作者 杨建华1 王敏平2 1.西安工业大学 电子信息工程学院(陕西 西安 710072) 2.西安电子工程研讨所(陕西 西安 710072)
摘要：水下飞行器操控功能指标中对定向功能有较高要求，而水下飞行器的运动具有强的非线性和耦合性，使得不同航速下定向操控和定深转向归纳操控成为难点。本文树立了水下飞行器的运动学模型，依据滑模理论规划了航向操控器，在MATLAB SIMULINK环境下搭建了航向操控仿真体系，数值仿真结果表明，滑模变结构操控器关于不同飞行条件具有较强的适应性，一起，航向的操控作用显着优于PID操控器。
导言
水下飞行器一般会在杂乱的水下环境下进行长期的飞行与作业，在飞行期间既需求能安稳地坚持航向、深度和航速，又需求能快速改动航向、深度和航速，精确地履行各种机动使命，这就对水下飞行器的操控体系提出了较高的要求。水下飞行器的运动是较杂乱的耦合非线性运动[1]。别的，水下飞行器的工作环境中存在各种随机性很大和不确定性的搅扰，这些搅扰对水下飞行器的运动状况发生影响，这就需求鲁棒性较强的操控器[2-3]。
滑模变结构操控算法简略、对参数改变不灵敏，以及极强的抗搅扰才能使其在水下机器人运动操控范畴得到了广泛的使用[4]。19世纪80年代以来，发达国家及国内水下机器人的研讨中，使用了许多滑模变结构操控办法。可是，因为滑模变结构操控在本质上的不接连开关特性会引起体系的抖振，抖振问题成为变结构操控在实践体系中使用的杰出妨碍[4]。因而，关于怎么削弱抖振成为滑模变结构操控研讨的首要问题，国内外许多学者从不同视点提出了许多解决方案。
本文要点研讨水下飞行器的操控体系规划，针对不同航速下的定向、定深转向时深度坚持研讨操控规则，依据滑模理论规划了水下飞行器航向操控器，并在MATLAB SIMULINK环境下搭建了航向操控仿真体系。数值仿真结果表明，滑模变结构操控器关于不同飞行条件具有较强的适应性，一起，航向的操控作用显着优于PID操控器。
1 水下飞行器运动学模型
水下飞行器在空间中的运动是六自由度的运动。因为扰动外力及力矩对各个自由度的运动发生不同的影响，一起，水下飞行器表现出很强的非线性。为了树立水下飞行器的运动方程，需求对杂乱的体系进行必要的简化。需满意如下假定：
1)水下飞行器有杰出的均衡体系和浮力调整体系，坚持水下飞行器质量和重心根本不变;
2)水下飞行器除左右对称外，上下、前后也根本对称，坐标轴便是惯性轴;
3)指令航速和实践安稳航速相差不大;
4)水下飞行器的运动环境为波涛不大的海面，疏忽波涛力对水平面运动的影响。
依据牛顿第一定律和动量定理，归纳水下试验运动遭到的粘性力、附加质量惯性力、操舵力、螺旋桨推力、复正力矩等外力作用，并引进无因次水动力系数水下飞行器六自由度空间运动方程如下[5-6]：
轴向方程：
(1)
横向方程：
(2)
垂向方程：
(3)
横倾方程：
(4)
纵倾方程：
(5)
偏航方程：
(6)
2 滑模变结构操控
变结构操控(variable structure control,VAC)本质上是一类特别的非线性操控，其非线性表现为操控的不接连性。这种操控战略与其他操控的不同之处在于体系的“结构”并不固定，而是在动态过程中，依据体系当时的状况(如误差及其各阶导数等)有目的地不断改变，迫使体系依照预订“滑模动态”的状况轨道运动，所以又称变结构操控为滑模态操控(sliding mode control,SMC)，即滑模变结构操控。因为滑动模态能够进行规划且与目标参数与扰动无关，这就使变结构操控具有快速呼应，对参数改变及扰动不灵敏、无需体系在线辨识、物理完成简略等特色。该办法的缺陷在于当状况轨道抵达滑模面后，难于严格地沿着滑面向着平衡点滑动，而是在滑模面两边来回穿越，然后发生颤抖。
