基于模糊控制的水下潛器沉浮控制方法

摘要：針對(duì)水下潛器實(shí)際工作的需求和水下沉浮運(yùn)動(dòng)特征，提出一種基于自適應(yīng)模糊控制的水下潛器自主沉浮控制方法。該方法從優(yōu)化隸屬函數(shù)入手，采用多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差反向傳播(EBP)算法對(duì)它的參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)修正，并采用Delta-Bar-Delta學(xué)習(xí)規(guī)則對(duì)學(xué)習(xí)速率進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)整，使EBP算法具有較快的收斂速度，同時(shí)避免了局部極小值問(wèn)題。仿真實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于水下潛器自主沉浮運(yùn)動(dòng)的不能精確建摸、干擾嚴(yán)重的非線(xiàn)性與時(shí)變情況，這種自適應(yīng)模糊控制是一種較好的控制方式。
關(guān)鍵詞：模糊控制；自主沉?。浑`屬函數(shù)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

    水下潛器在作業(yè)使用時(shí)，為了自身的結(jié)構(gòu)安全以及保持深度穩(wěn)定性，要求有良好的自主沉浮控制能力。水下潛器由于慣性較大，在水下的低速運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為耦合非線(xiàn)性。因此，水下潛器自主沉浮控制系統(tǒng)是一種慣性大、時(shí)滯、非線(xiàn)性的復(fù)雜控制系統(tǒng)。常規(guī)的PID控制方法。要求水下潛器的動(dòng)力學(xué)特性是已知的，同時(shí)應(yīng)該保持不變，尤其是外界的擾動(dòng)要盡可能小，主要由人工憑經(jīng)驗(yàn)根據(jù)水下潛器的重量、排水、沉浮速度及海況等諸因素調(diào)整各參數(shù)。但實(shí)際情況中海洋環(huán)境的特殊性和多變性，使得常規(guī)的PID方法有很大的局限性，運(yùn)用效果不好。模糊控制是一種適用于難以用精確數(shù)學(xué)模型描述而主要依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)的復(fù)雜控制方法，因此人們紛紛研究將模糊控制應(yīng)用到各種航器的操縱控制中。但一般的模糊控制器因?qū)儆赑D控制，缺少積分環(huán)節(jié)，并且其模糊規(guī)則一經(jīng)確定就不再改變，在無(wú)干擾的情況下，可以獲得較好的控制效果，當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，控制效果就顯得不夠理想。
    文中針對(duì)實(shí)際要求，提出一種基于自適應(yīng)模糊控制的水下潛器自動(dòng)沉浮控制方法。由于模糊控制器的隸屬函數(shù)與模糊控制規(guī)則的選取對(duì)控制效果影響最大，該方法從優(yōu)化隸屬函數(shù)入手，采用多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差反向傳播(EBP)算法對(duì)它的參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)修正，采用Delta-Bar-Delta學(xué)習(xí)規(guī)則對(duì)學(xué)習(xí)速率進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)整，使EBP算法具有較快的收斂速度，同時(shí)避免了局部極小值問(wèn)題。仿真實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于水下潛器自動(dòng)沉浮與定深潛伏運(yùn)動(dòng)的不能精確建摸、干擾嚴(yán)重的非線(xiàn)性、時(shí)變情況，這種自適應(yīng)模糊控制是一種較好的控制方式。

1 潛器水下自主沉浮控制系統(tǒng)工作原理
    潛器沉浮控制系統(tǒng)裝置如圖1所示，主要由油箱、油泵、電磁閥、油囊及相關(guān)的電子控制器、傳感器，模糊轉(zhuǎn)換電路、電源組成。裝置浮力調(diào)節(jié)的控制原理是用油泵將油箱的油充到油囊中去，油囊膨脹，從而使反潛器排水體積增加，其浮力增加。反之，將油囊中的油抽回油箱中，則其浮力將減小。正負(fù)浮力的改變從而使反潛器上浮或下沉。

    設(shè)想的潛器定深與沉浮運(yùn)動(dòng)的過(guò)程描述如圖2所示。所構(gòu)想的初始技術(shù)指標(biāo)為：定深誤差在定深指標(biāo)的5％以?xún)?nèi)，即在2 000 m定深處上下沉浮不能超出100 m。這樣就要求高壓油泵的工作深度要達(dá)到2 100 m以上，并留出50～100 m的設(shè)計(jì)裕度。油囊高壓泵的抽放油速率設(shè)計(jì)以及油囊的大小，一方面根據(jù)要求的反潛器定深動(dòng)作反應(yīng)速率和油囊體積變化時(shí)滯來(lái)參考，另一方面這些性能參數(shù)也依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)精確測(cè)定，為油囊充放油控制提供參數(shù)。

2 自適應(yīng)模糊控制方法
    基于自適應(yīng)模糊控制的水下潛器沉浮控制過(guò)程，如圖3所示。

2．1 模糊控制器
    模糊控制器采用二維模糊控制器，用深度的偏差E和偏差變化率為它的2個(gè)輸入，以電磁閥的變化μ作為控制量，將和控制量μ的數(shù)量范圍劃分為5個(gè)用語(yǔ)言變量表述的模糊集，即負(fù)大(NB)、負(fù)小(NS)、零(0)、正小(PS)、正大(PB)。而E和的數(shù)量范圍亦劃分為5個(gè)語(yǔ)言變量表述的模糊集，即負(fù)大(NB)、負(fù)小(NS)、零(0)、正小(PS)、正大(PB)。
2．2 隸屬函數(shù)
    輸入變量的隸屬函數(shù)為梯形隸屬函數(shù)和三角形隸屬函數(shù)。下面給出的是控制變量的隸屬函數(shù)，輸入變量的隸屬函數(shù)類(lèi)同。
  
    其中i為輸入變量：i=1對(duì)應(yīng)E，i=2對(duì)應(yīng)；j為規(guī)則；μij(xi)為規(guī)則j中第i個(gè)輸入分量在所在模糊區(qū)間上的隸屬度；a，b，c，d為規(guī)則j中第i個(gè)輸入分量所在模糊區(qū)間的控制參數(shù)。
2．3 自適應(yīng)模糊控制器
    對(duì)模糊控制器的修正，實(shí)際上是對(duì)隸屬函數(shù)的參數(shù)a，b，c，d和修正。取誤差函數(shù)：
   
    其中，η(t)為深度H，dp為控制目標(biāo)。
    采用EBP算法(加慣性項(xiàng))對(duì)隸屬函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行修正，得如下公式：
  
    其中，αij、βij、γij均為學(xué)習(xí)速率，τi為慣性系數(shù)。
    上述3式中右邊第3項(xiàng)為慣性項(xiàng)，因?yàn)樵贓BP算法中，如果學(xué)習(xí)速率取的小學(xué)習(xí)過(guò)程將很慢，而大的學(xué)習(xí)速率又可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)過(guò)程的振蕩，另外學(xué)習(xí)過(guò)程可能收斂于局部極小點(diǎn)或在誤差函數(shù)的平穩(wěn)段停止不前。慣性項(xiàng)的引入可以提高收斂速度和改善動(dòng)態(tài)性能(即可以抑制寄生振蕩)。
   

    針對(duì)EBP算法收斂速度慢的問(wèn)題，采用Delta-Bar-Delta學(xué)習(xí)規(guī)則對(duì)學(xué)習(xí)速率進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)整，以提高收斂速度。
    以αij為例，βij、γij同理：
   
    其中，ξ是一個(gè)正實(shí)數(shù)，參數(shù)a、b、ξ根據(jù)實(shí)際情況自定。典型值為：10-4≤a≤0．1，0．1≤b≤0．5，0．1≤ξ≤0．7。

3 仿真分析
    假定潛器在水下1 990 m處于懸浮平衡狀態(tài)，油泵充抽油率為10 N／S，突然受到一瞬時(shí)外力的擾動(dòng)作用，使得潛器獲得了向上或向下的速度(12 m／s或-12 m／s)。利用計(jì)算機(jī)仿真潛器在基于自適應(yīng)模糊控制方法下的沉浮控制效果，仿真效果如圖4、圖5所示。仿真結(jié)果表明：采用自適應(yīng)模糊控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)水下潛器的自主沉浮控制是完全可行的，能夠在受到一定擾動(dòng)的情況下仍保持定深懸浮的穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)
    良好的自動(dòng)沉浮控制能力對(duì)于水下潛器來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，是保證水下潛器能夠進(jìn)行正常工作的前提條件。由于水下潛器在水下的低速運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為耦合非線(xiàn)性，因此，水下潛器自動(dòng)沉浮控制系統(tǒng)必然是一種慣性大、時(shí)滯、非線(xiàn)性的復(fù)雜控制系統(tǒng)。本文提出的基于模糊控制的沉浮控制方法從優(yōu)化隸屬函數(shù)入手，采用多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差反向傳播(EBP)算法對(duì)它的參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)修正，并采用Delta-Bar-Delta學(xué)習(xí)規(guī)則對(duì)學(xué)習(xí)速率進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)整，使EBP算法具有較快的收斂速度，同時(shí)避免了局部極小值問(wèn)題，在實(shí)際工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，隸屬函數(shù)的優(yōu)化還可以考慮將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他智能方法相結(jié)合，以期能夠獲得更快的控制效果。