基于VxWorks的深潜救生艇动力定位系统仿真研究

论文摘要

本文以某深潜救生艇(DSRV)为研究对象,对其动力定位(DP)系统进行仿真。DSRV的动力定位技术是一种用于深潜救生作业的跨学科高新技术。它利用艇体自身的动力抵抗外界干扰,动态控制其保持某一姿态悬停于海洋中某一指定位置,以便进行对接救生作业。由于深潜救生艇的DP系统要求控制精度高、响应速度快,故对计算机控制系统的实时性、可靠性提出了非常高的要求。因此,本文选用PC/104总线嵌入式工控机以满足对控制计算机的实时性、紧凑性、低功耗性等各种性能的要求,同时,采用具有实时多任务特性的嵌入式实时操作系统——VxWorks,来保证DP系统的可靠性、精确性和实时性。本文利用模块化建模的思想,结合救生艇的特殊艇型和水下运动的特点,建立了救生艇四自由度运动的数学模型。根据嵌入式PC/104总线工控机硬件环境和VxWorks操作系统特点和控制系统设计所需的配置要求,对整个交叉开发环境进行了配置和构建。主要包括了VxWorks在PC/104上的BSP的配胃以及串口等一些相关必要的硬件驱动程序的开发。同时,根据模糊控制理论,设置了相应的模糊隶属度函数,并建立了模糊规则库,再结合PID控制理论设计出了一种混合模糊PID控制器来对艇体的四自由度运动进行控制。本文的仿真结果既表明了运用混合模糊PID控制器的控制效果良好,也显示出了采用嵌入式实时操作系统VxWorks和嵌入式PC/104工控机在DSRV动力定位系统中应用的可行性和优越性。这为其它嵌入式自动控制系统的设计提供了较好的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外深潜救生艇的发展状况
• 1.3 动力定位技术的发展状况
• 1.4 基于Vxworks OS和PC/104的深潜救生艇动力定位
• 1.5 本论文的主要工作
• 第2章 深潜救生艇动力定位系统数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 动力定位系统模型的组成
• 2.3 四自由度动力定位艇体数学模型
• 2.3.1 建立坐标系及坐标系间的转换
• 2.3.2 救生艇动力定位运动特点和其艇型特殊性分析
• 2.3.3 深潜救生艇动力学方程
• 2.3.4 深潜救生艇的水动力模型
• 2.3.5 重力与浮力模型
• 2.3.6 艇体运动数学模型
• 2.4 推进器模型
• 2.4.1 主推进器系统模型
• 2.4.2 槽道推力系统模型
• 2.5 环境干扰模型（海流）
• 2.6 推力分配
• 2.7 本章小结
• 第3章 模糊控制理论及控制器设计
• 3.1 引言
• 3.2 PID控制器
• 3.3 模糊控制简介
• 3.3.1 模糊控制系统的基本组成
• 3.3.2 模糊控制器设计的基本方法
• 3.4 DSRV动力定位系统混合型模糊PID控制器设计
• 3.4.1 DSRV动力定位系统模糊控制器设计
• 3.4.2 DSRV动力定位系统混合模糊PID控制结构
• 3.5 本章小结
• 第4章 DSRV动力定位系统的硬件和软件仿真平台
• 4.1 潜艇动力定位系统中的嵌入式硬件平台
• 4.1.1 工控机主要类型简介
• 4.1.2 DSRV动力定位系统采用的PC/104总线工控机组成
• 4.2 救生艇DP系统嵌入式控制软件平台
• 4.2.1 嵌入式系统开发工具
• 4.2.2 嵌入式实时操作系统
• 4.3 嵌入式实时操作系统Vxworks及其开发环境Tornado
• 4.3.1 VxWorks嵌入式实时操作系统的特点
• 4.3.2 嵌入式实时操作系统VxWorks的结构
• 4.3.3 Tornado集成开发环境
• 4.4 基于PC/104的VxWorks交叉开发环境的建立和使用
• 4.4.1 VxWorks的BSP在PC/104上的配置
• 4.4.2 VxWorks上串口驱动程序的开发
• 4.4.3 交叉开发环境的配置
• 4.4.4 Tornado集成环境的使用步骤
• 4.4.5 VxWorks环境下的编程
• 4.4.6 VxWorks应用时常见的问题及分析处理
• 4.5 本章小结
• 第5章 深潜救生艇动力定位系统仿真
• 5.1 引言
• 5.2 深潜救生艇动力定位仿真及结果分析
• 5.3 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 致谢