自主水下航行器的软变结构控制.pdf

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1、第42卷第9期2012年9月中国海洋大学学报PERIODICAL0FOCEANUNIVERSITY0FCHINA42(9)：110b114Sept．，2012自主水下航行器的软变结构控制+刘云龙1’2，高存臣1’3，常俊芳1，郭真真3(1．中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛266100；2．潍坊学院信息与控制工程学院，山东潍坊2610613．中国海洋大学数学科学学院，山东青岛266100)摘要：研究自主水下航行器系统的软变结构控制策略问题。首先分析软变结构控制系统的结构特征，利用双曲正切函数，给出控制受限情形的软变结构控制策略。其次利用Lyapunov稳定性理论，讨论自主水下

2、航行器软变结构控制系统的稳定性，然后构造了基于双曲正切函数的软变结构控制器，给出自主水下航行器软变结构控制的具体算法。基于双曲正切函数的自主水下航行器软变结构控制系统调节精度高，响应速度快，有效地削弱了系统抖振。最后通过一个仿真实验，比较了自主水下航行器垂直深度通道的4种控制策略对系统性能的影响，从而验证了研究方法的有效性。关键词：自主水下航行器；软变结构；滑模；双曲正切函数；饱和性中图法分类号：TP242；TP273文献标志码：A文章编号：1672—5174(2012)09—110—05随着依托海洋，海陆统筹，高端产业聚集，生态文明，科技先导为基本特征的蓝色经济迅速发展，能够进行

3、海洋资源开发和信息探测的自主水下航行器研究受到了国内外众多科研机构和学者的广泛关注[1’3]。目前，自主水下航行器，在军事方面，已应用于水下巡航、水下侦查和水下中继通讯等领域；在商用方面，已应用于海洋资源勘查与探测、水下建筑、电缆等设施检查、海洋救险和打捞等领域。由于自主水下航行器各自由度运动存在强耦合，海流等外界环境的扰动，具有良好动态品质与稳态性能的控制系统是它们进行高质量水下作业的前提。自主水下航行器系统设计需要采用调节精度高、响应速度快的控制策略，以提高自主水下航行器的适应性和自主性。变结构控制是1种先进的非线性控制策略，在理论和应用上都取得了很大进展。滑模控制是变结构控制

4、策略中一种简单有效的控制模式，其滑动模态对系统内部参量摄动和外部干扰具有完全鲁棒性[4’5]。然而，滑模控制会引起系统抖振。双曲正切函数是一类具有光滑性、严格单调性、饱和性特点的函数，其性质类似于Sigmoid函数。文献[6]给出了基于Sigmoid函数的滑模变结构控制，有效地削弱了系统抖振，系统最终趋近于平衡态。文献[7]给出了一种自主水下航行器运动S面控制策略，改进了控制器的收敛速度。软变结构控制是基于无滑模变结构控制模式产生和发展的，具有调节精度高、响应速度快，几乎不产生抖振等优点。文献[8]给出了分段线性二次型最优受限系统的软变结构控制。文献[9]给出了输入受限广义系统*基

5、金项目：国家自然科学基金项目(60974025)资助收稿日期：2011—05—30；修订日期：2012—06—13作者简介：刘云龙(1982一)，男，博士。E-mail：fhytren@163．com．的软变结构控制。文献E10]给出了基于Sigmoid函数的软变结构控制。文献[11]基于隐Lyapunov函数、变饱和函数等工具讨论了线性时不变系统的软变结构控制策略。自主水下航行器系统设计需要采用能够高速调节和快速响应的控制策略，滑模控制策略虽具有上述优点，但系统易产生抖振。本文借助具有光滑性的双曲正切函数，重点研究了控制受限情形下自主水下航行器纵向自由度方向的深度控制问题。首先分

6、析了软变结构控制系统的结构特征，给出了控制受限情形下基于双曲正切函数的软变结构控制策略。其次讨论了自主水下航行器软变结构控制系统的稳定性，然后构造了基于双曲正切函数的软变结构控制器，给出了自主水下航行器软变结构控制的具体算法。最后，用1个仿真实验分析了基于双曲正切函数的自主水下航行器软变结构控制系统，综合性能优于线性控制、饱和控制和基于变饱和函数的软变结构控制情形。1软变结构控制系统描述为分析软变结构控制系统的结构特征，首先给出具有有限尼个子控制器的非连续变结构控制系统。考虑咒维线性时不变连续时间系统主(f)一Ax(￡)+bu(t)(1)其中：x(￡)∈融为系统状态向量；“(￡)∈

7、R为系统控制输入；AER硒为常数矩阵，bEW为常数向量，且(A6)为可控矩阵对。9期刘云龙，等：自主水下航行器的软变结构控制策略自主水下航行器控制输入是受限的，假设满足I“(t)I≤"o(2)其中：U。为正常数。引入自主水下航行控制器乱(￡)一F(z(￡)，乡)，其中：F为控制器；夕为选择策略参量；在非连续变结构控制系统中，它由不连续函数S(x)决定。P—S(z)，PE{l，2，⋯，k)。这种变结构控制器由有限k个子控制器构成，其控制系统结构见图1。P与匡煎弘lt竺竺