动控制器与常规S面控制器的试验结果进行对比,结果表明:改进S面运动控制器在水下航行体的运动控制方面具有可行性及有效性。

基于S面控制的无反射造波系统

基于S面控制算法给出了一种新颖的无反射造波策略.采用交流伺服控制技术,设计了单轴无反射造波机控制硬件系统,根据无反射造波控制算法与所用硬件产品的特性,编写了无反射造波控制软件.在简易水槽中进行了规则波的普通造波与无反射造波试验,并与以往的无反射造波方法进行了对比.试验结果表明:采用S面无反射造波方法时,造波机能够长时间地输出稳定的波形,与以往的无反射造波方法相比,S面控制算法体现了更好的吸收效果.给出的无反射造波机系统的设计方法可以为不规则波无反射造波的研究以及水池多轴造波机无反射造波系统的集成提供依据.

改进PSO算法在水下机器人S面运动控制参数整定中的应用

从模糊逻辑控制方式出发,借鉴PID控制的结构而形成的S面控制器.针对粒子群优化(PSO)算法存在早熟、易陷入局部极小等现象,对基本PSO算法进行了改进,引入变学习因子和惩戒因子,更好地协调全局和局部搜索能力,有利于快速找到全局最优点,提高了PSO算法在水下机器人S面运动控制器参数整定中的优化能力.通过水下机器人的运动控制仿真试验,验证了该方法的可行性和优越性.

改进的模拟退火算法在水下机器人S面运动控制参数优化中的应用

从模糊逻辑控制思想出发,借鉴PID控制的结构而设计的S面控制器,其控制方法调整参数少,是一种简单实用的水下机器人运动控制方法,但其控制参数需要手工调整。针对S面方法由于控制参数设置不当,严重影响水下机器人运动控制精度与效果的问题,提出一种基于改进的模拟退火算法来优化S面运动控制参数的方法。通过对初始温度的选择、退火算法、增加记忆功能、停止温度的设定等方面改进了模拟退火算法,利用该算法进行水下机器人S面控制器参数的寻优与优化,可以实现控制参数的自动调整。试验结果表明基于模拟退火参数优化的S面控制方法优于普通S面控制方法,具有更好的控制精度,更快的响应速度。

基于单神经元的水下机器人S面自适应运动控制

从模糊逻辑控制方式出发,借鉴PID控制结构而形成的S面控制自身不具有自调整能力。为了加强机器人运动控制的自主性,改善控制的动态响应特性,探讨了基于单神经元的S面自适应控制学习算法,实现了控制参数的自动调整,增加的积分项改善了机器人的动态响应特性。实验结果和实际应用表明,基于单神经元的S面自适应控制器对于水下机器人的运动非线性控制具有响应速度快、超调小、自学习能力强、设计简单等多种优点。

水下机器人自适应S面控制

以某机器人为研究对象,使用S(Sigmoid)面控制方法构造了速度控制器并分析了该控制器的稳定性.参考滑模变结构控制思想,提出了参数自适应S面速度控制器,使控制参数根据运动状态自适应调整.同时,为了提高S面位置控制器的适应性,改进了控制器的自适应调整项,增强了控制器消除稳态误差的能力,实现了S面控制器局部动态调整.水池中的对比实验和海洋验证实验表明,改进方法获得了良好的控制效果,有效提高了水下机器人运动控制的适应性.