滑模方法设计AUV路径跟踪转艏力矩

前言

本文通过滑模方法对AUV的直线路径跟踪的转艏力矩进行设计,主要目的是介绍滑模变结构控制的基本原理和滑模方法在AUV控制中的简单运用。

一、滑模控制的基本原理介绍

滑模变结构控制是一种非线性的控制方法,又称为变结构控制,其控制结构是不固定的,会随着整个系统的状态变化而变化。根据系统运动轨迹可以通过切换控制量进行控制,滑模控制的结构简单,对精确的数学模型的依赖性不强,同时易于控制而且响应较快,缺点是其不连续的特性会导致抖振现象产生,系统的状态在切换面的左右 进行抖动,无法对切换面进行实际上的趋近和贴合。
滑模运动主要包括趋近运动和滑模运动两部分。
趋近运动:要求状态空间不断向切换面靠近,对具体的趋近过程未作限制;
滑模运动:系统状态在滑模面附近继续运动;
具体定义如下:
假设存在控制系统: x ˙ = f ( x , u , t ) \dot{x}=f(x,u,t) x˙=f(x,u,t)
确定一个切换函数 s ( x ) s(x) s(x),切换面可以表示为: s ( x ) = s = 0 s(x)=s=0 s(x)=s=0
此处的切换面是一个超曲面,它将整个状态空间分为两个部分,如下图所示:
在这里插入图片描述
此时要求控制量 u u u在切换面附近的切换为:
u = { u + ( x ) s ( x ) > 0 u − ( x ) s ( x ) < 0 u = \begin{cases}u^{+}(x) &s(x)>0\\u^{-}(x)& s(x)<0&\end{cases} u={u+(x)u(x)s(x)>0s(x)<0
若能满足上式,则称滑动模态存在。一种控制能称为滑模变结构控制,不仅要求滑动模态存在,同时在有限时间能达到滑模面,且过程要保持稳定。
应用滑模理论解决跟踪问题时,基本思路是通过设计关于跟踪误差的滑模函数,设计控制率使滑模函数收敛,进而保证误差的收敛,最终达到控制目的,下面进行简单说明。
设计的滑模函数为: s ( t ) = c e ( t ) + e ˙ ( t ) s(t)=ce(t)+\dot{e}(t) s(t)=ce(t)+e˙(t)其中 e ( t ) e(t) e(t) e ˙ ( t ) \dot{e}(t) e˙(t)分别为误差和误差随时间的变化率,参数 c c c满足相应的参数选择条件,即大于零。
s ( t ) = 0 s(t)=0 s(t)=0时,滑模函数变为:
e ˙ ( t ) / e ( t ) = − c \dot{e}(t)/e(t)=-c e˙(t)/e(t)=c对两侧同时积分:
l n ( e ( t ) / e ( 0 ) ) = − c t ln(e(t)/e(0))=-ct ln(e(t)/e(0))=ct最终的收敛结果为:
e ( t ) = e ( 0 ) e x p ( − c t ) e(t)=e(0)exp(-ct) e(t)=e(0)exp(ct) t → ∞ t\rightarrow\infty t时,系统误差会以指数形式收敛到0,收敛的速度与参数 c c c的选择有关。则若通过设计相应的控制率使滑膜函数收敛于0,那么误差在 t → ∞ t\rightarrow\infty t时也可指数收敛于0。

二、几种典型的趋近率

滑模控制包含趋近运动和滑模运动,前者指系统状态从所给定的初始位置趋向切换面,后者指系统状态到达切换面时无限趋近于切换面,此过程即为 s → ∞ s\rightarrow\infty s的过程,合理的趋近率选择可以保证快速趋近且有效消除抖振现象,下面介绍几种典型的趋近率。

2.1等速趋近率

s ˙ = − ϵ s g n s , ϵ > 0 \dot{s}=-\epsilon sgns,\epsilon>0 s˙=ϵsgns,ϵ>0 s g n s sgns sgns为符号函数, ϵ \epsilon ϵ为增益参数,系统状态趋近于切换面的速度与之相关:较大的 ϵ \epsilon ϵ会使趋近速度变快,但同时产生的抖振现象也会更加明显;较小的 ϵ \epsilon ϵ会使趋近速度变慢,同时引起的抖振也会更小。

2.2指数趋近率

s ˙ = − ϵ s g n s − k s , ϵ > 0 , k > 0 \dot{s}=-\epsilon sgns-ks ,\epsilon>0,k>0 s˙=ϵsgnsks,ϵ>0,k>0由上式知,指数趋近率由等效趋近率和指数项 s ˙ = − k s \dot{s}=-ks s˙=ks组成,其中指数项主要控制趋近的速率,较大的增益能使系统状态趋近至滑模面的时间变短,其解为 s = s ( 0 ) e − k t s=s(0)e^{-kt} s=s(0)ekt

对指数趋近率进行分析,取李雅普诺夫函数:
V = 1 2 s 2 V=\frac{1}{2}s^{2} V=21s2采用指数趋近率并对上式进行求导,得到:
V ˙ ≤ − ϵ ∣ s ∣ − k s 2 = − k 2 V − ϵ ∣ s ∣ ≤ − k 2 V \dot{V}\leq-\epsilon\mid s\mid-ks^{2}=-\frac{k}{2}V-\epsilon\mid s\mid\leq-\frac{k}{2}V V˙ϵsks2=2kVϵs∣≤2kV求解该不等式可得:
V ( t ) ≤ e − k 2 ( t − t 0 ) V ( t 0 ) V(t)\leq e^{-\frac{k}{2}(t-t_{0})}V(t_{0}) V(t)e2ktt0)V(t0) V ( t ) V(t) V(t)指数收敛于零,收敛速度由 k k k的大小决定。在指数收敛中,收敛速度会随时间推移逐渐减小为零,这就使当系统状态接近切换面时速度较小。
倘若只存在指数趋近,系统只能无限趋近于切换面但最终无法达到,此时便无滑动模态。当引入等速趋近项 s ˙ = − ϵ s g n ( s ) \dot{s}=-\epsilon sgn(s) s˙=ϵsgn(s),此时靠近切换面时,其收敛速度是 ϵ \epsilon ϵ而非零,使其最终能达到滑模面。

2.3幂次趋近率

s ˙ = − k ∣ s ∣ α , k > 0 , 1 > α > 0 \dot{s}=-k\mid s \mid ^\alpha,k>0,1>\alpha>0 s˙=ksα,k>0,1>α>0

2.4一般趋近率

s ˙ = − ϵ s g n s − f ( s ) , ϵ > 0 \dot{s}=-\epsilon sgns-f(s),\epsilon>0 s˙=ϵsgnsf(s),ϵ>0上式中 f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f(0)=0,当 s ≠ 0 s≠0 s=0时, s f ( s ) > 0 sf(s)>0 sf(s)>0,与上述三种趋近率类似,也有可以使系统 达到滑模动态的条件 s s ˙ < 0 s\dot{s}<0 ss˙<0

三、滑模方法设计转艏力矩

假定需要镇定的误差为:
ψ e = ψ + β − ϕ F − δ \psi_{e}=\psi+\beta-\phi_{F}-\delta ψe=ψ+βϕFδ选取的滑模函数为:
s = k 1 ψ e + ψ ˙ e s=k_{1}\psi_{e}+\dot{\psi}_{e} s=k1ψe+ψ˙e采用基于趋近率的滑模控制,选取指数趋近率: s ˙ = − ϵ t a n h ( s ) − k 2 s , ϵ > 0 , k > 0 \dot{s}=-\epsilon tanh(s)-k_{2}s,\epsilon>0,k>0 s˙=ϵtanh(s)k2s,ϵ>0,k>0此处对原本的趋近率做出了改进,用连续的双曲正切函数代替了符号函数,能够有效减小抖振现象,大大降低了趋近滑模面时的超调现象。
s ˙ = k 1 ψ ˙ e + ψ ¨ e = k 1 ψ ˙ e + ψ ¨ + β ¨ − ϕ ¨ F − δ ¨ \dot{s}=k_{1}\dot{\psi}_{e}+\ddot{\psi}_{e}=k_{1}\dot{\psi}_{e}+\ddot{\psi}+\ddot{\beta}-\ddot{\phi}_{F}-\ddot{\delta} s˙=k1ψ˙e+ψ¨e=k1ψ˙e+ψ¨+β¨ϕ¨Fδ¨运动学方程为: ψ ˙ = q s i n ϕ s e c θ + r c o s ϕ s e c θ \dot{\psi}=qsin\phi sec\theta +rcos\phi sec\theta ψ˙=qsinϕsecθ+rcosϕsecθ一般忽略横摇运动, ϕ = 0 \phi=0 ϕ=0,只考虑水平面运动,即 θ = 0 \theta=0 θ=0,则运动学方程变为: ψ ˙ = r \dot{\psi}=r ψ˙=r将其带入一阶导得到: s ˙ = k 1 ψ ˙ e + r ˙ + β ¨ − ϕ ¨ F − δ ¨ \dot{s}=k_{1}\dot{\psi}_{e}+\dot{r}+\ddot{\beta}-\ddot{\phi}_{F}-\ddot{\delta} s˙=k1ψ˙e+r˙+β¨ϕ¨Fδ¨结合指数趋近率有: − ϵ t a n h ( s ) − k 2 s = k 1 ψ ˙ e + r ˙ + β ¨ − ϕ ¨ F − δ ¨ -\epsilon tanh(s)-k_{2}s=k_{1}\dot{\psi}_{e}+\dot{r}+\ddot{\beta}-\ddot{\phi}_{F}-\ddot{\delta} ϵtanh(s)k2s=k1ψ˙e+r˙+β¨ϕ¨Fδ¨
动力学方程为:
N = m r r ˙ + d r N=m_r\dot{r}+d_{r} N=mrr˙+dr进行简单的化简:
r ˙ = N − d r m r \dot{r}=\frac{N-d_{r}}{m_{r}} r˙=mrNdr再次带入一阶导中,得到:
− ϵ t a n h ( s ) − k s = k 1 ψ ˙ e + N − d r m r + β ¨ − ϕ ¨ F − δ ¨ -\epsilon tanh(s)-ks=k_{1}\dot{\psi}_{e}+\frac{N-d_{r}}{m_{r}}+\ddot{\beta}-\ddot{\phi}_{F}-\ddot{\delta} ϵtanh(s)ks=k1ψ˙e+mrNdr+β¨ϕ¨Fδ¨需要设计的滑模控制率为:
N = m r ( − k 1 ψ ˙ e − ϵ t a n h ( s ) − k 2 s − β ¨ + ϕ ¨ F + δ ¨ ) + d r N= m_{r}(-k_{1}\dot{\psi}_{e}-\epsilon tanh(s)-k_{2}s-\ddot{\beta}+\ddot{\phi}_{F}+\ddot{\delta})+d_{r} N=mr(k1ψ˙eϵtanh(s)k2sβ¨+ϕ¨F+δ¨)+dr

### 回答1: CentOS 7启动httpd服务失败可能有多种原因,以下是一些常见的解决方法: 1. 检查httpd配置文件是否正确:可以使用命令`httpd -t`检查httpd配置文件是否正确,如果有错误,需要修改配置文件。 2. 检查端口是否被占用:可以使用命令`netstat -tlnp`查看端口是否被占用,如果被占用需要释放端口或修改httpd配置文件中的端口号。 3. 检查httpd服务是否安装:可以使用命令`rpm -qa | grep httpd`查看httpd服务是否安装,如果没有安装需要先安装httpd服务。 4. 检查httpd服务是否启动:可以使用命令`systemctl status httpd`查看httpd服务是否启动,如果没有启动需要使用命令`systemctl start httpd`启动httpd服务。 5. 检查SELinux是否开启:如果SELinux开启,可能会导致httpd服务启动失败,需要使用命令`setenforce 0`关闭SELinux,或者修改SELinux策略。 以上是一些常见的解决方法,如果以上方法都无法解决问题,可以查看httpd服务日志文件,找到具体的错误信息,然后根据错误信息进行解决。 ### 回答2: CentOS 7上的httpd服务启动失败可能有多种原因。以下列出了一些常见问题和解决方法: 1. 端口被占用 当httpd试图占用已被其他程序占用的端口时会启动失败。此时可以通过使用`netstat -tunlp`命令检查端口占用情况,然后杀死占用该端口的进程及时释放端口。或者修改httpd的配置文件,将端口修改为未被占用的端口。 2. 配置文件错误 有时httpd服务的配置文件中可能出现错误,例如语法错误或路径错误等等。在启动httpd服务之前,可以使用`apachectl configtest`命令进行检查,如果输出“Syntax OK”,则表示配置文件没有错误。如果出现错误,则需要根据错误提示进行相应修改。 3. 依赖关系问题 如果httpd依赖的其他程序或库缺失,也会导致启动失败。可以通过使用`systemctl status httpd.service`命令来查看httpd服务状态,如果输出“Failed to start”或“Loaded: failed”,则需要检查依赖关系是否完整。 4. SELinux问题 当SELinux启用时,有时会导致httpd服务启动失败。在这种情况下,可以在SELinux上禁用httpd服务,或者修改httpd配置文件解决SELinux相关的问题。 5. 用户权限问题 httpd服务启动可能需要特定的用户权限。如果使用的用户权限不够,则无法启动。可以尝试使用root用户启动httpd服务,或者根据需要修改相应的用户权限。 ### 回答3: CentOS 7中的Apache HTTP服务器(httpd)是一个常见的Web服务器,如果遇到httpd服务启动失败的情况,可能会影响服务器正常的工作和对外服务的稳定性。本文将提供一些可能会导致httpd服务启动失败的原因,并给出相应的解决方法。 1. 端口被占用 如果端口被其他进程占用,httpd服务就无法启动。可以通过 netstat -tulpn 命令查看端口占用情况,并杀死占用该端口的进程。如果端口被 httpd 服务自身占用,可以通过 systemctl restart httpd 命令重启 httpd 服务;如果是其他进程占用了端口,可以通过 kill 命令杀死该进程或更改 httpd.conf 文件配置,将 httpd 服务的端口改为其他空闲端口,重新启动。 2. 配置文件错误 httpd 服务的配置文件通常是 /etc/httpd/conf/httpd.conf,如果其中存在语法错误、权限问题或者其它配置错误,可能会导致 httpd 服务启动出错。可以通过将 httpd.conf 文件备份后删掉,重新执行 yum install httpd 命令安装 httpd 服务,然后手动修改 httpd.conf 文件,逐个检查每个配置项是否正确,确认无误后重启 httpd 服务。 3. SELinux 问题 SELinux 是 CentOS 7中提供的一种安全模块,它可以对系统文件和应用程序进行安全管控。如果 SELinux 配置不正确,可能会阻止 httpd 服务正常启动。可以通过修改 /etc/selinux/config 文件中 SELINUX=disabled 来暂时关闭 SELinux,然后重新启动 httpd 服务;或者一个更优的方式是,根据日志确定问题原因,使用命令 semanage 或者 setsebool 等工具将相关目录或者配置加入到 SELinux 许可列表中,重新启动 httpd 服务,以恢复服务正常工作。 4. 防火墙问题 如果你的 CentOs 7 服务器启用了防火墙,有可能会导致 httpd 服务启动失败。可以通过检查防火墙相关配置来确定问题原因,解决方案是修改防火墙规则,将端口 80 或者 443 等 httpd 服务需要的端口放行,重新启动 httpd 服务。 总之,当遇到 httpd 服务启动失败时,不要慌张,可以先通过日志或者执行命令查看错误信息,找到错误原因,然后根据错误原因一步一步解决问题。在解决问题过程中注意备份原始配置文件,以免造成不必要的损失。
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