潜艇空间运动的控制问题研究

论文摘要

潜艇是军队重要的军事力量,在现代战争中发挥着不可替代的作用。自潜艇诞生以来,各个国家都在致力于潜艇的研究,以提高其战术技术性能。在众多的性能指标中,良好的操纵性,是达成部队战术目的的关键,对潜艇战术性能的发挥起着重要作用。潜艇的运动具有强耦合、严重非线性的特点,这就使得对潜艇的控制成为难点。为提高潜艇操纵水平,本文应用多种控制方法展开了研究,主要工作如下：在深入分析了潜艇运动的基础上,根据潜艇本身的结构特点和物理学原理及运动效果,对潜艇运动方程进行了合理的简化。从而得到了简化了的潜艇运动的水平面运动方程和垂直面运动方程,以用于潜艇控制器设计的研究。潜艇在近水面的机动包括转向、潜浮等机动动作。针对潜艇运动特点,设计了基于Backstepping的滑模控制器。然后,将设计的控制器用于对潜艇的机动过程进行控制仿真,并与普通滑模控制器下的控制效果进行了对比。仿真结果表明所设计的控制器比一般滑模更具优点,在充分发挥滑模控制的强鲁棒性的同时,且缩短了控制时间,控制力矩的变化也比较平稳,能够保证潜艇机动过程中的性能要求。针对潜艇运动的强非线性和外部上界确定的干扰,设计了具有更强鲁棒性的全局滑模控制器。针对不确定干扰,设计了自适应估计环节,对干扰上界进行在线估计。最后加入了模糊环节,设计了模糊自适应全程滑模控制器,更好的起到快速消抖的目的。其仿真结果进一步验证了滑模控制算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外潜艇控制系统的研究和发展状况
• 1.3 滑模控制的基本理论及发展历程
• 1.3.1 滑模控制简介
• 1.3.2 滑模控制的发展过程
• 1.3.3 滑模控制的基本原理
• 1.3.4 滑模控制的不变性
• 1.3.5 滑模控制的主要研究方向
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 潜艇运动模型
• 2.1 潜艇的近水面运动分析
• 2.1.1 ITTC固定坐标系
• 2.1.2 ITTC随船坐标系
• 2.1.3 模型假设
• 2.2 潜艇空间运动的数学模型
• 2.2.1 标准数学模型
• 2.2.2 潜艇空间运动仿真模型
• 2.2.3 潜艇空间运动设计模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 潜艇控制系统的Backstepping滑模控制
• 3.1 Backstepping的原理及设计方法
• 3.1.1 Backstepping的基本原理
• 3.1.2 Backstepping的设计方法
• 3.2 滑模控制器的设计
• 3.2.1 水平面运动滑模控制器的设计
• 3.2.2 垂直面运动滑模控制器的设计
• 3.3 Backstepping滑模控制器的设计
• 3.3.1 水平面运动方向
• 3.3.2 垂直面运动方向
• 3.4 仿真与分析
• 3.4.1 水平面运动仿真
• 3.4.2 垂直面运动仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 潜艇控制系统的自适应全局滑模控制
• 4.1 潜艇控制系统的全局滑模控制
• 4.1.1 控制器设计
• 4.1.2 稳定性分析
• 4.2 自适应全局滑模控制器设计
• 4.3 模糊自适应全局滑模控制
• 4.3.1 模糊变量的论域及其隶属函数
• 4.3.2 控制规则
• 4.3.3 控制输出
• 4.4 仿真研究
• 4.4.1 全局滑模控制
• 4.4.2 自适应全局滑模控制
• 4.4.3 模糊自适应全局滑模控制
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A