第8卷第6期 智能系统学报 Vol.8 No.6 2013年12月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Dec.2013 D0:10.3969/j.issn.1673-4785.201306032 网络出版地址：htp:/www.cmki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20131012.1815.008.html 基于切换模糊化的滑模变结构AUV姿态控制 郝阳12，赵新华2 (1.中国人民解放军91439部队，辽宁大连116041：2.哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001) 摘要：针对自主水下航行器(AUV)控制的要求，为解决姿态控制问题，提出了一种基于切换模糊化的滑模变结构 控制方法该方法结合了模糊控制与滑模变结构的优点，其中模糊控制以变结构控制的切换函数为输入，变结构控制 切换项为输出，在此基础上采用指数趋近律方法设计滑模变结构控制器.分别对该方法与传统滑模变结构控制方法 进行对比仿真，结果表明，该控制方法可以有效抑制滑模变结构控制的抖振现象，对模型不确定系统具有较强的鲁 棒性和一定的抗干扰能力. 关键词：模糊控制；滑模变结构控制；自主水下航行器；姿态控制；切换模糊化 中图分类号：TP273文献标志码：A文章编号：1673-4785(2013)06-0532-05 中文引用格式：郝阳，赵新华.基于切换模糊化的滑模变结构AUV姿态控制[J].智能系统学报，2013,8(6)：532-536 英文引用格式：HAO Yang,ZHAO Xinhua.Slide-mode variable-structure AUV attitude control on the basis of fuz四y switching[J]. CAAI Transactions on Intelligent Systems,2013,8(6):532-536. Slide-mode variable-structure AUV attitude control on the basis of fuzzy switching HAO Yang'.2,ZHAO Xinhua? (1.Unit 91439 of PLA,Dalian 116041,China;2.College of Automation,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China) Abstract:According to the control requirements of the autonomous underwater vehicle (AUV),and in order to solve the attitude control problem,a slide-mode variable-structure control method based on fuzzy switching is pro- posed.This method combines the merits of fuzzy control and slide-mode variable-structure,in which the fuzzy con- trol takes the switching function of the variable-structure control as the input,and the switching item of the variable- structure control as the output.On the basis of this,the exponential reaching law method is applied to the design of the slide-mode variable-structure controller.By comparison and simulation of the method and the traditional slide- mode variable-structure control method,the results show that the method may effectively suppress the chattering phenomenon of the slide-mode variable-structure control,and has strong robustness and anti-jamming capability for the model uncertainty system. Keywords:fuzzy control;slide-mode variable-structure control;autonomous underwater vehicle;attitude control; fuzzy switching AUV(autonomous underwater vehicle)控制系统 在削弱滑模变结构控制抖振现象的同时保持其对模 设计需要克服的困难主要有：被控对象模型和水动 型要求低、参数变化及扰动不灵敏等优点，适合用来 力参数的不确定性以及海浪和海流等随机扰动的影 解决AUV控制问题.这方面，研究人员已经开展了 响，这就要求其控制系统具有较强的鲁棒性和抗干 卓有成效的工作：施小成等山为AUV纵摇运动设计 扰能力.模糊控制与滑模控制的组合控制策略可以 了一种模糊滑模控制器：魏英杰等[☒]分别提出了一 种AUV模糊变结构控制方法和一种自适应模糊变 收稿日期：2013-06-21.网络出版日期：2013-10-12 结构控制方法[)：沈建森等4为远程AUV近水面 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50909027). 通信作者：赵新华.E-mail:xh huahua@163.com 运动提出了一种纵向模糊滑模控制方法：阚如文[)第 ８ 卷第 ６ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．８ №．６ ２０１３ 年 １２ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｄｅｃ． ２０１３ ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１３０６０３２ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ ／ ２３．１５３８．ＴＰ．２０１３１０１２．１８１５．００８．ｈｔｍｌ 基于切换模糊化的滑模变结构 ＡＵＶ 姿态控制 郝阳１，２ ，赵新华２ （１．中国人民解放军 ９１４３９ 部队，辽宁 大连 １１６０４１； ２． 哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 １５０００１） 摘 要：针对自主水下航行器（ＡＵＶ）控制的要求，为解决姿态控制问题，提出了一种基于切换模糊化的滑模变结构 控制方法．该方法结合了模糊控制与滑模变结构的优点，其中模糊控制以变结构控制的切换函数为输入，变结构控制 切换项为输出，在此基础上采用指数趋近律方法设计滑模变结构控制器． 分别对该方法与传统滑模变结构控制方法 进行对比仿真，结果表明，该控制方法可以有效抑制滑模变结构控制的抖振现象，对模型不确定系统具有较强的鲁 棒性和一定的抗干扰能力． 关键词：模糊控制；滑模变结构控制；自主水下航行器；姿态控制；切换模糊化 中图分类号： ＴＰ２７３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１３）０６⁃０５３２⁃０５ 中文引用格式：郝阳，赵新华． 基于切换模糊化的滑模变结构 ＡＵＶ 姿态控制［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１３， ８（６）： ５３２⁃５３６． 英文引用格式：ＨＡＯ Ｙａｎｇ， ＺＨＡＯ Ｘｉｎｈｕａ． Ｓｌｉｄｅ⁃ｍｏｄｅ ｖａｒｉａｂｌｅ⁃ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＡＵＶ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１３， ８（６）： ５３２⁃５３６． Ｓｌｉｄｅ⁃ｍｏｄｅ ｖａｒｉａｂｌｅ⁃ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＡＵＶ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ＨＡＯ Ｙａｎｇ １，２ ， ＺＨＡＯ Ｘｉｎｈｕａ ２ （１．Ｕｎｉｔ ９１４３９ ｏｆ ＰＬＡ， Ｄａｌｉａｎ １１６０４１， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈａｒｂｉｎ １５０００１， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ （ＡＵＶ），ａｎｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｂｌｅｍ， ａ ｓｌｉｄｅ⁃ｍｏｄｅ ｖａｒｉａｂｌｅ⁃ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｕｚｚｙ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｓ ｐｒｏ⁃ ｐｏｓｅｄ． Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｔｈｅ ｍｅｒｉｔｓ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｓｌｉｄｅ⁃ｍｏｄｅ ｖａｒｉａｂｌｅ⁃ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎ⁃ ｔｒｏｌ ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ⁃ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｓ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ⁃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｓ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ． Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｉｓ， ｔｈｅ ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ ｒｅａｃｈｉｎｇ ｌａｗ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｉｄｅ⁃ｍｏｄｅ ｖａｒｉａｂｌｅ⁃ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ． Ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｌｉｄｅ⁃ ｍｏｄｅ ｖａｒｉａｂｌｅ⁃ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ， ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｍａｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｃｈａｔｔｅｒｉｎｇ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｉｄｅ⁃ｍｏｄｅ ｖａｒｉａｂｌｅ⁃ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ， ａｎｄ ｈａｓ ｓｔｒｏｎｇ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ａｎｄ ａｎｔｉ⁃ｊａｍｍｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｓｌｉｄｅ⁃ｍｏｄｅ ｖａｒｉａｂｌｅ⁃ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ； ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ； ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｆｕｚｚｙ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ 收稿日期：２０１３⁃０６⁃２１． 网络出版日期：２０１３⁃１０⁃１２． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０９０９０２７）． 通信作者：赵新华． Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｘｈ＿ｈｕａｈｕａ＠ １６３．ｃｏｍ． ＡＵＶ（ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ） 控制系统 设计需要克服的困难主要有：被控对象模型和水动 力参数的不确定性以及海浪和海流等随机扰动的影 响，这就要求其控制系统具有较强的鲁棒性和抗干 扰能力．模糊控制与滑模控制的组合控制策略可以 在削弱滑模变结构控制抖振现象的同时保持其对模 型要求低、参数变化及扰动不灵敏等优点，适合用来 解决 ＡＵＶ 控制问题． 这方面，研究人员已经开展了 卓有成效的工作：施小成等［１］为 ＡＵＶ 纵摇运动设计 了一种模糊滑模控制器；魏英杰等［２］ 分别提出了一 种 ＡＵＶ 模糊变结构控制方法和一种自适应模糊变 结构控制方法［３］ ；沈建森等［４］ 为远程 ＡＵＶ 近水面 运动提出了一种纵向模糊滑模控制方法；阚如文［５］