基于滑模理论的水下航行器航向控制算法研究
作者 杨建华1 王敏平2 1.西安工业大学 电子信息工程学院(陕西 西安 710072) 2.西安电子工程研究所(陕西 西安 710072)
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201702/344563.htm摘要：水下航行器操控性能指标中对定向性能有较高要求，而水下航行器的运动具有强的非线性和耦合性，使得不同航速下定向控制和定深转向综合控制成为难点。本文建立了水下航行器的运动学模型，基于滑模理论设计了航向控制器，在MATLAB SIMULINK环境下搭建了航向控制仿真系统，数值仿真结果表明，滑模变结构控制器对于不同航行条件具有较强的适应性，同时，航向的控制效果明显优于PID控制器。
引言
水下航行器通常会在复杂的水下环境下进行长时间的航行与作业，在航行期间既需要能稳定地保持航向、深度和航速，又需要能快速改变航向、深度和航速，准确地执行各种机动任务，这就对水下航行器的控制系统提出了较高的要求。水下航行器的运动是较复杂的耦合非线性运动[1]。另外，水下航行器的工作环境中存在各种随机性很大和不确定性的干扰，这些干扰对水下航行器的运动状态产生影响，这就需要鲁棒性较强的控制器[2-3]。
滑模变结构控制算法简单、对参数变化不敏感，以及极强的抗干扰能力使其在水下机器人运动控制领域得到了广泛的应用[4]。19世纪80年代以来，发达国家及国内水下机器人的研究中，使用了很多滑模变结构控制方法。但是，由于滑模变结构控制在本质上的不连续开关特性会引起系统的抖振，抖振问题成为变结构控制在实际系统中应用的突出障碍[4]。因此，关于如何削弱抖振成为滑模变结构控制研究的首要问题，国内外许多学者从不同角度提出了很多解决方案。
本文重点研究水下航行器的控制系统设计，针对不同航速下的定向、定深转向时深度保持研究控制规律，基于滑模理论设计了水下航行器航向控制器，并在MATLAB SIMULINK环境下搭建了航向控制仿真系统。数值仿真结果表明，滑模变结构控制器对于不同航行条件具有较强的适应性，同时，航向的控制效果明显优于PID控制器。
1 水下航行器运动学模型
水下航行器在空间中的运动是六自由度的运动。由于扰动外力及力矩对各个自由度的运动产生不同的影响，同时，水下航行器表现出很强的非线性。为了建立水下航行器的运动方程，需要对复杂的系统进行必要的简化。需满足如下假设：
1)水下航行器有良好的均衡系统和浮力调整系统，保持水下航行器质量和重心基本不变;
2)水下航行器除左右对称外，上下、前后也基本对称，坐标轴就是惯性轴;
3)指令航速和实际稳定航速相差不大;
4)水下航行器的运动环境为波浪不大的海面，忽略波浪力对水平面运动的影响。
根据牛顿第一定律和动量定理，综合水下试验运动受到的粘性力、附加质量惯性力、操舵力、螺旋桨推力、复正力矩等外力作用，并引入无因次水动力系数水下航行器六自由度空间运动方程如下[5-6]：
轴向方程：
(1)
横向方程：
(2)
垂向方程：
(3)
横倾方程：
(4)
纵倾方程：
(5)
偏航方程：
(6)
2 滑模变结构控制
变结构控制(variable structure control,VAC)本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是在动态过程中，根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑模动态”的状态轨迹运动，所以又称变结构控制为滑模态控制(sliding mode control,SMC)，即滑模变结构控制。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数与扰动无关，这就使变结构控制具有快速响应，对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等特点。该方法的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后，难于严格地沿着滑面向着平衡点滑动，而是在滑模面两侧来回穿越，从而产生颤动。
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