自主水下航行器的軟變結(jié)構(gòu)控制.pdf

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1、第42卷第9期2012年9月中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)PERIODICAL0FOCEANUNIVERSITY0FCHINA42(9)：110b114Sept．，2012自主水下航行器的軟變結(jié)構(gòu)控制+劉云龍1’2，高存臣1’3，常俊芳1，郭真真3(1．中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100；2．濰坊學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，山東濰坊2610613．中國海洋大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，山東青島266100)摘要：研究自主水下航行器系統(tǒng)的軟變結(jié)構(gòu)控制策略問題。首先分析軟變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，利用雙曲正切函數(shù)，給出控制受限情形的軟變結(jié)構(gòu)控制策略。其次利用Lyapunov穩(wěn)定性理論，討論自主水下

2、航行器軟變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，然后構(gòu)造了基于雙曲正切函數(shù)的軟變結(jié)構(gòu)控制器，給出自主水下航行器軟變結(jié)構(gòu)控制的具體算法?；陔p曲正切函數(shù)的自主水下航行器軟變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度高，響應(yīng)速度快，有效地削弱了系統(tǒng)抖振。最后通過一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，比較了自主水下航行器垂直深度通道的4種控制策略對系統(tǒng)性能的影響，從而驗(yàn)證了研究方法的有效性。關(guān)鍵詞：自主水下航行器；軟變結(jié)構(gòu)；滑模；雙曲正切函數(shù)；飽和性中圖法分類號：TP242；TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672—5174(2012)09—110—05隨著依托海洋，海陸統(tǒng)籌，高端產(chǎn)業(yè)聚集，生態(tài)文明，科技先導(dǎo)為基本特征的藍(lán)色經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，能夠進(jìn)行

3、海洋資源開發(fā)和信息探測的自主水下航行器研究受到了國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者的廣泛關(guān)注[1’3]。目前，自主水下航行器，在軍事方面，已應(yīng)用于水下巡航、水下偵查和水下中繼通訊等領(lǐng)域；在商用方面，已應(yīng)用于海洋資源勘查與探測、水下建筑、電纜等設(shè)施檢查、海洋救險(xiǎn)和打撈等領(lǐng)域。由于自主水下航行器各自由度運(yùn)動存在強(qiáng)耦合，海流等外界環(huán)境的擾動，具有良好動態(tài)品質(zhì)與穩(wěn)態(tài)性能的控制系統(tǒng)是它們進(jìn)行高質(zhì)量水下作業(yè)的前提。自主水下航行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要采用調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度快的控制策略，以提高自主水下航行器的適應(yīng)性和自主性。變結(jié)構(gòu)控制是1種先進(jìn)的非線性控制策略，在理論和應(yīng)用上都取得了很大進(jìn)展?；？刂剖亲兘Y(jié)構(gòu)控制

4、策略中一種簡單有效的控制模式，其滑動模態(tài)對系統(tǒng)內(nèi)部參量攝動和外部干擾具有完全魯棒性[4’5]。然而，滑?？刂茣鹣到y(tǒng)抖振。雙曲正切函數(shù)是一類具有光滑性、嚴(yán)格單調(diào)性、飽和性特點(diǎn)的函數(shù)，其性質(zhì)類似于Sigmoid函數(shù)。文獻(xiàn)[6]給出了基于Sigmoid函數(shù)的滑模變結(jié)構(gòu)控制，有效地削弱了系統(tǒng)抖振，系統(tǒng)最終趨近于平衡態(tài)。文獻(xiàn)[7]給出了一種自主水下航行器運(yùn)動S面控制策略，改進(jìn)了控制器的收斂速度。軟變結(jié)構(gòu)控制是基于無滑模變結(jié)構(gòu)控制模式產(chǎn)生和發(fā)展的，具有調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度快，幾乎不產(chǎn)生抖振等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[8]給出了分段線性二次型最優(yōu)受限系統(tǒng)的軟變結(jié)構(gòu)控制。文獻(xiàn)[9]給出了輸入受限廣義系統(tǒng)*基

5、金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60974025)資助收稿日期：2011—05—30；修訂日期：2012—06—13作者簡介：劉云龍(1982一)，男，博士。E-mail：fhytren@163．com．的軟變結(jié)構(gòu)控制。文獻(xiàn)E10]給出了基于Sigmoid函數(shù)的軟變結(jié)構(gòu)控制。文獻(xiàn)[11]基于隱Lyapunov函數(shù)、變飽和函數(shù)等工具討論了線性時(shí)不變系統(tǒng)的軟變結(jié)構(gòu)控制策略。自主水下航行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要采用能夠高速調(diào)節(jié)和快速響應(yīng)的控制策略，滑模控制策略雖具有上述優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)易產(chǎn)生抖振。本文借助具有光滑性的雙曲正切函數(shù)，重點(diǎn)研究了控制受限情形下自主水下航行器縱向自由度方向的深度控制問題。首先分

6、析了軟變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，給出了控制受限情形下基于雙曲正切函數(shù)的軟變結(jié)構(gòu)控制策略。其次討論了自主水下航行器軟變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，然后構(gòu)造了基于雙曲正切函數(shù)的軟變結(jié)構(gòu)控制器，給出了自主水下航行器軟變結(jié)構(gòu)控制的具體算法。最后，用1個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)分析了基于雙曲正切函數(shù)的自主水下航行器軟變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，綜合性能優(yōu)于線性控制、飽和控制和基于變飽和函數(shù)的軟變結(jié)構(gòu)控制情形。1軟變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)描述為分析軟變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，首先給出具有有限尼個(gè)子控制器的非連續(xù)變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)?？紤]咒維線性時(shí)不變連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)主(f)一Ax(￡)+bu(t)(1)其中：x(￡)∈融為系統(tǒng)狀態(tài)向量；“(￡)∈

7、R為系統(tǒng)控制輸入；AER硒為常數(shù)矩陣，bEW為常數(shù)向量，且(A6)為可控矩陣對。9期劉云龍，等：自主水下航行器的軟變結(jié)構(gòu)控制策略自主水下航行器控制輸入是受限的，假設(shè)滿足I“(t)I≤"o(2)其中：U。為正常數(shù)。引入自主水下航行控制器亂(￡)一F(z(￡)，鄉(xiāng))，其中：F為控制器；夕為選擇策略參量；在非連續(xù)變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中，它由不連續(xù)函數(shù)S(x)決定。P—S(z)，PE{l，2，?，k)。這種變結(jié)構(gòu)控制器由有限k個(gè)子控制器構(gòu)成，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。P與匡煎弘lt竺竺