基于滑模理論的水下航行器航向控制算法研究
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作者 楊建華1 王敏平2 1.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院(陜西 西安 710072) 2.西安電子工程研究所(陜西 西安 710072)
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201702/344563.htm摘要：水下航行器操控性能指標中對定向性能有較高要求，而水下航行器的運動(dòng)具有強的非線(xiàn)性和耦合性，使得不同航速下定向控制和定深轉向綜合控制成為難點(diǎn)。本文建立了水下航行器的運動(dòng)學(xué)模型，基于滑模理論設計了航向控制器，在MATLAB SIMULINK環(huán)境下搭建了航向控制仿真系統，數值仿真結果表明，滑模變結構控制器對于不同航行條件具有較強的適應性，同時(shí)，航向的控制效果明顯優(yōu)于PID控制器。
引言
水下航行器通常會(huì )在復雜的水下環(huán)境下進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的航行與作業(yè)，在航行期間既需要能穩定地保持航向、深度和航速，又需要能快速改變航向、深度和航速，準確地執行各種機動(dòng)任務(wù)，這就對水下航行器的控制系統提出了較高的要求。水下航行器的運動(dòng)是較復雜的耦合非線(xiàn)性運動(dòng)[1]。另外，水下航行器的工作環(huán)境中存在各種隨機性很大和不確定性的干擾，這些干擾對水下航行器的運動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響，這就需要魯棒性較強的控制器[2-3]。
滑模變結構控制算法簡(jiǎn)單、對參數變化不敏感，以及極強的抗干擾能力使其在水下機器人運動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用[4]。19世紀80年代以來(lái)，發(fā)達國家及國內水下機器人的研究中，使用了很多滑模變結構控制方法。但是，由于滑模變結構控制在本質(zhì)上的不連續開(kāi)關(guān)特性會(huì )引起系統的抖振，抖振問(wèn)題成為變結構控制在實(shí)際系統中應用的突出障礙[4]。因此，關(guān)于如何削弱抖振成為滑模變結構控制研究的首要問(wèn)題，國內外許多學(xué)者從不同角度提出了很多解決方案。
本文重點(diǎn)研究水下航行器的控制系統設計，針對不同航速下的定向、定深轉向時(shí)深度保持研究控制規律，基于滑模理論設計了水下航行器航向控制器，并在MATLAB SIMULINK環(huán)境下搭建了航向控制仿真系統。數值仿真結果表明，滑模變結構控制器對于不同航行條件具有較強的適應性，同時(shí)，航向的控制效果明顯優(yōu)于PID控制器。
1 水下航行器運動(dòng)學(xué)模型
水下航行器在空間中的運動(dòng)是六自由度的運動(dòng)。由于擾動(dòng)外力及力矩對各個(gè)自由度的運動(dòng)產(chǎn)生不同的影響，同時(shí)，水下航行器表現出很強的非線(xiàn)性。為了建立水下航行器的運動(dòng)方程，需要對復雜的系統進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。需滿(mǎn)足如下假設：
1)水下航行器有良好的均衡系統和浮力調整系統，保持水下航行器質(zhì)量和重心基本不變;
2)水下航行器除左右對稱(chēng)外，上下、前后也基本對稱(chēng)，坐標軸就是慣性軸;
3)指令航速和實(shí)際穩定航速相差不大;
4)水下航行器的運動(dòng)環(huán)境為波浪不大的海面，忽略波浪力對水平面運動(dòng)的影響。
根據牛頓第一定律和動(dòng)量定理，綜合水下試驗運動(dòng)受到的粘性力、附加質(zhì)量慣性力、操舵力、螺旋槳推力、復正力矩等外力作用，并引入無(wú)因次水動(dòng)力系數水下航行器六自由度空間運動(dòng)方程如下[5-6]：
軸向方程：
(1)
橫向方程：
(2)
垂向方程：
(3)
橫傾方程：
(4)
縱傾方程：
(5)
偏航方程：
(6)
2 滑模變結構控制
變結構控制(variable structure control,VAC)本質(zhì)上是一類(lèi)特殊的非線(xiàn)性控制，其非線(xiàn)性表現為控制的不連續性。這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統的“結構”并不固定，而是在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，根據系統當前的狀態(tài)(如偏差及其各階導數等)有目的地不斷變化，迫使系統按照預定“滑模動(dòng)態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動(dòng)，所以又稱(chēng)變結構控制為滑模態(tài)控制(sliding mode control,SMC)，即滑模變結構控制。由于滑動(dòng)模態(tài)可以進(jìn)行設計且與對象參數與擾動(dòng)無(wú)關(guān)，這就使變結構控制具有快速響應，對參數變化及擾動(dòng)不靈敏、無(wú)需系統在線(xiàn)辨識、物理實(shí)現簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。該方法的缺點(diǎn)在于當狀態(tài)軌跡到達滑模面后，難于嚴格地沿著(zhù)滑面向著(zhù)平衡點(diǎn)滑動(dòng)，而是在滑模面兩側來(lái)回穿越，從而產(chǎn)生顫動(dòng)。
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