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水下运输系统RBF神经网络终端滑模控制

袁占航 马渝翔 李运华

袁占航, 马渝翔, 李运华. 水下运输系统RBF神经网络终端滑模控制[J]. 核动力工程, 2025, 46(1): 247-253. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0247
引用本文: 袁占航, 马渝翔, 李运华. 水下运输系统RBF神经网络终端滑模控制[J]. 核动力工程, 2025, 46(1): 247-253. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0247
Yuan Zhanhang, MA Yuxiang, LI Yunhua. Design of Terminal Sliding Mode Controller Based on RBF Neural Network for Underwater Transportation System[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(1): 247-253. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0247
Citation: Yuan Zhanhang, MA Yuxiang, LI Yunhua. Design of Terminal Sliding Mode Controller Based on RBF Neural Network for Underwater Transportation System[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(1): 247-253. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0247

水下运输系统RBF神经网络终端滑模控制

doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0247
详细信息
    作者简介:

    袁占航(1985—),男,高级工程师,现主要从事机械动力学与控制相关设计研究工作,E-mail: 552425556@163.com

  • 中图分类号: TP273;TL36

Design of Terminal Sliding Mode Controller Based on RBF Neural Network for Underwater Transportation System

  • 摘要: 水下运输系统在运输载荷时会受到水的不确定非线性和其他外部扰动影响。针对水下运输系统的运行控制问题,以核电厂燃料组件的水下运输系统为对象,设计了基于径向基函数(RBF)神经网络的非奇异终端滑模控制方法。首先,根据牛顿第二定律和Morison方程建立了系统的运动微分方程并推导其状态空间方程;其次,设计非奇异终端滑模控制器,并用RBF神经网络对未知非线性作用进行估计并在控制器中补偿,由Lyapunov稳定性理论推导了网络权值的自适应更新律;通过Lyapunov稳定性理论证明了所提控制策略可以实现对未知非线性估计的渐进收敛和对给定指令跟踪的有限时间收敛;分别对带载上行和空载下行两种工况进行仿真验证,仿真结果表明了所设计的控制器性能良好。

     

  • 图  1  水下运输系统简图

    Figure  1.  Underwater Transportation System

    图  2  动力学模型

    J—折算到卷筒轴上的转动惯量;m0—小车及负载质量;R—卷筒半径;Fd—负载小车所受的水的阻力;Fm—负载小车所受的水附加质量力;FG—负载小车所受的重力及水的浮力沿导轨方向分量;$\theta $—卷筒转角;$\omega $—卷筒旋转角速度;A—阻力面积;V—排水体积

    Figure  2.  Dynamic Model

    图  3  RBF神经网络结构

    $ \boldsymbol{i}=[i_1,\ i_2,\cdots,\ i_n] $—输入层输入;n为输入层数量;$ \boldsymbol{h}=[h_1,\ h_2,\cdots,\ $$ h_m] $—高斯核函数输出;$ \boldsymbol{W}=[W_1,\ W_2,\cdots,\ W_m] $—网络权值向量;m—隐含层神经元数量

    Figure  3.  RBF Neural Network Structure

    图  4  带载上行时跟踪曲线

    x1d—给定指令;x1_NTSM—NTSM控制器的响应;x1_PID—PID控制器的响应,下同

    Figure  4.  Tracking Curves for Upgoing with Load

    图  5  带载上行时NTSM控制器跟踪误差

    Figure  5.  Tracking Error of Controller NTSM for Upgoing with Load

    图  6  带载上行时PID 控制器跟踪误差

    Figure  6.  Tracking Error of Controller PID for Upgoing with Load

    图  7  带载上行时未知非线性估计

    D(t)_est—RBF网络对未知非线性的估计,下同

    Figure  7.  Estimation of Unknown Nonlinearity for Upgoing with Load

    图  8  空载下行时跟踪曲线

    Figure  8.  Tracking Curve for Downgoing without Load

    图  9  空载下行时NTSM控制器跟踪误差

    Figure  9.  Tracking Error of Controller NTSM for Downgoing without Load

    图  10  空载下行时PID控制器跟踪误差

    Figure  10.  Tracking Error of Controller PID for Downgoing without Load

    图  11  空载下行时未知非线性估计

    Figure  11.  Estimation of Unknown Nonlinearity for Downgoing without Load

    表  1  模型参数表

    Table  1.   Model Parameters

    参数名 参数值
    转动惯量J/(kg·m2) 0.006
    带载质量mt/kg 966
    空载质量mf/kg 296
    卷筒半径R/m 0.325
    阻尼系数bm 0.1
    阻力面积(带载上行)Al/m2 1.1745
    阻力面积(空载下行)Ad/m2 0.845
    排水体积(带载上行)Vl/m3 0.224
    排水体积(空载下行)Vd/m3 0.0377
    导轨倾角φ
    水密度ρ/(kg·m−3) 1000
    水的附加质量系数Cd 1.0
    水的阻力系数Cm 1.0
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-04-24
  • 修回日期:  2024-06-16
  • 刊出日期:  2025-02-15

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