基于无源性的鱼雷非线性姿态系统滑模控制
摘 要:将鱼雷纵向姿态系统的非线性模型转换为具有能量函数的广义哈密顿正则型(GHCF),建立了控制律的设计方案。基于系统无源性分析方法设计了变结构滑模控制律,将切换函数作为输出,给出了新的滑模面设计条件,只需考虑在滑模面上的稳定性。该方法完全利用系统的非线性特性,通过无源性理论分析了滑模控制的可达性,而滑模控制能够提高鱼雷姿态系统的控制性能。仿真结果表明,实现了对鱼雷非线性姿态系统的滑模控制,且控制性能良好。
引言
鱼雷的姿态控制系统是非线性的,通常的处理方法是通过小扰动原理将模型线性化[1]。随着鱼雷机动性的增强,系统的非线性特性将更显著,传统的线性化方法将无法满足控制系统分析的要求。近年来,微分几何方法的引入给非线性控制系统的研究带来了一系列的突破。精确线性化需要系统的相对阶满足一定的条件;零动态系统概念引入后,能够处理某些线性化方法解决不了的稳定化问题。但对于输出未知或零动态系统不稳定的系统来说,通过求零动态系统的方法就无能为力了。非线性系统的无源化分析是考虑系统与外界的能量交换。在无源系统中只消耗能量而不产生能量,系统本身是个耗能系统[2]。将无源性与变结构滑模控制相结合,保证了系统的稳定性,并提高了控制律的鲁棒性[3]。文献[4]给出了非线性励磁控制器的设计方法,但滑模面的选取有限制。
文献[5]给出了鱼雷姿态智能PID(Propor-tional IntegrativeDerivative)控制律,但控制对象为线性模型。文献[6]将非线性优化控制方法应用于鱼雷深度控制中。本文直接针对鱼雷姿态非线性模型,通过非线性反馈补偿,使以切换函数为变量的子系统无源化,保证变结构控制滑模面的可达性,切换函数的选取依据滑模面的稳定性单独进行。仿真试验证明了该设计方法的有效性。
1 无源性与无源化控制方法
所谓无源性,乃是指系统在有外界输入时的能量衰减特性。考虑非线性仿射系统
5 结束语
本文针对鱼雷姿态系统的非线性模型,运用无源性理论分析变结构滑模控制的可达性,放宽了滑模面设计的限制。对于非线性系统无需用到线性近似及精确线性化等方法,直接针对非线性系统进行设计。仿真结果显示,所设计的无源滑模控制律能够得到良好的暂态和稳态控制性能。
|
