Тема: Нелинейное управление автономным подводным аппаратом

Автономным подводным аппаратом называется подводный робот, внешне
похожий на торпеду или подводную лодку. В настоящее время использо-
вание автономных подводных аппаратов становится все более и более по-
пулярным, поскольку они могут работать и исследовать на экстремальных
глубинах , в то же время являются недорогой альтернативой для выполне-
ния наблюдательных миссий, подводных поисков, осмотра трубопровода,
постановок мин или же для удаленных операций ВМФ.
Рис. 1: Автономный подводный аппарат
Так, например, нефтяная компания Shell [5] вычислила, что при ис-
пользовании автономного подводного аппарата для различных глубоковод-
ных обследований и производственных задач, за пять лет возможно сэконо-
мить 100 миллонов долларов на прямых операционных затратах и за счет
ограничения консерватизма в проектировании.
Многие университеты и компании заинтересованы в разработке ме-
тодов контроля подводных аппаратов с целью улучшения динамических
реакций подводного средства. Большое количество исследовательских ра-
бот по разработке и реализации различных контроллеров уже существу-
ют. Используется несколько методов управления подводными аппаратами
[1,4], которые включают в себя ПИД-регулирование, линейное квадратич-
ное Гауссово управление, LQR-оптимизацию, нечеткую логику управления,
адаптивное управление и скользящий режим, бэкстеппинг управление.
Если же говорить о самих моделях, то для изучения, как правило, ис-
пользуются упрощенные линейные модели, когда в действительности чаще
всего модели являются нелинейными. Необходимо учитывать эту нелиней-
ную динамику при различных сложных движениях, в частности, при дви-
жении на заданной траектории.
Более того, не следует забывать, что на практике возможны ситуа-
ции, когда модель описана не полностью или же происходят изменения па-
раметров модели неизвестным образом. Это связано с тем, что в большин-
стве случаев невозможно измерить переменные вектора состояния объекта
управления из-за отсутствия измерительных устройств или же из-за спе-
цифики самого процесса (например, на систему воздействуют внешние воз-
мущения, которые не могут быть измерены). Такие неизвестные парамет-
ры могут привести к неточности или же нестабильности системы управле-
ния. Без постоянного изменения контроллера, изначально синтезированное
управление не в состоянии контролировать процесс корректно. Как след-
ствие, при таких условиях используют робастные и адаптивные законы
управления, которые обеспечивают стабильность характеристик системы
при наличии неопределенностей или же неизвестных вариаций параметров объекта.
В данной работе рассматривается нелинейная модель полноприводно-
го автономного подводного аппарата, к которому применяется hierarchical
backstepping control. Использование техники бэкстеппинга позволяет обес-
печить параметрическую робастность и учесть нелинейный вид используемой модели.
Купить

В работе была поставлена задача построения модели автономного
подводного аппарата и иерархического бэкстеппинг контроля. Эта зада-
ча актуальна в связи с тем, что, во-первых, вопрос построения управле-
ния для нелинейной системы изучен не так хорошо, как для линейной,
во-вторых, многие университеты и компании занимаются исследованием
и синтезом управления для автономных подводных аппаратов в связи с
широким спектром задач, которые могут быть решены при использовании данного объекта.
Таким образом, в работе получены следующие результаты:
1. Изучены вопросы применимости известного алгоритма бэкстеппинг
управления для управления на траектории подводного автономного аппарата.
2. Предложена модификация алгоритма управления с целью возмож-
ности компенсации внешних возмущений на основе их оценок, получаемых
с помощью наблюдателя.
3. Сформирована Simulink-модель для проведения имитационного мо-
делирования движения конкретного автономного подводного аппарата по
заданной траектории при рассмотренных вариантах управления, результа-
ты которого иллюстрируют их успешность.
Купить