AUV的改进滑模变结构控制技术研究

论文摘要

水下机器人是各个运动自由度上强耦合的严重非线性系统,其精确的运动方程通常难以获得。变结构控制作为控制的一种方法,其优点在于可采用不精确的数学模型进行控制器设计,有较强的鲁棒性,适合水下机器人的运动控制,但是在切换面上存在着“抖振”现象。本文阐述了滑模控制方法的基本原理,给出了变结构控制器的设计方法和步骤,针对可化为正则型的非线性系统模型,给出了两种切换函数的确定方法:极点配置法和二次型指标最优法。另外针对滑模控制所存在的抖振问题,研究了基于指数趋近律的改进滑模控制策略。结合AUV六自由度空间运动的动力学模型,根据实际需要和控制器设计的方便进行了适当简化,得到了AUV的五自由度(无横摇)运动模型,采用指数趋近率的滑模控制方法导出了某水下机器人的滑模控制方程,分别采用极点配置法和二次型指标最优法获得了方程中的参数,为削弱滑模控制中产生的抖振在滑模控制中引入了改进指数趋近律的系数的滑模控制方法,分别设计了水下机器人的基于神经网络幂次指数趋近律的滑模控制器和基于模糊趋近律的滑模控制器。设计了水下机器人位置控制器和速度控制器,并分别对深海静水和有海流两种情况进行了位置控制和速度控制的仿真试验,系统仿真表明,本文所设计的控制器不但能有效地抑制抖振,而且适应性强,控制精度较高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 AUV控制方法综述
• 1.4 变结构控制方法研究现状
• 1.4.1 滑模面设计
• 1.4.2 滑模条件
• 1.4.3 抖动问题
• 1.4.4 离散变结构控制
• 1.5 本文主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 滑模变结构控制理论
• 2.1 引言
• 2.2 变结构控制方法的基本原理
• 2.2.1 滑动模态
• 2.2.2 到达条件
• 2.2.3 滑动模态的动态品质
• 2.3 变结构系统的数学模型
• 2.4 变结构控制的切换函数设计
• 2.4.1 可控正则型多输入非线性系统变结构控制
• 2.4.2 切换函数的设计
• 2.5 变结构控制系统中的抖振问题
• 2.5.1 基于模糊趋近律的滑模控制
• 2.5.2 幂次指数趋近律的滑模控制
• 2.5.3 基于神经网络趋近律的滑模控制
• 2.6 本章小结
• 第3章 水下机器人的改进滑模控制
• 3.1 引言
• 3.2 水下机器人的运动模型
• 3.2.1 坐标系的选取及机器人运动参数
• 3.2.2 空间操纵运动方程
• 3.3 模型的可控正则化
• 3.3.1 AUV的五自由度水动力模型的可控正则化
• 3.3.2 给定运动跟踪模型的正则化
• 3.4 水下机器人的改进滑模控制
• 3.4.1 切换函数的设计
• 3.4.2 神经网络幂次指数趋近律滑模控制策略
• 3.4.3 模糊趋近律滑模控制策略
• 3.5 推力分配
• 3.6 本章小结
• 第4章 控制结果与分析
• 4.1 引言
• 4.2 深海无流的静水环境仿真模拟
• 4.2.1 水下机器人的位置控制结果
• 4.2.2 水下机器人的速度控制结果
• 4.3 有海流状态的仿真模拟
• 4.3.1 海流为逆流时水下机器人的位置速度控制结果
• 4.3.2 海流流向为东南方向20°时水下机器人的位置速度控制结果
• 4.3.3 控制结果分析
• 4.4 控制方法的对比
• 4.4.1 深广静水下水下机器人的位置控制结果对比
• 4.4.2 海流作用下水下机器人的位置控制结果对比
• 4.4.3 控制结果分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢