聶海英 丁風(fēng)雷 劉 軍

（1.海軍潛艇學(xué)院研究生隊(duì) 青島 266042）（2.海軍潛艇學(xué)院作戰(zhàn)指揮系 青島 266042）（3.海軍潛艇學(xué)院訓(xùn)練部潛艇模擬器訓(xùn)練中心 大連 116023）

1 引言

高壓氣是潛艇操艇系統(tǒng)的重要組成部分，其使用時(shí)機(jī)非常關(guān)鍵，是否使用高壓氣是潛艇操縱人員需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題；潛艇高壓氣的使用具有不可逆和非連續(xù)性，故高壓氣使用和控制必須把握三個(gè)時(shí)間點(diǎn)：供氣時(shí)機(jī)、停止供氣時(shí)機(jī)和解除氣壓時(shí)機(jī)［1］。利用傳統(tǒng)的PID控制方法對(duì)高壓氣進(jìn)行自動(dòng)控制，其可能性很小。模糊控制是一類(lèi)應(yīng)用模糊集合理論的控制方法，尤其是當(dāng)受控對(duì)象含有不確定性，而且很難用常規(guī)非線性控制理論處理時(shí)更為有效。根據(jù)潛艇高壓氣控制特點(diǎn)，采用模糊控制是合理的選擇。同時(shí)綜合利用潛艇指揮員的操縱經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)模糊控制器對(duì)潛艇高壓氣進(jìn)行控制，當(dāng)艙室破損時(shí)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)供氣、停止供氣和解除氣壓。

2 潛艇基本運(yùn)動(dòng)控制模型

本文采用垂直面操縱非線性方程作為潛艇基本運(yùn)動(dòng)控制模型［2］，其表達(dá)式如下：

3 潛艇高壓氣模糊控制器

模糊控制器的結(jié)構(gòu)［3］如圖1中虛線所示：

圖1 潛艇高壓氣模糊控制器

3.1 隸屬函數(shù)確定

模糊控制器選用多輸入—單輸出模糊控制器，它的四個(gè)輸入分別為縱傾θ、縱傾變化率、深度差Δζ和深度變化率。輸出量為高壓氣控制信號(hào)U。

縱傾θ的模糊集為：｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝；論域?yàn)椋海?，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6｝。

深度差Δζ的模糊集為：｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝；論域?yàn)椋海?，－2，－1，0，1，2，3｝。縱傾變化率θ·的模糊集為：｛NB，NS，ZO，PS，PB｝；論域?yàn)椋海?，－2，－1，0，1，2，3｝。

控制信號(hào)U 的模糊集為｛NB，NM，NS，NZ，ZO，PZ，PS，PM，PB｝；論域?yàn)椋海?，－3，－2，－1，0，1，2，3，4｝。

表1 模糊變量θ的賦值表

表2 模糊變量U的賦值表

與縱傾θ相應(yīng)的隸屬度值如表1所示，與高壓氣控制信號(hào)U相應(yīng)的隸屬度值如表2所示。

3.2 模糊控制規(guī)則

在模糊控制規(guī)則的建立過(guò)程中，通過(guò)與潛艇操縱方面的專(zhuān)家（優(yōu)秀潛艇指揮員、潛艇操縱理論研究人員、實(shí)驗(yàn)室模擬器操作人員）交流、探討，總結(jié)成初步經(jīng)驗(yàn)集，然后進(jìn)行大量的人工操縱仿真實(shí)驗(yàn)［4］，驗(yàn)證了所獲取經(jīng)驗(yàn)的有效性，并對(duì)部分應(yīng)急操縱方法進(jìn)行了定量分析，最后通過(guò)相同抗沉目標(biāo)下的多方案比較，總結(jié)出共21條模糊控制規(guī)則，其中的前3條如下所示：

3.3 模糊推理

根據(jù)3.2節(jié)提出的糊控制規(guī)則，通過(guò)模糊計(jì)算求出模糊控制結(jié)果，然后再做一次轉(zhuǎn)換，求得清晰的控制量輸出，即模糊解，在本控制器中，結(jié)果U為離散的模糊矢量，采用式（2）進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

在此過(guò)程中，將模糊控制器進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，如首、尾組主壓載水艙高壓氣的控制量?jī)H僅依據(jù)潛艇的縱傾和縱傾變化率；中組主壓載水艙高壓氣的控制量?jī)H僅依據(jù)潛艇的深度差和深度變化率。此時(shí)，原來(lái)的多輸入—單輸出控制器解耦為單輸入—單輸出控制器，從而降低了控制器的復(fù)雜度。最后利用計(jì)算機(jī)可將預(yù)先計(jì)算好的控制量U制成控制表，作為文件存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。當(dāng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的時(shí)候，便于根據(jù)輸出的信息，從文件中查詢(xún)所需采取的控制策略。

4 仿真分析

用前述控制策略設(shè)計(jì)高壓氣模糊控制器，以某型潛艇為仿真對(duì)象［5］，式（1）為運(yùn)動(dòng)控制模型，應(yīng)急上浮到水上狀態(tài)為控制目標(biāo)，對(duì)潛艇不同破損情況下高壓氣進(jìn)行自動(dòng)控制，假定艙室不進(jìn)行供氣支頂，不進(jìn)行升降舵控制。仿真結(jié)果如下所示：

1）潛艇初始深度50m，航速4kn，Ⅰ艙發(fā)生破損，破損面積0.05m2，在進(jìn)水40t左右時(shí)堵漏成功。

2）深度50m，航速4kn，Ⅲ艙發(fā)生破損，破損面積0.06m2，在進(jìn)水55t左右時(shí)堵漏成功。

3）深度100m，航速4kn，Ⅵ艙破損，破損面積0.04m2，在進(jìn)水50t左右時(shí)堵漏成功。

圖2 Ⅰ艙破損應(yīng)急上浮高壓氣自動(dòng)控制仿真曲線

圖3 Ⅲ艙破損應(yīng)急上浮高壓氣自動(dòng)控制仿真曲線

圖4 Ⅵ艙破損應(yīng)急上浮高壓氣自動(dòng)控制仿真曲線

圖2～圖4所示的仿真結(jié)果表明：利用該高壓氣模糊控制系統(tǒng)在處置艙室破損時(shí)，以上浮到水上狀態(tài)為控制目標(biāo)的應(yīng)急操縱過(guò)程中，具有較好的控制效果，潛艇均能在采取措施后110s左右順利浮出海面。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于模糊控制的潛艇高壓氣自動(dòng)控制設(shè)計(jì)構(gòu)想，通過(guò)模糊控制器的設(shè)計(jì)與仿真表明，在潛艇損失浮力情況下，利用模糊控制器能夠較為精確的對(duì)潛艇高壓氣實(shí)時(shí)自動(dòng)控制，從而使?jié)撏л^平穩(wěn)的浮出水面。從而驗(yàn)證了該控制器的有效性，同時(shí)也說(shuō)明了使用模糊控制方法實(shí)現(xiàn)潛艇高壓氣自動(dòng)控制的可行性。

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