自主水下航行器轴向运动的自适应反演滑模控制。
高 剑,徐德民,李 俊,严卫生,张福斌
(西北工业大学航海学院,陕西西安 710072)
摘 要:研究了自主水下航行器在未知海流作用下的轴向运动跟踪控制问题,采用非线性反演设计技术,引入自适应机制在线估计未知海流速度和模型参数,用滑模控制克服系统中的未建模动态特性,保证了轴向位置跟踪误差的全局渐近稳定性。仿真结果表明,该自适应反演滑模控制具有良好的鲁棒性和自适应性。
关 键 词:自主水下航行器,轴向运动控制,未知海流,自适应反演滑模控制
中图分类号:TP242
文献标识码:A
文章编号:1000-2758(2007)04-0552-04
精确的轴向运动控制,尤其是位置跟踪控制,对于自主水下航行器(AUV)完成侦察、水下测量、目标跟踪等任务具有非常重要的意义[1]。Goheen等人[2]基于线性化运动模型提出自矫正控制方法,Fossen[1]介绍了水面船舶航行速度的几种线性控制算法,Smallwood等人[3]借鉴机械手的非线性控制方法,提出了精确反馈线性化控制和自适应控制算法,并比较了不同算法的性能,Lea等人[4]采用经典的反馈控制、模糊控制和滑模控制,并在Subzero II航行器上进行了水池试验,以上研究均未考虑广泛存在的未知海流干扰。Riedel等人[5]采用滑模变结构控制技术进行AUV的轴向定位控制研究,并用Kalman滤波的方法估计海流速度,缺点是控制器与滤波器分开设计,无法保证整个系统的稳定性和控制性能。
反演技术是一种基于Lyapunov稳定性理论的非线性控制递推设计方法[6,7],针对具有严格反馈形式的非线性系统,从系统的输出开始向控制输入“反演”,得到一系列系统化的反馈控制律和相应的Lyapunov函数,实现系统的全局调节或跟踪,并使系统获得很好的全局渐近稳定性和跟踪特性。针对含有参数不确定性的系统,反演控制通过引入参数自适应机制,在线估计未知参数,构成自适应反演控制,保证了控制的渐近稳定性和对未知参数的自适应性。本文针对未知海流作用下的AUV轴向位置跟踪控制问题,基于自适应反演控制方法,将海流作为未知模型参数进行在线估计,并引入滑模控制技术克服系统的未建模特性,保证了轴向位置跟踪误差的全局渐近稳定性。
1 问题提出
AUV的轴向运动模型可以描述为[1]
从仿真结果可以看出,对AUV的轴向运动控制问题而言,闭环系统是稳定的,跟踪误差收敛到零,具有良好的动态品质和稳态性能,对未知定常海流、模型未知参数、以及未建模动态均具有良好的鲁棒性和自适应性。
4 结 论
本文针对AUV的轴向运动控制问题提出了一种非线性自适应反演滑模跟踪控制策略。依据AUV轴向运动模型的严格反馈结构的特点,采用非线性反演设计方法,通过在线估计海流速度和模型参数,并引入滑模控制来克服未建模动态。理论分析和数学仿真都证明了,在本文提出的控制律和自适应律作用下,闭环系统具有全局渐近稳定性。
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