[发明专利]水下机器人运动的滑模面指数衰减动态状态滑模控制法

说明书

本发明公开了基于水下机器人运动的滑模面指数衰减动态状态滑模控制法，包括以下步骤，将水下机器人运动控制模型构建为状态空间表达式的形式；状态反馈控制法的设计，根据系统能控性分析系统是否完全能控，若完全能控配置极点，构建系统状态反馈控制器；根据加入状态反馈控制的水下机器人运动控制模型，设计滑模面抖震幅度衰减最快的滑模函数，构建滑模控制器。本发明控制律控制参数根据纵向速度动态调整，可消弱纵向速度对系统其他运动状态影响；通过指数衰减，可迅速将滑模面抖震幅度衰减为零。

技术领域

本发明具体涉及一种水下机器人运动控制技术，具体是基于水下机器人运动的滑模面指数衰减动态状态滑模控制法。

背景技术

水下机器人运动的强耦合性与非线性特点，导致系统运动控制策略难以设计。随着我国水下机器人技术发展，精确的运动控制是水下机器人系统完成水下作业任务的关键，然而，水下机器人运动具有较强的非线性、耦合性等特点，增加了该类系统运动控制策略设计的难度。滑模控制策略是变结构控制技术中应用最为成熟的一种非线性控制策略，该控制策略具有对系统模型参数误差、参数变化以及环境干扰等具有较强的鲁棒性，故该控制策略有利于水下机器人运动控制品质的提高。然而，滑模控制方法在滑模面的抖震现象是束缚该控制理论发展的主要原因。

滑模控制的抖震会缩减水下机器人系统控制执行机构的使用寿命。出现抖震的原因有多种，主要原因是滑模控制是一种开关控制，开、关控制必然设计时间、空间以及系统惯性等原因导致与各状态精确变化时间不符，造成系统控制器的抖震。当前关于如何消除滑模控制的抖震问题仍是控制策略设计的难点。为了充分避免滑模控制在非线性系统运动控制中抖动问题，该发明专利根据水下机器人深度控制模型特点提出了一种基于状态反馈的滑模控制法，可实现滑模面指数衰减，达到缩减震荡时间，提高系统运动控制品质的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供基于水下机器人运动的滑模面指数衰减动态状态滑模控制法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

水下机器人运动的滑模面指数衰减动态状态滑模控制法，包括以下步骤：

S1：将水下机器人运动控制模型构建为状态空间表达式的形式，且水下机器人运动控制模型状态空间表达式为：

x为系统状态变量，A，B分别为系统矩阵与输出矩阵，其中τ_sfc为状态反馈控制律，τ_smc为滑模控制律，两控制律的下标分别为state feed back与sliding mode control两英文专业词组的首字母。则系统模型(1)可表述为

S2：状态反馈控制法的设计，根据系统能控性分析系统是否完全能控，若完全能控配置极点，构建系统状态反馈控制器；

其中，状态反馈滑模控制律设计步骤为：

S21：状态反馈控制律设计

首先，通过现代控制理论中的系统完全能控性相关理论，判断系统模型(1)为完全能控系统，即可实现极点的任意配置，设置期望极点；

然后，构建状态反馈控制律，状态误差方程(2)表述为

x为系统实时状态变量，x_d期望状态变量，下标d为desire的首字母，设状态反馈控制律为：

K为状态反馈控制参数。

将状态反馈律(4)代入模型(3)有：

则加入状态反馈控制后的系统矩阵为则模型(5)可表述为模型：