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资源描述

1、针对在实际运行中会受到未知外部环境干扰和模型不确定性等因素影响的蛟龙号载人潜水器系统,本文设计了一种基于干扰特性指标的新型自适应滑模控制方法,实现对有益干扰的利用和有害干扰的补偿.首先,文章给出载人潜水器系统的运动学和动力学模型;然后,本文设计非线性干扰观测器估计系统所受的集总扰动,并提出一种扇形区域干扰特性指标,用于判断干扰对系统的影响;其次,文章设计一种基于干扰特性指标的自适应滑模控制方法,并且根据李雅普诺夫理论进行严格的稳定性分析;最后,通过数值仿真,验证所设计的滑模控制方法的优越性.其优越性主要体现在:不仅能够有效缓解抖振现象,并且避免控制增益高估的问题.关键词:干扰特性指标;自适应滑

2、模控制;非线性干扰观测器;干扰抑制;载人潜水器引用格式:张琪杰,方星,刘飞,等.载人潜水器的干扰特性分析与自适应滑模控制.控制理论与应用,2023,40(7):1315 1322DOI:10.7641/CTA.2023.20380Disturbance characteristics analysis andadaptive sliding mode control for manned submersible vehiclesZHANG Qi-jie1,FANG Xing1,LIU Fei1,GAO Xiang2(1.Key Laboratory of Advanced Process Co

3、ntrol for Light Industry(Ministry of Education),Institute of Automation,Jiangnan University,Wuxi Jiangsu 214122,China;2.National Deep Sea Center,Qingdao Shandong 266237,China)Abstract:In this paper,a novel disturbance characterization based on the adaptive sliding mode control method isproposed for

4、the JIAOLONG manned submersible vehicle system in the presence of unknown external disturbances andmodel uncertainties,which is able to make full use of the beneficial disturbances,as well as to compensate the detrimentaldisturbances.First of all,the kinematics and dynamics models of the manned subm

5、ersible vehicle system are presented.Then,a nonlinear disturbance observer is proposed to estimate the lumped disturbances of the system,and a fan-shapedarea-based disturbance characterization index is designed to indicate whether the disturbances are good or harmful to thecontrol task of system.Add

6、itionally,a novel disturbance characterization-based adaptive sliding mode control method isdeveloped,and the strict stability analysis is then carried out with the Lyapunov theory.Finally,the superiority of theproposed sliding mode control method is verified by numerical simulations.The advantages

7、of the proposed controllerare mainly in two aspects:the chattering phenomenon can be effectively alleviated,and the problem of overestimation ofcontrol gain can also be avoided.Key words:disturbance characterization index;adaptive sliding mode control;nonlinear disturbance observer;distur-bance reje

8、ction;manned submersible vehicleCitation:ZHANG Qijie,FANG Xing,LIU Fei,et al.Disturbance characteristics analysis and adaptive sliding modecontrol for manned submersible vehicles.Control Theory&Applications,2023,40(7):1315 13221引引引言言言近年来,载人潜水器已逐渐成为深海勘探和海洋研究必不可少的装备平台12.在工程实践中,针对不同的海洋环境和控制要求,载人潜水器

9、需要完成各种复杂的任务,如深海沉船搜索、污染源检测3等,因此潜水器必须具备精确的轨迹跟踪和定位能力.为了确保载人潜水器能够安全、准确地执行海底作业任务,设计高精度的鲁棒控制器是十分必要的.然而,在实收稿日期:20220511;录用日期:20230331.通信作者.E-mail:;Tel.:+86 510-85326295.本文责任编委:李世华.国家自然科学基金项目(62273165,61833007),中国博士后科学基金项目(2021M702505),装备预研教育部联合基金项目(8091B032259)资助.Supported by the National Natural Science F

10、oundation of China(62273165,61833007),the China Postdoctoral Science Foundation(2021M702505)and the the Ministry of Education Equipment Development Fund(8091B032259).1316控制理论与应用第 40 卷际情况中,载人潜水器的控制会受到诸多因素的影响,如潜水器模型本身的高度非线性、时变动态,深海环境中的洋流、潮汐,以及参数不确定性和不可预知的外部干扰4等,且水动力系数也会因潜水器状态的不同而发生变化5.因此,如何实现多源干

11、扰下载人潜水器的精确轨迹跟踪控制是一个具有挑战性的研究课题.针对上述研究课题,专家学者们提出了各种控制方法应对潜水器的模型不确定性和未知外部干扰所带来的负面影响.文献6提出了PID(proportional in-tegral differential)控制算法,通过仿真验证了载人潜水器系统在不同外界干扰下能够基本满足控制任务的要求.然而,该方法较难以实现控制系统的全局稳定,且对于外界干扰的处理能力较弱.文献78中反步法的使用实现了载人潜水器的轨迹跟踪,但是反步法对模型精确度要求较高,而载人潜水器所处的时变环境导致其水动力系数难以精确获取,从而影响系统的建模精度,进而产生较大的跟踪误差.滑模控

12、制911对参数变化和扰动不敏感,且具有结构简单、鲁棒性强等特点,在载人潜水器系统中应用广泛,然而传统滑模控制律的不连续开关特性会引起抖振现象,从而影响控制效果.以上所述的方法都属于反馈控制方法,其反馈形式的干扰抑制手段,无法及时、快速地补偿模型不确定性和外部干扰的影响.近些年,学者们又提出了基于干扰观测器的控制方法12,通过设计扩张状态观测器5,13、非线性干扰观测器14等手段估计载人潜水器受到的集总扰动,然后基于干扰估计值设计相应的复合控制器,从而有效补偿未知干扰对潜水器系统的影响.然而,绝大部分控制方法都直接将干扰因素进行统一的抵消处理.事实上,由于干扰通常是复杂多变的,在某些情况下,干扰

13、可能对控制任务的完成起到有益的作用.例如,载人潜水器在深海中运行时会受到洋流等因素的影响,若在其加速过程中,洋流的方向与其加速度方向相反,那么此时洋流对潜水器的加速过程是有害的;反之,洋流对潜水器的加速过程是有益的.如果控制器仍然直接补偿这部分有益干扰,将无法利用有益干扰进一步提升系统的瞬态性能和稳态精度.文献15针对干扰特性,提出了一种干扰特性指标,并结合李雅普诺夫理论,分析干扰与系统跟踪性能的关系,从而判断干扰对系统的有益作用或有害影响,然而该干扰特性指标中符号函数的引入将导致控制作用出现较大的抖振.此外,对于耦合特性的分析和利用也有类似的结果16.另一方面,传统的鲁棒控制方法都是基于系统

14、干扰或不确定性边界已知的假设下设计的,而载人潜水器所处的环境复杂,难以准确获取干扰或不确定性的边界信息.为了放宽上述假设条件,通常采用自适应方法来获取不确定性的边界1718,从而降低控制器设计中对不确定性边界的要求,并保证系统的稳定性.文献1921中给出的自适应滑模控制器的设计思路,能够在干扰边界存在但未知时,仍能获得较好的控制效果.文献22中提出的自适应方法,当滑模变量在某邻域外时,切换增益的导数与其成正比;滑模变量在邻域内时,切换增益的导数与其成反比.从而使得切换控制增益的增大或减小都较快,相应的自适应方法较灵敏,从而在一定程度上抑制了抖振.文献23采用将自适应增益中的系数取倒数的方法来提

15、高自适应速度和灵敏性.然而,上述自适应方法都存在着控制增益过高估计的风险,而过大的控制增益会使得控制量达到执行器的限幅值,从而消耗过多的控制能量,甚至影响执行器的寿命.针对这一问题,文献24提出了一种超螺旋自适应滑模控制方法,其自适应算法能够有效避免过高估计控制增益的问题.本文针对载人潜水器系统,设计了一种基于干扰特性指标的自适应滑模控制方法,使得系统跟踪误差能够实现有限时间收敛的特性.首先,建立了载人潜水器的运动学和动力学模型;然后,设计非线性干扰观测器估计载人潜水器的集总扰动,并提出一种扇形区域干扰特性指标,用于判断干扰对控制性能的影响;其次,设计一种基于干扰特性指标的自适应滑模控制方法,

16、使得系统的跟踪误差能够在有限时间内收敛,并且根据李雅普诺夫理论进行了严格的稳定性分析;最后,通过与传统干扰指标方法的对比仿真,进一步验证所设计的自适应滑模控制方法的优越性.本文所设计方法的主要创新如下:1)针对载人潜水器所受干扰,提出了一种扇形区域干扰特性指标,并结合李雅普诺夫理论,分析干扰对系统跟踪性能的影响;2)基于扇形区域干扰特性指标,设计的控制器能够有效缓解基于符号函数的干扰特性指标导致的抖振现象;3)设计滑模控制增益的自适应方法,能够避免控制增益高估的问题,同时无需不确定性边界的先验知识,放宽了控制器设计对于不确定性边界的要求.本文的结构如下:第2节分析载人潜水器系统的数学模型;第3

17、节设计了非线性干扰观测器;第4节提出了一种扇形区域干扰特性指标判断干扰对系统的影响;第5节设计了基于干扰特性指标的自适应滑模控制方法,并给出了严格的稳定性分析;第6节进行数值仿真分析;第7节对本文内容进行了总结.2载载载人人人潜潜潜水水水器器器的的的数数数学学学模模模型型型蛟龙号载人潜水器是一种受到多种未知外部干扰和模型不确定性影响的强非线性动力学系统.载人潜水器的动力学模型通常采用如下向量方程描述2:第 7 期张琪杰等:载人潜水器的干扰特性分析与自适应滑模控制1317M +C()+D()+G()=Bu+d,(1)其中:=x y z TR6表示惯性坐标系中的位置矢量和欧拉角矢量,=u v w

18、p q rTR6表示机体坐标系中的线速度矢量和角速度矢量,M R66表示质量和惯性矩阵,C()R66表示科氏向心力矩阵,D()R66表示阻尼矩阵,G()R6表示重力和浮力的合力及其合力矩,u=u1u2u3u4u5u6u7u8TR8表示8个执行器产生的推力向量,共同控制载人潜水器的6个自由度(即3个姿态和3个位置),上述8个控制量中,u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7分别表示艉部垂上、垂下、水平左、水平右、舯部左、舯部右和艏部推进器的推力,而u8为纵倾水银泵产生的力,B R68表示推力配置矩阵,d R6表示未知外部干扰.由于载人潜水器所处的环境十分复杂,其水动力系数难

19、以精确获得,因此本文考虑加性不确定性,将动力学模型(1)中的系数矩阵写为标称值()norm和偏差值()bias之和:M=Mnorm+Mbias,C()=Cnorm()+Cbias(),D()=Dnorm()+Dbias(),G()=Gnorm()+Gbias().其中偏差值表示实际值与标称值之间的差值.将这部分模型不确定性和未知外部干扰整合到集总扰动dsum中,得到变换后的载人潜水器的动力学模型Mnorm +Cnorm()+Dnorm()+Gnorm()=Bu+dsum,(2)其中dsum表示载人潜水器的外部干扰和模型不确定性之和,定义为dsum=d+dbias,其中:dbias=Mbias

20、Cbias()Dbias()Gbias().(3)载人潜水器的运动学方程可表示为 =J(),(4)其中J()R66表示旋转矩阵.为了后续推导方便,将动力学模型(2)进一步化为 =f()+g1u+D,(5)其中:f(),g1和D的表达式分别表示如下:f()=M1normCnorm()M1normDnorm()M1normGnorm(),g1=M1normB,D=M1normdsum.运动学模型(4)和动力学模型(5),共同组成了载人潜水器的完整数学模型.本文的控制目标如下:针对受集总扰动dsum影响的载人潜水器系统(4)(5),设计控制器u(t),使得载人潜水器的轨迹(t)快速准确地跟踪期望轨迹

21、d(t).3非非非线线线性性性干干干扰扰扰观观观测测测器器器由于载人潜水器的外部干扰和模型不确定性是未知的,本文设计非线性干扰观测器估计载人潜水器系统的集总扰动dsum,再利用估计值设计相应的控制器.首先,给出如下合理假设:假假假设设设 1载人潜水器动力学系统中的集总扰动dsum是有界的,其上界定义为dsum=supt0|dsum|.设计如下非线性干扰观测器:z=lz l(p()+f()+g1u),D=z+p(),(6)其中:z是干扰观测器的辅助变量;p()是待设计函数;l是干扰观测器的增益,且满足l=p();D是集总扰动矢量D的估计值.由等式D=M1normdsum可得MnormD是集总扰动

22、dsum的估计值.下面对干扰估计误差进行有界性说明:定义干扰估计误差eD=D D,假设集总扰动的时间导数D是有界的,并且其上界为sup|D|=a,则有误差动态特性:eD=D D=z p()+D=l(D p()+l(p()+f()+g1u)l +D6leD+a.解微分方程可得eD6al+Celt,显然不等号右侧是一个随时间递减的函数.令t=0,可得干扰估计误差eD的上界eDM=al+C,其中C是与观测器初始值相关的值.随着时间的推移,eD会不断减小直至接近al,即limteD(t)=al.因此,干扰估计误差是有界的.4干干干扰扰扰特特特性性性分分分析析析4.1准准准备备备工工工作作作本节将载人潜

23、水器模型转换为误差动力学模型,其变换过程如下:定义位置和欧拉角的跟踪误差e=d,并结合式(4),则跟踪误差e的导数可表示为 e=d=J()v d,(7)其中d是期望的跟踪轨迹.定义线速度和角速度的跟踪误差e=d,并结合式(5),则跟踪误差ev的导数可表示为 e=d=f()+g1u+D d,(8)其中d是期望的速度矢量.式(7)可进一步化为 e=J()(e+d)d=J()e+J()d d,(9)1318控制理论与应用第 40 卷因此,载人潜水器的误差动力学表示如下:e=J()e+J()d d,e=f()+g1u+D d.(10)4.2干干干扰扰扰特特特性性性指指指标标标定定定义义义

24、1蛟龙号载人潜水器误差动力学系统(10)中有关集总干扰D的干扰特性指标定义如下:Je=Je1 Je6TR6,其中各元素Jei(i=1,6)的表达式由下式给出:Jei=1,(S(ei)+Di)Di 0,0,(S(ei)+Di)Di=0,1,(S(ei)+Di)Di 0,0,x60.(14)证首先定义H=ST(e)DST(e)(Je)D,则有H=6i=1Mi=6i=1S(ei)(1(Jei)Di.然后,从以下3个方面对H的正负性质进行分析:1)当(S(ei)+Di)Di0时,由定义1可知Jei=1,进而有(x)=1成立,可以得到Hi=0;2)当(S(ei)+Di)Di=0时,Jei=0,(x)=0

25、成立,从而Hi=S(ei)Di=D2i 0;3)当(S(ei)+Di)Di0时,Jei=1,(x)=0成立,从而Hi=S(ei)Di D2i 0和(S(ei)+Di)Di 0分别对应两片扇形区域.当没有引入时,扇形区域的边界是与Di轴重合的,那么当跟踪误差e在零附近来回波动时,就会导致S(ei)Di的值不断在大于零和小于零之间切换,产生抖振现象.而引入能改变扇形区域之间的边界,使得即使存在干扰的情况下,除非当S(ei)的变化幅值超过一定的临界值,否则不会触发切换条件,从而缓解了抖振现象.因此,与文献15中所用指标相比,本文所提出的干扰特性指标使得系统具有更小的抖振和更强的鲁棒性.注注注 2引理

26、1对于后续的控制器设计和稳定性分析至关重要.控制器设计可表示为u=u1+u2,其中干扰利用部分的表达式为u1=(Je)D,若选择李雅普诺夫函数V=12ST(e)S(e),则可以得到V的导数为V=ST(e)S(e),其中,与干扰利用部分相关的表达式为V1=ST(e)(D (Je)D).当(S(ei)+Di)Di60,即S(ei)Di6D2i 0时,满足V1=ST(e)D 0,即S(ei)Di D2i时,李雅普诺夫函数的导数中与干扰相关的部分ST(e)D的符号是不定的,因此认为该部分干扰不利于系统的收敛,根据定义1和引理1可知,Jei 0,(x)=1,因此在控制律中补偿该干扰,从而保证V1=0成立

27、;综上所述,本文设计的控制方法能够保留有益干扰并补偿有害干扰,从而在整体上提升系统的性能.5控控控制制制器器器设设设计计计5.1基基基于于于干干干扰扰扰特特特性性性指指指标标标的的的自自自适适适应应应滑滑滑模模模控控控制制制针对受到外部干扰和模型不确定性影响的载人潜水器系统,本文采用超螺旋算法26设计控制器,其连续的控制信号不仅能够有效处理多源干扰,还能抑制抖振现象.结合干扰特性指标(11)和超螺旋滑模变量(12),自适应滑模控制律设计如下:u=g11(f()+d(P e+L)第 7 期张琪杰等:载人潜水器的干扰特性分析与自适应滑模控制1319(Je)D kS(e)S(e)eTJT()eS(e

28、)2),(15)其中:虚拟控制律d为d=J1()(ke+d),(16)k=diagk1,k6,k=diagk1,k6是两个自适应增益矩阵,其自适应增益ki,ki(i=1,6)设计如下:k=2sgn(|),k km,k6km,(17)k=2sgn(|),k km,k6km,(18)其中:i,i,i,i(i=,)均为正常数,kmi(i=,)是任意小的正常数.此外,=e+we和=e+we分别是跟踪误差e和e对应的滑模变量.注注注 3上述自适应律(17)(18)中的相关参数分析如下:i,i对应自适应增益变化率的系数,将会影响控制输入的变化率.因此,若i,i过大会引起控制输入的变化过大,可能会引起控制量

29、超限,从而影响执行机构的寿命.i影响控制的精度:若i太小,则|i|一直不会小于i,从而导致自适应增益k,k永远不会减小;若i太大,则跟踪轨迹在到达i的附近区域后不再继续收敛,从而导致跟踪精度的降低.简而言之,较小的i意味着较高的精度但会加大控制强度,导致能量的浪费;较大的i虽然不会使得控制强度过大,但可能会导致跟踪精度达不到工程要求.kmi取任意小的正常数是为了确保控制增益始终为正.因此,在实际控制过程中,按照上述规则,将通过反复调试从而选择合适的参数.5.2稳稳稳定定定性性性分分分析析析定定定理理理 1对于载人潜水器系统(4)(5),在包含干扰特性指标(11),滑模变量(12)和自适应增益(

30、17)(18)的控制律(15)(16)作用下,系统的跟踪误差e和e能够实现在有限时间内收敛至原点的邻域,且控制增益k和k不高估.证将滑模变量(12)求导,再将式(8)代入,可得S(e)=f()+g1u+D d+(P e+L).(19)将所设计的控制律(15)(16)分别代入到式(9)(19)中,可得闭环误差动力学的表达式为 e=ke+J()e,S(e)=kS(e)+D (Je)DS(e)eTJT()eS(e)2.(20)选择李雅普诺夫函数,即V=V1+V2,(21)其中V1,V2的表达式如下:V1=12eTe+12ST(e)S(e),V2=i=,12i(ki ki)2,(22)其中ki(i=,

31、)是ki的上界.步步步骤骤骤 1对V1求导,可得V1=eT e+ST(e)S(e)=eT(ke+J()e)+ST(e)(kvS(e)+D (Je)D S(e)eTJT()eS(e)2)=eTke ST(e)kvS(e)+ST(e)eD+ST(e)(D (Je)D)=G1+G2,(23)其中eD=D D,且G1和G2的表达式如下:G1=eTke ST(e)kS(e)+ST(e)eD,G2=ST(e)(D (Je)D).(24)对于G1,有G161e2 2S(e)2+ST(e)eD(25)成立,其中:1,2分别表示k,k的最小特征根.使用杨氏不等式,可得ST(e)eD6S(e)2+14eDM2.(

32、26)将式(26)代入式(25),可得G16 1e2(2 1)S(e)2+14e2DM6 1V1+14e2DM,(27)其中1=min21,2(2 1).根据引理1,可知G260.因此,可得V1=G1+G261V1+14e2DM.(28)步步步骤骤骤 2对V2求导,可得V2=i=,v1i(kik)ki=i=,v1i(kik)ki+i=,vi2i?kiki?i=,vi2i?kiki?.(29)当选择合适的i时,ki不会无限增大,因此能够保1320控制理论与应用第 40 卷证kiki i,由自适应律(17)(18)可知此时ki 0,因此ki会在有限时间内满足ki kmi,则ki=ii2

34、,这是因为ki一旦小于或等于kmi,其值会立即依据ki=kmi+it的规律增大,直到式(35)中的第1个等式成立.根据式(35)可以知道,虽然W的符号可能在有限的时间内会变为负号,从而导致李雅普诺夫函数的导数(31)的符号不定,控制作用可能变小,因此|i|的值可能会大于i.然而,根据以上分析,上述情形只会在有限时间内出现.综上所述,在整个自适应过程中,滑模变量i将在有限时间内进入邻域:|i|6i.虽然i可能会离开这个邻域,但是离开的时间也是有限的.因此,可以确定的是,滑动变量i在整个过程中始终会停留在一个更大的邻域:|i|6m,m i内,因此可以确保系统跟踪误差e和ev有限时间收敛,并且控制增

35、益不高估.证毕.注注注 4在此处简要说明本文与文献15,25的关系.首先,本文汲取了文献15的干扰利用思想,以及文献25对于在耦合利用过程中的抖振抑制思想.值得说明的是:在此基础上,本文提出了基于扇形区域指标的干扰特性分析方法,并设计了自适应滑模控制律,不仅能够有效利用有益干扰提升控制性能,而且能够有效抑制抖振现象.最终,本文将设计的控制方法应用于载人潜水器系统,并获得了良好的控制效果.因此,本文是对文献15,25的改进,具有较好的理论意义和应用价值.6仿仿仿真真真结结结果果果为了验证基于扇形干扰特性指标的自适应滑模控制方法的有效性,本章进行了对比仿真分析,对比方法采用的是基于传统干扰特性指标

36、的滑模控制方法14.仿真所使用的参数如下:非线性干扰观测器参数为l=diag15,15;干扰特性指标中滑模变量的相关参数分别为P=diag1,1,Q=diag0.1,0.1,=0.2;控制器自适应增益分别为=2,=1,1=6 106,2=6106,3=6109,4=6.24109,5=6.2109,6=6109,1=5.5106,2=5.3106,3=7.2108,4=7108,5=8.24 108,6=7.86 108,=2,km=km=0.1,=0.01.基于传统干扰特性指标的滑模控制方法控制增益选择k=4,k=8.载人潜水器的期望轨迹如下:xd(t)=30sin(0.1t

37、),t 0,yd(t)=30cos(0.1t),t 0,zd(t)=0.1t,t 0,(36)d(t)=0,t 0,d(t)=0,t 0,d(t)=0.02t,t 0.(37)在本文的仿真中,载人潜水器跟踪的是一个螺旋线轨迹,能够较好地模拟其实际运行情况.因此,能够较全面地验证在所设计的控制方法作用下,载人潜水器的抗干扰能力和轨迹跟踪能力.第 7 期张琪杰等:载人潜水器的干扰特性分析与自适应滑模控制1321仿真结果如图14所示.图1表示载人潜水器受到的集总扰动及其估计值,由图可知,本文所设计的非线性干扰观测器能够准确估计集总扰动.图23表示在仿真过程中,载人潜水器在两种方法作用下的控制输入信号

38、曲线.从局部放大图中可以明显观察到,本文方法所对应的控制输入信号(即红线)更为平滑,而传统方法由于符号函数的引入,其对应的控制输入信号(即蓝线)相对抖动较大,不够平滑.因此,本文方法采用的扇形区域切换思路相较于传统方法采用符号函数的切换思路,其控制信号更加平稳,能够相对较好地抑制抖振现象.此外,图4以4,5,4,5为代表,揭示了其自适应增益k4,k5,k4,k5的变化情况.由图可以明显看出,控制增益能够在到达某一数值后始终停留在该数值附近,并不会一直增大.与传统的自适应律相比,本文的自适应律能够避免控制增益高估而导致的能量浪费和执行器损耗,同时控制增益的变化更加灵活,能够更好地适应各类干扰的影

39、响.图 1 干扰估计Fig.1 Disturbance estimation65007500?2024041104?1/N?/s02040?202?2/N?/s02040104?202?3/N104?/s02040?/s02040?202?4/N10442 43 44?40000 24.0 24.5?5500?450036 3804000?图 2 控制输入信号u1 u4Fig.2 Response curves of control inputsu1 u4此外,表1记录了在仿真过程中载人潜水器的跟踪误差的均方根值(root mean square,RMS),用于定量分析两种控制方法的性能.对比

40、表中的两组数据可知,在本文方法的控制作用下,载人潜水器跟踪误差的RMS值相较于传统方法更小,从而说明本文方法的控制效果更为精确.2930?6000?500042430400035 36 37?4000038.0 38.2 38.4?800?400104?202?5/N?/s02040104?/s02040?202?6/N?104104?202?7/N?/s02040?/s02040?101?8/N图 3 控制输入信号u5 u8Fig.3 Response curves of control inputsu5 u8468246881012101112?4(?)02040?/s02040?/s?5

41、(?)?4(?)02040?/s?5(?)02040?/s图 44,5,4,5的自适应增益Fig.4 Adaptive gains of4,5,4,5表 1 载人潜水器跟踪误差的均方根值Table 1 Root mean square(RMS)of tracking error ofthe manned submersible控制方法本文方法传统方法(ex)RMS3.70 103m5.90 103m(ey)RMS1.10 104m3.51 104m(ez)RMS8.08 105m9.58 105m(e)RMS5.95 105rad1.93 104rad(e)RMS5.79 105rad1.83

42、 104rad(e)RMS4.38 105rad1.48 104rad综上所述,本文所设计的滑模控制方法与传统方法15相比,具有更强的抗干扰能力、更精确的轨迹跟踪能力以及更好的抖振抑制能力.1322控制理论与应用第 40 卷7总总总结结结本文设计了一种基于干扰特性指标的自适应滑模控制方法,使得载人潜水器系统能够利用有益干扰和补偿有害干扰,并且实现跟踪误差的有限时间收敛特性.首先,设计非线性干扰观测器估计载人潜水器所受的集总扰动,并提出一种扇形区域干扰特性指标,用于判断干扰对系统的影响;其次,设计一种基于干扰特性指标的自适应滑模控制方法;最后,将所设计的滑模控制方法与基于传统指标的控

43、制方法进行对比仿真,验证所设计的滑模控制方法的优越性.其优越性具体体现在:1)基于扇形区域干扰特性指标的滑模控制器能够有效缓解抖振现象;2)滑模控制增益的自适应方法,能够避免控制增益高估问题,同时放宽了控制器设计对于不确定性边界的要求.参参参考考考文文文献献献:1 LIU F,CUI W C,LI X Y.Chinas first deep manned submersibleJiaolong.Science China:Earth Sciences,2010,53(10):1407 1410.2 SUN B,ZHU D Q,YANG S X.A bioinspired filtered ba

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