基于反馈线性化的auv近水面航向鲁棒控制研究

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1、基于反馈线性化的AUV近水面航向鲁棒控制研究●—●——E■■

2、E———■——■——皇皇宣；宣宣；i——Ii宣；i昌ii；i；i■暑薯i——————■暑—■——■昌—；i宣■摘要AUV(自主式水下航行器)是一个典型的具有非线性、耦合性和运动模型水动力不确定性的系统。AUV在近水面航行时，复杂的海流、海浪干扰将使其精确航向控制更加困难。本文为提高AUV航向控制的精确性、鲁棒性和稳定性，对非线性系统状态反馈精确线性化方法和非线性鲁棒控制理论，以及它们在AUV航向控制系统中的应用进行了深入的分析和研究。首

3、先，针对基于泰勒级数展开而建立的航向控制系统线性模型会带来系统误差的问题，依据AUV空间六自由度运动模型，建立了AUV航向控制系统非线性模型，以及在海流、海浪干扰环境下包含系统模型参数不确定性的AUV航向控制系统模型。其次，为降低AUV航向控制系统模型的非线性程度，研究基于微分几何理论的状态反馈线性化方法，分析了状态反馈精确线性化的充要条件；考虑系统的不确定性，给出了匹配条件和扩展匹配条件下的微分几何表达形式；为解决具有不确定性的AUV航向控制问题，引入鲁棒线性化的概念。再次，为提高AUV航向控制

4、系统抑制海流、海浪等环境干扰的能力，对非线性鲁捧控制理论在航向控制中的应用进行了分析和研究。基于Hamilton-Jacobi．Issacs(HJI)不等式给出了闭环系统渐近稳定且厶增益有限的状态反馈设计算法：考虑到HJI不等式的求解难度，将所得的结果转化为非线性矩阵不等式(M二MI)求解；进一步得到AUV基于状态反馈线性化的非线性鲁棒航向控制器。最后，针对本文所设计的非线性鲁棒航向控制器，应用到AUV虚拟仿真平台，得到在不同仿真环境下的AUV航向控制曲线。所得仿真结果与标准玩鲁棒控制器下的仿真结

5、果比较，充分验证了非线性鲁棒航向控制器在一定程度上提高了AUV的动态特性和鲁棒性。关键词：自主式水下航行器；航向控制；非线性鲁棒控制；反馈线性化基于反馈线性化的AUV近水面航向鲁棒控制研究AbstractAUV(AutonomousUnderwaterVehicle)isatypicalsystemwhichischaracterizedbynonlinearities，couplingsandhydrodynamicuncertainties．Itismoredifficulttoachieve

6、theaccuracyheadingcontrolforAUVwhenitnavigatesnearsurfaogundertheinfluencesofoceancurrentandoceanwaves．Inordertoenhancetheaccuracy,robustnessandstabilityforAUVheadingcontrol，alin妇fionviastatefeed-backbasedongeometrytheoryandthenolinearrobustcontrolthe

7、oryforAUVaswellastheirspracticalapplicationsaredeeplypresentedandinvestigatedinthispaper．Firstly,inordertoreducethesystem钮qrorwhosemathematicalmodelofAUVheadingcontrolisestablishedbasedonTaylorlincarizationtechnique．Theheadingcontrolsystemstructureand

8、mathematicalmodelsofAUVmotionofsixdegreesoffreedomareanalyzedinordertoperfecttheheadingcontrolsystemdesignmodel．ThenthemathematicalmodelofAUVheadingcontrolsystemwhichincludeshydrodynamicuncertaintiesandexternaldisturbancesarcestablished．Secondly,theli

9、ncariz斌ionviastatefeed-backmethodforAUVispresentedanddeeplyinvestigatedtoovercomethenegativeaffectsofthenonlinearities．Foraffinenonlinearsystem,thenecessaryandsufficientconditionforexactlinearizationofthesystemsispresented．'W]lenuncertaintiesa