动力固定浮桥的变结构控制研究

论文摘要

动力固定浮桥在河流中使用时,受到水流和风等的强烈干扰,因此建立浮桥的动力学模型,实现动力固定浮桥在河流中的精确位置固定,成为动力固定浮桥控制技术研究中一个亟待解决的问题。本文在分析了动力固定浮桥自身的运动特性及其在河流中使用时所受干扰的基础上,结合多刚体动力学建模的理论知识,建立了浮桥在受到水流和风等干扰下的动力学模型,并根据浮桥的实际控制需要,将其进一步简化为实际控制需要的动力学模型。浮桥本身是一个复杂的多刚体系统。若在不确定外力的干扰下,很难实现精确的位置固定。而变结构控制非线性开关切换控制的本质,非常适于解决复杂系统的控制问题。此外其滑动模态具有的对系统内部参数变化和外部干扰具有不变性的显著优点。因此在解决有强烈干扰存在的复杂系统的控制问题时,变结构控制自然成为一种有效的方法。在建立了动力学模型的基础上,将变结构控制方法应用于动力固定浮桥在河流中的位置固定中。首先根据变结构控制的控制原理,结合本论文的具体研究对象,设计了浮桥动力固定系统的变结构控制器。在设计变结构控制器时采用了趋近律滑动模态的切换模式。接着对浮桥动力固定系统进行了数学仿真,并对仿真结果进行了分析,仿真结果验证了本文所建立的浮桥动力学模型的可靠性和有效性。最后,针对变结构控制固有的抖振问题,设计了带边界层的变结构控制器,消除了系统的高频抖振。最后,为了避免在调试系统参数时的盲目性,用蚁群优化算法进行了变结构控制参数优化。根据得到的优化控制器,再次进行了数学仿真研究。仿真结果表明:一方面,本文所建立的浮桥动力学模型能够较为真实地反映出浮桥在河流中的运动状态;另一方面,本文所设计的变结构控制系统具有良好的控制效果,对抵抗水流和风等的干扰,实现浮桥在河流中的精确动力固定非常有效。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 变结构控制技术介绍
• 1.3 国内外发展现状
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 动力固定浮桥动力学模型的建立
• 2.1 多刚体动力学
• 2.1.1 多刚体系统简介
• 2.1.2 多刚体系统动力学的发展
• 2.2 多刚体动力学建模现状
• 2.2.1 多刚体系统描述
• 2.2.2 刚体和铰的符号
• 2.2.3 系统中各刚体的绝对约束
• 2.3 浮桥动力学模型分析
• 2.3.1 所用坐标系
• 2.3.2 浮桥组成及定义
• 2.4 浮桥动力学方程的建立
• 2.5 浮桥运动的动力学模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 变结构控制理论
• 3.1 变结构控制理论的形成与发展
• 3.2 变结构控制的数学描述
• 3.3 滑动模态的到达条件
• 3.4 滑动模态的不变性
• 3.5 变结构控制的稳定性分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 动力固定浮桥的变结构控制研究
• 4.1 浮桥动力固定系统控制原理
• 4.2 浮桥变结构控制器的设计
• 4.2.1 动力固定浮桥的状态空间模型
• 4.2.2 变结构控制器的设计
• 4.3 仿真结果及分析
• 4.3.1 系统仿真
• 4.3.2 仿真结果与分析
• 4.4 变结构控制的抖振问题
• 4.4.1 抖振产生的原因及消弱方法
• 4.4.2 仿真结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 蚁群算法优化的浮桥变结构控制研究
• 5.1 蚁群算法研究概况
• 5.2 蚁群算法原理
• 5.2.1 蚂蚁觅食的生物学原理
• 5.2.2 蚁群的搜索机制
• 5.3 蚁群算法的模型
• 5.3.1 蚁群算法通用模型
• 5.3.2 模型参数分析
• 5.4 蚁群算法优化的变结构控制
• 5.4.1 算法设计
• 5.4.2 优化变结构控制的步骤
• 5.4.3 仿真结果与分析
• 5.5 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