文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.030
中文引用格式: 劉青,,黃茹楠,,陳勇,等. 水下航行器智能航向滑??刂芠J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,43(7):117-121.
英文引用格式: Liu Qing,,Huang Runan,,Chen Yong,et al. Intelligent sliding mode control for underwater vehicle[J].Application of Electronic Technique,,2017,,43(7):117-121.
0 引言
水下航行器的航向控制是航行器路線控制最基本的內(nèi)容,是該控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究課題[1],。本文所研究的水下航行器屬于自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,,AUV),由于其質(zhì)量和體積均較小,,導(dǎo)致它對(duì)水下復(fù)雜環(huán)境的敏感度較強(qiáng),,極易受到各種外界干擾因素的影響,因而航向控制的穩(wěn)定性,、響應(yīng)跟蹤過程的機(jī)動(dòng)性以及航向跟蹤的精度無法得到保證,。滑模(或變結(jié)構(gòu))控制[2-3]由于其響應(yīng)速度快、抗干擾性能好及算法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而受到了國(guó)內(nèi)外控制界的普遍重視,。
為了消除外界干擾以及消弱滑模控制帶來的抖振,,實(shí)現(xiàn)航行器的精確的軌跡跟蹤控制,,許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究,目前主要的研究方法有自適應(yīng)方法[4],、干擾觀測(cè)器方法[5-7]和魯棒控制方法[8],。王林等人[9]基于backstepping方法結(jié)合自適應(yīng)方法與變結(jié)構(gòu)滑模控制設(shè)計(jì)出航向控制器,,借助Lyapunov函數(shù)證明了該控制器具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能,但沒有考慮到外界干擾力的影響,。廖煜雷等人[10]為跟蹤參考航向設(shè)計(jì)了反演自適應(yīng)滑模控制器,,在設(shè)計(jì)中考慮了舵機(jī)特性及建模誤差和環(huán)境干擾力的影響,,但沒有考慮較大干擾產(chǎn)生時(shí)對(duì)跟蹤性能的影響。朱齊丹等人[11]利用反步法和滑模觀測(cè)器設(shè)計(jì)的航向控制器能夠?qū)崿F(xiàn)較好的航向跟蹤,,但反步法設(shè)計(jì)過程中未對(duì)干擾觀測(cè)器未觀測(cè)到部分干擾進(jìn)行再補(bǔ)償,,可能會(huì)引起跟蹤過程中產(chǎn)生的跟蹤不穩(wěn)定現(xiàn)象。
因此,,為更好地消除外界干擾,,提高航行器跟蹤控制精度,本文采用引入干擾觀測(cè)器的方法逼近外界干擾,,并結(jié)合自適應(yīng)反演滑??刂?/a>器[4,,12-14]補(bǔ)償觀測(cè)器未觀測(cè)到的干擾,同時(shí)該控制系統(tǒng)可智能選取控制策略,,通過判斷水流循環(huán)等外界干擾的程度,,自動(dòng)選取合適的控制策略,最終消除外界干擾,,達(dá)到穩(wěn)定,、快速跟蹤的目的。
1 系統(tǒng)描述
本文中所研究的水下航行器屬于無舵機(jī)水下航行器,,且轉(zhuǎn)向半徑要遠(yuǎn)小于有舵機(jī)航行器的轉(zhuǎn)向半徑,,航向跟蹤的快速性能和靈活性能要大大提高。航向跟蹤示意圖如圖1所示,,其中,,EXEYE為地面二維平面坐標(biāo)系,oxy為航行器二維平面體坐標(biāo)系,,x為航向角,,xd為參考航向角,。
考慮建模誤差和環(huán)境干擾等不確定性因素的影響,該小型水下航行器的航向控制系統(tǒng)可采用一階非線性艏搖響應(yīng)方程[9],,則其航向控制問題可描述為:
2 基于干擾觀測(cè)器的自適應(yīng)反演滑模設(shè)計(jì)
航行器系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示,。圖中,x為實(shí)際航向角,,xd為參考航向角,,F(xiàn)為系統(tǒng)不確定性與外界環(huán)境擾動(dòng)所構(gòu)成的系統(tǒng)總不確定性,為總不確定性估計(jì)值,,uc為滑??刂破鬏敵觯瑄f為經(jīng)干擾觀測(cè)器估算后的補(bǔ)償控制律輸出值,,u為實(shí)際加載在航行器系統(tǒng)上的控制輸入,。
2.1 干擾觀測(cè)器設(shè)計(jì)
干擾觀測(cè)器設(shè)計(jì)為如下形式[13]:
2.2 自適應(yīng)反演滑模控制器設(shè)計(jì)
設(shè)期望航向角指令為xd,,控制器設(shè)計(jì)如下[14],。
對(duì)于艏向角跟蹤,其跟蹤誤差為:
選擇第一個(gè)Lyapunov函數(shù):
3 仿真研究
本文研究的水下航行器船體采用ABS材料3D打印而成,航行角度和角速度通過六軸陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)出,。航行器水池運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景如圖3,。
利用硬件慣導(dǎo)模塊將實(shí)際的相對(duì)轉(zhuǎn)向方向信息反饋到控制器中,進(jìn)而利用基于干擾觀測(cè)器的自適應(yīng)反演滑??刂品捶椒▽?shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制,,通過干擾觀測(cè)器和滑模控制器共同作用,,最終實(shí)現(xiàn)航向跟蹤目的,。
試驗(yàn)水下航行器航向控制方程中系統(tǒng)參數(shù)為:a=-1.3,b=23.3,。
仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)中,,針對(duì)水池試驗(yàn)中不同程度的水流干擾,現(xiàn)考慮兩種情形下的干擾:
情形一:F=sin(0.1πt)外界環(huán)境干擾較小時(shí)的總不確定性,;
情形二:F=5sin(0.5πt)為外界干擾很大時(shí)的總不確定性,。
為驗(yàn)證控制算法對(duì)干擾的魯棒性,選擇參數(shù)為:l=1.5,,g=9.3,,c1=0.2,k1=0.2,,h=2,,β=1,γ=2。
為避免滑??刂茙淼亩秳?dòng)問題,,式(21)中采用飽和函數(shù)替代符號(hào)函數(shù),仿真結(jié)果如圖4~圖8所示,。
由仿真結(jié)果可以看出,,當(dāng)航行器所承受的干擾較小時(shí),采用普通的自適應(yīng)滑??刂破骶涂梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定航向的穩(wěn)定跟蹤,但當(dāng)加大水下干擾時(shí),,即在t=10 s時(shí)加載很大的干擾時(shí),,普通滑模控制器便難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤,,然而附加干擾觀測(cè)器的自適應(yīng)滑??刂破髟诟蓴_很大時(shí)依然能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定跟蹤,滿足水下航向器跟蹤穩(wěn)定性好和跟蹤精度高的試驗(yàn)要求,,對(duì)干擾的劇烈變化具有強(qiáng)魯棒性和自適應(yīng)性,。
4 智能航向控制設(shè)計(jì)
綜上所述,小型水下航行器在完成水面航向跟蹤任務(wù)過程中,,易受動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和跟蹤精度的影響,,針對(duì)外界不同程度的環(huán)境干擾,設(shè)計(jì)如下智能控制,,使其滿足:
(1)當(dāng)外界干擾小于控制器所設(shè)干擾的閾值時(shí),,控制器自動(dòng)識(shí)別干擾大小,選擇動(dòng)態(tài)滑??刂破?,在保證跟蹤穩(wěn)定性和跟蹤精度的前提下,快速完成航向跟蹤任務(wù),。
(2)當(dāng)外界干擾大于控制器所設(shè)干擾的閾值時(shí),,控制器選擇另一基于NDO的自適應(yīng)滑模控制器,,通過非線性干擾觀測(cè)器手段基本消除外界環(huán)境干擾,,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)參考航向的穩(wěn)定跟蹤。
智能系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn):利用Simulink框圖中的IF模塊,、IF Action Subsystem模塊和比較模塊,,令一正弦輸入曲線為外界干擾輸入項(xiàng),干擾的幅值大小任意可調(diào),,外界干擾首先進(jìn)入比較模塊子系統(tǒng)中,,經(jīng)與干擾閾值的大小對(duì)比后,比較值進(jìn)入IF模塊,最終決定控制器的選擇,,完成了智能航向控制的設(shè)計(jì),。
仿真研究,考慮兩種情況:
(1)干擾輸入曲線為F=0.5sin(0.1πt),,即干擾較小時(shí)的情形,。
(2)干擾輸入曲線為F=3sin(0.1πt),即干擾較大時(shí)的情形,。
根據(jù)干擾大小,,規(guī)定Dynamic為自適應(yīng)反演控制器1,NDO為基于干擾觀測(cè)器的自適應(yīng)反演控制器2,。仿真結(jié)果如圖9~圖12所示,。
仿真結(jié)果,對(duì)比圖9和圖11,,干擾較小時(shí)自動(dòng)選擇動(dòng)態(tài)滑??刂撇呗裕到y(tǒng)跟蹤響應(yīng)時(shí)間較快,,當(dāng)所受干擾增加超過臨界值時(shí),,系統(tǒng)自動(dòng)切換至基于NDO的滑模控制策略,,保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)又不失快速性,,進(jìn)一步提高了控制系統(tǒng)的智能性。
5 結(jié)論
本設(shè)計(jì)的航向控制器是基于滑??刂坡稍O(shè)計(jì)的,,考慮外界環(huán)境不同程度的環(huán)境干擾,設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)滑??刂破骱突贜DO的自適應(yīng)反演滑??刂破鳌8鶕?jù)各控制器的特點(diǎn)和抗干擾能力的大小,,設(shè)計(jì)了智能航向控制器,。該控制系統(tǒng)可首先判斷水流循環(huán)等外界干擾的程度,然后自動(dòng)選取合適的控制策略,,最終消除外界干擾,,提高跟蹤的穩(wěn)定性和快速性。該控制策略具有算法簡(jiǎn)單,、可智能選擇不同控制策略的優(yōu)點(diǎn),,且通過反步法和李亞普諾夫函數(shù)的結(jié)合從理論上能夠保證航行器航向跟蹤系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定性,能夠滿足對(duì)設(shè)定航向穩(wěn)定跟蹤的目的,,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的智能性,,為后續(xù)實(shí)現(xiàn)小型水平面內(nèi)的路徑規(guī)劃和三維空間的運(yùn)動(dòng)控制提供了理論依據(jù),。
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作者信息:
劉 青,,黃茹楠,陳 勇,,李建坡,,趙德林
(燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院,河北 秦皇島066004)