潜器垂直面运动的综合控制技术研究

论文摘要

自治式潜器（Autonomous Underwater Vehicle,以下简称AUV）是高新技术的集成体,AUV运动控制问题是AUV诸多关键技术中迫切需要研究、解决的关键技术之一。AUV在垂直面的运动控制是完成使命任务的重要环节之一,对其进行深入的研究有重要的现实意义。本文以AUV在垂直面的运动为研究对象,对其在垂直面的纵倾控制和深度控制进行了深入的研究。针对本AUV的特点,在特定的工作点对非线性模型进行了线性化建立了简化的垂直面运动的数学模型,执行机构以及海流和海浪干扰的数学模型。针对AUV运动严重的非线性和不确定性,论文基于滑模变结构控制理论设计了变结构深度控制器和纵倾控制器,对所建立的数学模型进行了运动控制仿真,使系统在工作点以及非设计工作点都能够获得较好的控制效果。仿真结果表明该控制方法可以胜任对该对象各个控制量的控制,对于在非线性环境下的AUV姿态控制具有很强的实用价值。论文分别讨论了纵倾控制和深度控制问题,但是在复杂的海洋环境下,以及AUV本身在运动过程中不确定的水动力特性和固有的非线性属性,AUV在进行深度控制过程中不可避免会产生大倾角的严重工况,不利于系统的位置和姿态控制。针对深度控制中纵倾角限幅的设计要求,将纵倾控制引入深度控制环节,对不同的工况做出了系统的分析和研究,仿真结果表明证实了该控制方法的有效性和适用性。最后,针对AUV实际工作中载荷发生变化的工况,将深度-纵倾联合控制方案对深度变化进行控制,仿真结果说明利用滑模变结构控制理论设计的控制器在系统参数变化时具有很强的鲁棒性;同时,也为提高变深响应过程的性能提供了思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 AUV的国内外研究情况
• 1.2.1 国外研究状况
• 1.2.2 国内研究状况
• 1.3 本文的研究方法
• 1.3.1 滑模变结构控制理论的发展概括
• 1.3.2 滑模变结构控制的基本概念
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 AUV的运动与建模
• 2.1 AUV运动的坐标系统
• 2.1.1 固定坐标系
• 2.1.2 运动坐标系
• 2.1.3 坐标系的变换
• 2.2 AUV的空间运动方程
• 2.2.1 AUV的平移运动方程
• 2.2.2 AUV的旋转运动方程
• 2.2.3 AUV空间运动方程的简化
• 2.3 AUV空间运动的受力分析
• 2.3.1 AUV受到的艇体水动力
• 2.3.2 AUV受到的重力和浮力
• 2.3.3 AUV受到的推力
• 2.3.4 AUV受到的舵力
• 2.4 海洋环境干扰模型
• 2.4.1 海流干扰模型
• 2.4.2 海浪干扰模型
• 2.5 AUV垂直面运动数学模型的建立
• 2.5.1 垂直面内三自由度运动数学模型
• 2.5.2 定向水平流下的垂直面运动数学模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 AUV深度控制系统的设计与研究
• 3.1 垂直面运动深度控制问题分析
• 3.2 AUV深度控制器设计的模型
• 3.3 线性定常系统滑模变结构控制的设计
• 3.3.1 切换面的设计
• 3.3.2 控制量的求取
• 3.3.3 抖振的产生及其消除方法
• 3.4 AUV滑模变结构深度控制器设计
• 3.5 AUV深度控制仿真
• 3.5.1 AUV滑模变结构深度控制仿真
• 3.5.2 滑模变结构控制与PID控制的比较
• 3.6 本章小结
• 第4章 AUV纵倾控制系统的设计与研究
• 4.1 垂直面运动纵倾控制问题分析
• 4.2 AUV纵倾控制器设计的模型
• 4.3 AUV滑模变结构纵倾控制器设计
• 4.4 AUV纵倾控制仿真
• 4.4.1 AUV滑模变结构纵倾控制仿真
• 4.4.2 滑模变结构控制与PID控制的比较
• 4.5 本章小结
• 第5章 AUV垂直面控制的研究
• 5.1 分段变深控制方法的研究
• 5.2 深度控制结合纵倾控制的变深控制方法的研究
• 5.2.1 利用滑模变结构控制的纵倾|深度切换控制
• 5.2.2 利用滑模变结构控制的深度-纵倾联合控制
• 5.3 AUV载荷变化时深度控制仿真
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢