复杂洋流条件下小型水下航行器多电机动态平衡控制方法研究

The small underwater vehicle is easily affected by the complex ocean current. And it is easily to make navigation error because of its light weight and small volume. So how to suppress interference and keep hull balance is a primary problem in the research of small underwater vehicle. First of all, this project make hybrid modeling the hardware topology and software control of small underwater vehicle based on Petri nets. It proposed the force coefficient function which reflect the relation of a single propeller relative to the whole system. It chose the least energy consumption scheme based on dynamic programming. Then it introduced the concept of the ‘virtual motor’ to improved relative coupling control structure for multi-motor balance control synchronization. Finally it controlled the propulsion motor of the small underwater vehicle by the spatial voltage vector control of combined-type arbitrary sector level. This project can compensate most underwater current interference self-adaptively and it can keep hull balance quickly with excellent dynamic performance. The success of this project will lay a foundation for the theory and application research on hull balance. And there will be a good start for the excellent control and navigation research.

小型水下航行器体积小质量轻，易受复杂洋流干扰从而影响船体平衡造成导航误差。因此保持船体平衡是小型水下航行器的基本要求，其关键在于协调多个推进电机实现动力定位。本项目根据动力学平衡方程式基于Petri网络针对小型水下航行器的硬件拓扑与软件控制进行混合建模，根据每台推进器的动力与可调角度拟合其相对于船体的作用力系数函数，基于动态规划选择能耗最小的方案；由能耗最小的动力逻辑分配方案引入虚拟电机改进多电机控制系统的偏差耦合结构，实现动态异速平衡控制；为进一步缩短系统调整时间，提高系统控制精度，利用组合型任意扇区层次的空间电压矢量控制方法驱动小型水下航行器每个推进电机，实时补偿水下洋流干扰平衡船体。该方法动态响应快速，能够自适应补偿洋流干扰，为小型水下航行器船体平衡研究奠定理论与实践基础，也为后续导航算法的实现构建良好平台。

本项目针对小型水下航行器体积小质量轻，易受复杂洋流干扰从而影响船体平衡造成导航误差的缺点展开研究。主要包含以下研究工作：. ① 基于虚拟主轴多电机异速同步系统设计一种归一化的比例同步系数分配方法，结合Petri网络实时调配各个从动轴推进电机的参考转速。针对该方法中异速差异大、动态响应高的需求，设计有限时间动态面反步滑模控制器，提升系统响应速度，增强水下航行器抑制不规则实时洋流干扰，提升船体平衡控制的能力。. ② 设计了一种基于拉盖尔函数的水下航行器自适应预测轨迹跟踪控制方法以解决复杂水文环境下轨迹跟踪实时性较慢、精度较低的问题。在运动控制模型上引入预测控制，融合递推最小二乘算法设计自适应算法，实时估算参数的变化量，并通过拉盖尔系数缩减输入控制量，提高系统的运算速度。. ③ 为提高水下航行器电力推进驱动电机的性能设计相应控制算法：. a）永磁同步电机模糊自整定自适应积分反步控制. 设计了一种永磁同步电机模糊自整定自适应积分反步控制方法以抑制电感参数扰动。考虑电流误差积分项设计自适应电流误差积分反步控制器，实现对dq轴电流给定的精确跟踪。在此基础上，设计模糊推理模块，其可以根据电机转速误差及其变化率自适应在线整定转速反馈增益及自适应增益，从而提高系统对内部参数摄动的鲁棒性。. b）基于微分项的参数模糊自整定永磁同步电动机自适应积分反步控制. 设计了一种基于微分项的参数模糊自整定永磁同步电动机自适应积分反推控制器，同时抑制外部负载及内部参数扰动对系统的影响。构造适当的李雅普诺夫补偿函数，重新设计自适应律并加入抗饱和积分器，减小内部参数扰动影响的同时防止可能出现的积分饱和问题。. 在本项目的资助下，共发表学术论文10篇，授权发明专利5项，受理发明专利3项；授江苏省江苏省科技进步三等奖1项。以上成果为小型水下航行器船体平衡研究奠定理论与实践基础，也为后续导航算法的实现构建良好平台。