基于SQP算法的7000m载人潜水器有约束非线性控制分配研究

以7000m载人潜水器为研究对象，分析了潜水器的推进系统，并给出了6自由度推力转换模型，重点讨论了载人潜水器控制分配的优化问题．结合7000m载人潜水器的推进器布置和推进器特点，设计了优化准则代价函数，采用序列二次规划（sequential quadratic programming，SQP）算法求解了载人潜水器的非线性控制分配问题，通过半物理仿真平台实验验证了本文提出的控制分配算法的正确性和有效性．     

基于干扰精细估计与神经网络推力分配的载人潜水器控制

针对潜水器在水下运行时会受到洋流、参数摄动等多种干扰因素影响和潜水器的过驱动问题,设计一种基于干扰观测的反步控制器和基于神经网络二次规划的推力分配器的双层控制结构.首先,建立潜水器系统在洋流影响下的动力学模型;其次,将潜水器受到的干扰分为由洋流产生的干扰和由其他因素引起的干扰两部分,分别使用洋流观测器和非线性干扰观测器进行估计,并基于干扰观测信息利用反步法设计运动控制器;然后,针对潜水器的过驱动特性以及推进器的推力受限问题,提出一种基于神经网络二次规划的推力分配方法;最后,使用Matlab进行数值仿真,验证所提控制方法的有效性和优越性.结果表明,基于干扰精细估计与神经网络推力分配的潜水器运动控制系统具有干扰估计更加准确、推进系统的耗能最优,以及避免推进器的推力超限等优势.     

深海载人潜水器推进器系统故障诊断的新型主元分析算法

针对"蛟龙号"深海载人潜水器多推进器系统的故障检测与快速定位难题,将基于信度分配的模糊小脑神经网络(credit assignment-based fuzzy cerebellar model articulation controller, FCA–CMAC)应用于主元分析模型,提出一种基于主元分析(principal component analysis, PCA)的深海载人潜水器推进器系统故障诊断模型.首先,应用推进器系统正常运行的历史电流样本数据,由主元分析模型得到各推进器的电流预测值.其次,计算出故障检测统计量均方预测误差(squared prediction error, SPE),根据SPE值是否跳变,判断推进器系统有无故障发生.通过分别重构各推进器电流信号的SPE值对故障推进器进行定位和隔离.最后,通过对实际海试数据进行仿真处理说明了该算法的可行性,并通过与多层前馈神经网络(back propagation, BP)和常规小脑神经网络(cerebellar model articulation control-ler, CMAC)神经网络进行比较,说明基于FCA–CMAC神经网络的主元分析模型的优越性.     

船舶动力定位系统推力分配策略研究

针对船舶动力定位系统推力分配过程中推进系统的燃油消耗大、推进器磨损严重、推力误差存在等现象,提出一种以带权重的伪逆算法为基础、合理高效地解决船舶推力分配问题的方法.整个推力优化分配的目标是使推进系统的能耗最小,同时考虑推进器的方位角变化速率,推进器的推力禁区、推力饱和限制等情况,静态解决方法给出了基于最小能量的各推力的优化方向,在考虑禁止角情况下,全回转推进器方向角可以缓慢变化,而动态解决方法提供了动态能力.两者结合后,成为一种以能量优化为目的的推力分配算法.经仿真验证,静态和动态相结合的推力分配算法要比纯静态的算法消耗更少的能量,而且误差更小,应用前景比较广泛.     

基于改进遗传算法的动力定位船舶推力分配研究

针对船舶动力定位非凸约束非线性推力分配优化问题,首先建立了推进器功率消耗、磨损、推力误差的优化目标函数,然后分析约束条件,给出优化问题约束不等式,最后将邻域搜索引入遗传算法求解所定义推力分配问题。仿真结果表明该算法对于求解非凸约束非线性推力分配问题具有较强可行性与准确性,能有效降低推进系统功耗,提高船舶动力定位性能。     

动力学效应的动力定位船舶模型在线辨识算法

由于船舶模型的高度非线性以及外界干扰力、推进器推力的无法测量性,导致它们的在线辨识和估计显得十分困难.本文提出一种以动力学效应为基础,应用无味卡尔曼滤波器（unscented Kalman filters,UKF）进行动力定位船舶动力学模型、外界载荷以及推进器推力在线辨识的算法.此算法能够在动力定位过程中不断求解船舶模型和其受到的载荷力,使得拥有这些参数的船舶模型和载荷所反映出的动力学效应不断逼近传感器检测到的运动反馈.基于此原理,用这些参数作为名义上的船舶模型、外界力、推进器推力就能够完成高效、自适应的定位控制.通过控制仿真,证明了此算法的有效性和正确性.     

复合干扰下载人潜水器的全阶滑模控制

针对蛟龙号载人潜水器(JIAOLONG)在运行过程中受到深海洋流、模型不确定性和未建模动态等因素影响,本文设计了一种基于干扰观测器的新型全阶滑模控制(disturbance-observer based full-order sliding mode control,DOB–FOSMC)方法.首先,建立载人潜水器系统的动力学模型;然后,设计扩展非线性干扰观测器估计系统的复合扰动;其次,设计能够描述潜水器完整动态特性的全阶滑模面,从而得到滑模控制律,并给出闭环控制系统的稳定性分析;最后,通过数值仿真验证控制方法的有效性和优越性.基于干扰观测器的全阶滑模控制方法的优越性主要体现在:能够描绘载人潜水器的全阶动态特性,并且有效抑制抖振现象.     

无缆自治水下机器人控制方法研究

以成功研制的无缆自治水下机器人(AUV)为基础,对其航行控制和定位控制方法进行了较详细的分析.同时介绍了它的推进器布置、控制系统结构、推力分配等方法.最后展示了它的运行实验结果.􀁱     

潜水器舱室空间布局的多学科设计方法研究

载人潜水器舱室空间布局涉及到多目标、多学科问题,通过对潜水器舱室空间的分析,研究了多学科设计优化方法对于这类多目标、多学科问题求解的有效性。建立潜水器多学科设计优化方法和协同优化思路,分解潜水器舱室并对潜水器舱室空间进行详细描述,构建基于Pareto的多目标遗传算法,对潜水器舱室空间进行多学科分解和计算,最终获得潜水器舱室空间设计方案。     

基于自抗扰控制的载人潜水器动力定位仿真研究

针对载人潜水器(MSV)在不确定海洋环境中的动力定位问题,提出了一种线性扩张状态观测器与离散二阶系统最速反馈控制律相结合的线性自抗扰控制(LADRC)方案;先根据动力学原理,建立了带海流干扰的载人潜水器六自由度运动模型,然后再引入虚拟控制量,对模型进行了部分解耦,最后运用MATLAB软件,针对某载人潜水器进行了四自由度动力定位系统仿真实验,结果表明,使用该方法能快速且有效地抵御强海流干扰,满足了载人潜水器高精度悬停定位的要求。     

Fault-tolerant control algorithm of the manned submarine with multi-thruster based on quantum-behaved particle swarm optimisation

A thruster reconfiguration control approach of manned submarine with 7000?m operation depth based on quantum-behaved particle swarm optimisation (QPSO) is presented in this article. The manned submarine has eight thrusters. When thruster faults happen, the corresponding weight matrix is updated to restrict the usage of the faulty thruster. But the solution with this method may become unfeasible (exceed the rated valve of the thruster) and cannot be directly applied to the thrusters. In order to complete an appropriate control law reconfiguration, a novel control reallocation method based on QPSO is proposed. Not only is the solution obtained by the approach of QPSO limited in the whole feasible space, but also the control error of the fault-tolerant control is very small. Eight dimensions of the particles are used in this article, and each particle represents the components of the control vector, it searches in the range of the restricted factor value to make sure that all the reconfiguration control solutions are feasible. Compared to the weighted pseudo-inverse method, the error of the obtained control vector with the QPSO is very small. Finally, simulation examples of multi-uncertain faults are given to illustrate the advantages of the proposed method.     

Spacecraft thruster control allocation problems

We consider the control allocation problem in a spacecraft thruster configuration. It consists on the determination of the force command to be sent to each thruster in order to point the total torque and/or thrust vectors. Here, we state four possible practical problems and propose a control allocation algorithm based on a subgradient optimization, which is shown to be faster than existing allocators.     

Unmanned Underwater Vehicles Fault Identification and Fault-Tolerant Control Method Based on FCA-CMAC Neural Networks,Applied on an Actuated Vehicle

A novel fault diagnosis and accommodation method for unmanned underwater vehicles thruster is presented in this paper. FCA-CMAC (Credit Assignment-based Fuzzy Cerebellar Model Articulation Controllers) neural network is used to realize the fault identification for thruster continuous and uncertain jammed fault situation. A reconstruction algorithm based on weighted pseudo-inverse is used to find the available solution of the control allocation problem. To illustrate effective of the proposed method, two simulation examples of multi-uncertain abrupt faults are given in the paper.     

Control Allocation for Double-ended Ferries with Full-scale Experimental Results

International Journal of Control, Automation and Systems - A novel control allocation algorithm for double-ended ferries with symmetrical thruster configuration is proposed. The allocation problem...     

一种推力恒定的RCS控制系统指令分配方法

高超声速飞行器再入段初期，所处大气环境空气稀薄，空气舵已无法提供足够力矩来维持姿态稳定，因此就需要反作用控制系统（Reaction Control System,RCS）来提供姿态稳定力矩。针对给定的飞行器RCS八喷管配置方案，基于查表法和脉宽调制，提出了一种能够维持飞行器系统姿态稳定的静态指令分配方法。给出了高超声速飞行器六自由度状态方程，采用一阶滑模控制算法进行姿态稳定控制；基于查表法思想和冲量等效的脉宽调制原理，完成了无故障情况下八喷管指令分配组合表的设计，并根据工程实际对组合表进行容错优化；设计了能够对单推力器发生卡死故障具有容错性的指令分配优化组合表，并采用脉宽调制方法对控制指令进行调制从而获得推力器的开关指令。仿真验证了该指令分配方法能够维持系统姿态稳定，提高控制系统的控制效率，有效解决了八喷管配置以及单喷管卡死故障情况下的指令分配问题。     

Thruster fault diagnosis and accommodation for open-frame underwater vehicles

This paper introduces a novel thruster fault diagnosis and accommodation system (FDAS) for open-frame underwater vehicles. Basically, the FDAS is a control allocator, but this primary function is enhanced with the ability of automatic thruster fault detection and accommodation. The proposed FDAS consists of two subsystems: a fault diagnosis subsystem (FDS) and a fault accommodation subsystem (FAS). The FDS uses fault detector units (FDUs), associated with each thruster, to monitor their state. Robust and reliable FDUs are based on integration of self-organising maps and fuzzy logic clustering methods. These units are able to detect internal and external faulty states of thrusters. The FAS uses information provided by the FDS to accommodate faults and perform an appropriate control reallocation. A control energy cost function is used as the optimisation criteria. The FAS uses weighted pseudo-inverse to find the solution of the control allocation problem, which minimise this criteria. Two approximations (truncation or scaling) can be used to ensure feasibility of the solution. The proposed FDS is evaluated with data obtained during test trials. The feasible region concept, related with the problem of thruster velocity saturation, is developed in order to provide geometrical interpretation of the control allocation problem. The proposed FDAS is implemented as a Simulink model (ROV simulator), in order to evaluate its performance in different faulty situations.     

再入飞行器反推力器配置性能评价方法

为完善再入飞行复杂反推力器配置的控制性能分析,提出了新的分析方法.基于控制指令在空间分布的不均匀特性,提出了任务可行率指标,以获得任务可行的最佳完整配置组合;为有效判断控制指令扰动产生解突变的可能,引入矩阵条件数,提出了病态度指标;为反映配置矩阵抗羽流干扰的鲁棒性,基于最小奇异值理论提出了羽流抗扰度指标,并分别给出了各分析方法量化指标的具体实现.最后通过算例验证了该方法的有效性.     

基于模糊逻辑的导弹复合控制系统优化设计

建立了具有气动力／直接侧向力混合控制的导弹动力学模型，设计了常规气动力控制和模糊逻辑侧向力控制的导弹复合控制系统．根据控制系统跟踪性能要求和直接力控制原则，采用进化策略对常规气动力控制器参数和模糊直接力控制规则进行优化设计．仿真结果表明，导弹复合控制系统具有良好的快速大机动跟踪能力，可实现导弹气动力和直接侧向力之间合理的控制分配．