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水下滑翔机轻量化建模及执行器约束下非线性MPC控制器设计

王洁茹 李崇 綦声波 赵圆圆

王洁茹, 李崇, 綦声波, 等. 水下滑翔机轻量化建模及执行器约束下非线性MPC控制器设计[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 1-10 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0042
引用本文: 王洁茹, 李崇, 綦声波, 等. 水下滑翔机轻量化建模及执行器约束下非线性MPC控制器设计[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 1-10 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0042
WANG Jieru, LI Chong, QI Shengbo, ZHAO Yuanyuan. Underwater glider lightweight modeling and nonlinear MPC controller design with actuator constraint[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0042
Citation: WANG Jieru, LI Chong, QI Shengbo, ZHAO Yuanyuan. Underwater glider lightweight modeling and nonlinear MPC controller design with actuator constraint[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0042

水下滑翔机轻量化建模及执行器约束下非线性MPC控制器设计

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0042
基金项目: 山东省自然科学基金项目资助(912162210).
详细信息
    作者简介:

    王洁茹(1997-), 女, 在读硕士, 主要研究方向为水下机器人运动建模与智能控制

  • 中图分类号: TP242, TP29

Underwater glider lightweight modeling and nonlinear MPC controller design with actuator constraint

  • 摘要: 针对现有水下滑翔机模型非线性程度及维度过高和难以设计有效的工程化控制器的问题, 首先根据水下滑翔机的运动机构组成及工作原理, 忽略建模过程中的次要影响因素, 对水下滑翔机进行轻量化建模以降低模型非线性度及复杂度, 并通过对比验证证明了轻量化模型的有效性。随后, 针对纵垂面运动进一步精简动力学方程, 发挥该模型维度低、计算量小的优点, 引入状态和控制量的实际约束, 设计了贴合实际的实时线性化模型预测姿态控制算法。数值仿真结果证明, 在±17.4°和±22.5°两种水下滑翔机常见工况下, 所提出的基于轻量化模型的控制算法可有效快速追踪期望姿态, 且上升时间和稳态调节时间均比传统控制器提高70%以上。

     

  • 图  1  坐标系定义

    Figure  1.  Coordinate System Definition

    图  2  水下滑翔机与执行机构

    Figure  2.  Underwater Glider and actuator

    图  3  不同输入阶跃信号下俯仰角变化曲线

    Figure  3.  Change curve of pitch angle under different input step signal

    图  4  不同预测时域对比结果

    Figure  4.  Comparison of different prediction time domain

    图  5  $ \pm {17.4}^{ \circ} $时控制效果对比

    Figure  5.  Control effect comparison at $ \pm {17.4}^{ \circ} $

    图  6  $ \pm {22.5}^{ \circ} $时控制效果对比

    Figure  6.  Control effect comparison at $ \pm {22.5}^{ \circ} $

    表  1  实验参数列表

    Table  1.   List of experimental parameter

    参数数值参数数值
    D/$ \left( {{\text{m/}}{{\text{s}}^2}} \right) $2.431$ {K_{M0}} $/kg0.28
    $ {J_2} $/$\left( {{\text{kg}} \cdot {{\text{m}}^2}} \right)$25.430$ {K_M} $/$\left( {{\text{kg/rad}}} \right)$−65.84
    $ {m_r} $/kg11.000$ {K_q} $/$\left( {{\text{kg}} \cdot {\text{s/ra}}{{\text{d}}^{\text{2}}}} \right)$−205.64
    g/$\left( {{\text{m/}}{{\text{s}}^{\text{2}}}} \right)$9.800$ {m_s} $/kg54.28
    $ \tau $/s0.200$ {m_b} $/kg−0.5~0.5
    $ {I_{s2}} $/$\left( {{\text{kg}} \cdot {{\text{m}}^{\text{2}}}} \right)$15.270$ {I_{r2}} $/$\left( {{\text{kg}} \cdot {{\text{m}}^{\text{2}}}} \right)$10.16
    $ {I_{A2}} $/$\left( {{\text{kg}} \cdot {{\text{m}}^{\text{2}}}} \right)$7.880$\alpha $/(°)−7~7
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    表  2  RL-MPC与PID控制器的性能指标对比

    Table  2.   Performance Index of RL-MPC and PID Controller

    工作状态为$ \pm 17.4^\circ $
    时间/s上升时间/s调节时间/s
    PIDRL-MPCPIDRL-MPC
    0~409.272.4113.063.60
    40~809.472.5013.423.75
    工作状态为$ \pm 22.5^\circ $
    时间/s上升时间/s调节时间/s
    PIDRL-MPCPIDRL-MPC
    0~409.402.6013.233.88
    40~809.482.6513.513.92
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-04-20
  • 修回日期:  2023-05-11
  • 录用日期:  2023-06-05
  • 网络出版日期:  2024-01-11

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