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      基于高階滑??刂破鞯乃聺撈鬟\動控制

      2013-10-13 08:14:50鄧春楠
      海洋工程 2013年6期
      關(guān)鍵詞:潛器高階滑模

      鄧春楠,葛 彤,吳 超

      (上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院水下工程研究所,上海 200240)

      水下潛器在深海石油勘測、海底科學研究等方面扮演著重要作用,隨著海洋開發(fā)工作的日趨重要,水下潛器的性能要求也在不斷地提高。

      水下潛器的運動控制往往會遇到以下幾個難題:

      1)海底環(huán)境光線弱,水下照明能力弱,往往需要潛器具有一定的自動控制能力;

      2)小型潛器能夠攜帶的能源和傳感器有限,往往無法準確獲得水流速度等信息;

      3)水下潛器模型呈現(xiàn)顯著的非線性,并且水動力系數(shù)存在時變性,利用估算法或?qū)嶒炛邓@得的水動力系數(shù)存在較大偏差。

      近年來,許多不同的控制方法被應(yīng)用到水下潛器的運動控制中。Wonchang L,et al[1]設(shè)計了一種基于模糊邏輯的控制器。Antonelli G[2]和Gristi R[3]等設(shè)計了自適應(yīng)控制器用于解決水下潛器參數(shù)時變的現(xiàn)象。龍建軍[4]等提出了一種基于功能原理的潛器模型參數(shù)辨識方法,并通過實驗值驗證了有效性。文獻[5-6]中提出了一種模型無關(guān)控制器,并證明了在初始條件匹配的情況下,這種控制器可以達到很好的控制效果。

      模糊邏輯控制的缺點是需要很多的專家經(jīng)驗,控制器參數(shù)過多,難于調(diào)節(jié);基于模型的算法在無法獲得精確模型參數(shù)時,往往難以得到很好的控制效果;基于功能原理的參數(shù)辨識方法需要待辨識模型有顯著的能量傳遞關(guān)系,并不能辨識所有的水動力系數(shù)。鑒于此,設(shè)計了一種基于變滑動平面的模型無關(guān)高階滑??刂破?,并通過合理的過渡過程設(shè)計,使控制器可以適應(yīng)于任意的初始條件。

      1 潛器數(shù)學模型

      以上海交通大學水下工程研究所研制的某型AUV為實際背景。此AUV共裝備有4個推進器——艉部兩個主推,一個側(cè)向推進器,一個垂向推進器,共控制4個自由度,X、Y、Z方向和艏向。AUV關(guān)于垂直面對稱,無控制橫滾和縱傾的機構(gòu),無翼和舵。通過在不同位置配置重塊,可以使AUV在運動過程中的橫滾和縱傾保持在很小的量,建模時將縱傾角和橫傾角設(shè)為0°,故需要建立4自由度模型。目前主要建模的方法有機理建模和模型水池實驗建模。模型水池實驗建模的成本很高,一般采用機理建模方法。

      圖1 參考坐標系定義Fig.1 Reference coordinate system

      1.1 坐標系和參數(shù)定義

      1)大地坐標系O-XYZ

      大地坐標系 O-XYZ,原點為 O,OX、OY、OZ 三個軸分別沿北向、東向和垂向(向下)。忽略地球的自轉(zhuǎn),可以認為坐標系O-XYZ是一個慣性坐標系,牛頓運動定律在其中適用(見圖1(a))。

      2)載體坐標系o-xyz

      載體坐標系o-xyz與載體固連,原點為o,軸oy指向潛器右舷,軸oz垂直于oy軸并指向下,軸ox垂直于軸oy和軸oz指向船艏,其方向使o-xyz構(gòu)成右手坐標系(見圖1(b))。

      3)參數(shù)定義

      模型中參數(shù)定義表1。

      表1 參數(shù)定義Tab.1 Parameter definitions

      1.2 潛器模型

      水下潛器在水中做空間運動時,其所受到的力按照與運動狀態(tài)的關(guān)系分為靜力和動力兩種:靜力即運載器本身的重力和浮力;而動力是指運載器在水中運動時,水流體會在運載器表面參生反作用力,稱為水動力,它是運載器表面水的正壓力和切應(yīng)力的積分,這里正壓力指扣除了產(chǎn)生浮力的靜壓力后的動壓力。

      水動力取決于運載器本身的運動,反過來又影響運載器的運動,因此是運動狀態(tài)的函數(shù)。水動力按照其產(chǎn)生原因可分為慣性力和粘性力兩大類。慣性類水動力是指運載器在水中運動時,會強迫周圍的水流體隨運載器一起運動,相當于運載器的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量等的增加。這部分增加的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量等就稱為慣性類水動力,是運動加速度的函數(shù)。而粘性類水動力是指運載器在水中運動時,會受到水流體的阻力和升力的作用,前者與來流方向一致,后者與來流方向垂直。阻力和升力在本質(zhì)上是由于水的粘性造成的,因此成為粘性類水動力,是運動速度的函數(shù)[7]。

      作為仿真中潛器主體模型,需要做如下假設(shè):

      1)流體無旋;

      2)雖然為了穩(wěn)定性考慮需要將重心設(shè)置在浮心之下,但他們之間的距離很小,可以近似的將重力和浮力產(chǎn)生的合力和合力矩都設(shè)為0,將這一部分的力作為干擾考慮;

      3)水下潛器是剛體;

      4)在考慮重心的加速度分量時忽略地球自轉(zhuǎn)的影響;

      5)作用在水下潛器的主要外力包括水動力、推進器力;

      6)潛器工作在近海底,不考慮近水面波浪力;

      7)潛器為低速潛器,故只考慮線性粘性阻力部分,并在建模過程中忽略高階水動力耦合系數(shù)。

      建立載體坐標系下潛器動力學模型[8]:

      潛器運動學模型:

      式中:[δ1,δ2,δ3,δ4]為模型中未建模的動態(tài)和未知干擾的總和,為未知量;m11=m-X˙u;m22=m-Y˙v;m33=m-Z˙w;m44=Izz-N˙r。方程(1)~(2)即為仿真中的潛器模型。

      2 高階滑模控制器設(shè)計

      首先,設(shè)名義參考˙ηr[5-6]:

      其中,α和Ki為對角正定矩陣,sgn(x)為符號函數(shù),并且:

      式中:k>0;S(t0)代表S(t)的初值=η-ηd,η=[X,Y,Z,ψ]T,ηd為指令值。定義擴展誤差變量:

      將式(3)代入式(7)中,得:

      模型(1)和(2)中的控制量:

      控制器的穩(wěn)定性證明如下[9-11]:

      對式(8)取微分:

      取能量函數(shù):

      對上式取微分:

      當滑動模態(tài)存在并且對于所有時間Sq(t)=0,可以得出如下結(jié)論:

      即η→ηd,→。所以被控指令在有限時間內(nèi)可以趨近于待跟蹤值,控制器是穩(wěn)定的。

      3 過渡過程和變滑動模態(tài)設(shè)計

      從上節(jié)可以看出,只有當Sq(t0)=0或很小時,滑動模態(tài)是在所有時間內(nèi)存在的。而對于水下潛器這種系統(tǒng)來講,很難在初始時刻滿足匹配條件,為了使滑動模態(tài)在任意時刻總是存在的,可以借鑒變滑動模態(tài)的思想,設(shè)計一個時變的滑動模態(tài)[12-13]。

      3.1 時間基準發(fā)生器(TBG)

      并且tb不依賴任何初始條件,當ξ(Tb)=1時,上式變?yōu)?/p>

      這里選擇ξ(t)的動態(tài)如下:

      其中,r>0,0<β1<1,0<β2<1。

      當滿足上述條件時,式(14)的解:

      3.2 過渡過程的設(shè)置

      高階滑??刂破鲗嵸|(zhì)上是一個大增益控制器,在系統(tǒng)從初始狀態(tài)到收斂(平衡點)的過程中,往往存在一定的震蕩和超調(diào),尤其在控制受限的前提下,高階滑??刂破鞯妮敵霾荒鼙WC系統(tǒng)在設(shè)計的有限時間內(nèi)到達平衡點(小型潛器的輸出受限很大,推力的最大值往往比較小)。實際上,由于實際系統(tǒng)都具有慣性,系統(tǒng)輸出只能從初始狀態(tài)開始緩慢變化,而控制目標的初始值卻可能是一些比較大的量,容易給予系統(tǒng)很大的初始沖擊,使系統(tǒng)的實際行為產(chǎn)生超調(diào),因此,如果能夠降低起始誤差,那么在不改變系統(tǒng)阻尼的情況下可以用較大的增益來加快過渡過程,降低起始誤差的具體辦法就是根據(jù)實際的跟蹤目標,設(shè)計一個合適的過渡過程,讓系統(tǒng)有能力在控制受限的情況下可以追蹤這個設(shè)計好的過渡過程[14-17]。

      定義一個在有限時間內(nèi)單調(diào)平滑上升的函數(shù)tran(T0,t):

      4 仿真結(jié)果及分析

      4.1 運動仿真

      利用式(1)、(2)作為仿真的主體模型,初始條件設(shè)為 η0=[0,0,2,0°]T,潛器運動路徑設(shè)置如下:

      首先,從初始點 η0=[0,0,2,0°]T運動到 ηd1=[,5,2,10°]T,并且要求按直線運動,斜率為 30°,然后從 ηd1運動到 ηd2=[5+5,10,2,20°]T,按直線運動,斜率為 45°,整個運動過程保持深度不變。海流速度采用正弦函數(shù)模擬vc=0.4sin(0.01t)m/s。仿真時間200 s??刂破鲄?shù):Kd=1 000I44,Ki=0.01I44,k=3,過渡時間設(shè)為10 s,仿真結(jié)果如圖2~8。

      圖2 X,Y路徑跟蹤結(jié)果Fig.2 X and Y tracking result

      圖3 艏向跟蹤結(jié)果Fig.3 Heading tracking result

      圖4 定深控制結(jié)果Fig.4 Depth hovering result

      圖5 X方向推力值Fig.5 X control signal input

      圖6 Y方向推力值Fig.6 Y control signal input

      圖8 艏向扭矩值Fig.8 Heading control signal input

      4.2 結(jié)果分析

      從圖2~3可以看出,潛器可以很好地跟蹤設(shè)定的路徑和姿態(tài),并且超調(diào)很小,艏向誤差在1°左右。從圖5~8可以看出,推力和扭矩的輸出值比較平穩(wěn),這主要由于高階滑??刂破髦械姆e分項有效的抑制了高頻抖振,并且通過過渡過程和變滑模面的設(shè)計,有效克服了匹配條件不滿足、初始誤差比較大的情況。

      5 結(jié)語

      為了解決在水下潛器運動控制中會遇到的潛器模型參數(shù)無法準確計算、水流信息無法測量等難題,通過高階滑??刂破鞯脑O(shè)計,解決了控制器對模型參數(shù)的依賴。合理的過渡過程和變滑模面的設(shè)置,保證了系統(tǒng)在任意初始條件下的收斂性和跟蹤性能。當無法獲取水流信息時,控制器的強魯棒性保證了跟蹤精度,并且系統(tǒng)輸出平滑、無抖振,整個算法結(jié)構(gòu)簡單,易于工程實際實現(xiàn),適合工程的實際需要。

      [1] Wonchang Lee,Geuntaek Kang.A fuzzy model-based controller of an underwater robotic vehicle under the influence of thruster dynamics[C]//Proceedings of 1998 IEEE International Conference on Robotics and Automation.1998:750-755.

      [2] Antonelli G,Caccavale F,Chiaverini S,et al.A novel adaptive control law for underwater vehicles[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2003,11(2):221-232.

      [3] Cristi R,Papoulias F A,Healey A J.Adaptive sliding mode control of autonomous underwater vehicles in the dive plane[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,1990,15:152-160.

      [4] 龍建軍,吳百海,吳金萍.基于功能原理的水下潛器模型參數(shù)辨識方法與實驗估計[C]//第二十九屆中國控制會議論文集.2010:1195-1200.

      [5] Garcia-Valdovinos L G,Salgado-Jiménez T,Torres-Rodriguez H.Model-free high order sliding mode control for rov:stationkeeping approach[C]//OCEANS 2009,MTS/IEEE Biloxi-Marine Technology for Our Future:Global and Local Challenges.2009:1-7.

      [6] Salgado-Jiménez T,García-Valdovinos L G,Delgado-Ramírez G.Depth control of a1 DOF underwater system using a model-free high order sliding mode control[C]//Electronics,Robotics and Automotive Mechanics Conference(CERMA).2010:481-487.

      [7] Yan Peng,Jianda Han,Qi Song.Tracking control of underactuated surface ships:using unscented kalman filter to estimate the uncertain parameters[C]//Proceedings of 2007 IEEE Internation Conference on Mechatronics and Automation.2007.

      [8] 馬 馳,連 璉.水下運載器操縱控制及模擬仿真技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

      [9] Garcia-Valdovinos L G,Parra-Vega V,Arteaga M A.Bilateral cartesian sliding PID force/position control for tracking in finite time of master-slave systems[C]//American Control Conference.2006.

      [10] Parra-Vega V,Arimoto S,Yun-Hui Liu,et al.Dynamic sliding PID control for tracking of robot manipulators:theory and experiments[J].IEEE Transactions on Robotics and Automation,2003,19(6):967-976.

      [11] Yangmin Li,Qingsong Xu.Adaptive sliding mode control with perturbation estimation and PID sliding surface for motion tracking of a Piezo-Driven micromanipulator[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2010,18(4):798-810.

      [12] Parra-Vega V.Decentralized model-free continuous control for robot manipulators:tracking in finite time[C]//Proceedings of the Third International Workshop on Robot Motion and Control.2002:165-171.

      [13] Parra-Vega V.Chattering-free dynamical TBG adaptive sliding mode control of robot arms with dynamic friction for tracking in finite-time[C]//Proceedings of 2001 IEEE International Conference on Robotics and Automation.2001:3471-3476.

      [14]韓京清.自抗擾控制技術(shù)——估計補償不確定因素的控制技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

      [15]黃煥袍,萬 暉,韓京清.安排過渡過程是提高閉環(huán)系統(tǒng)“魯棒性、適應(yīng)性和穩(wěn)定性”的一種有效方法[J].控制理論與應(yīng)用,2001(S1):89-94.

      [16]韓京清.時滯對象的自抗擾控制[J].控制工程,2008(S2):7-10,18.

      [17]韓京清.自抗擾控制技術(shù)[J].前沿科學,2007(1):24-31.

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