潜器悬浮运动模型及控制方法研究

论文摘要

近年来,随着深潜技术的发展,潜器在海洋综合调查、海底资源探测等方面得到广泛应用,受到了越来越多的关注。由于潜器运动具有很强的非线性和耦合性,采用常规的控制方法很难获得令人满意的控制效果,因此对潜器的操纵控制提出了更高的要求。在深海救生、海底地形测绘等一些特殊应用中,需要潜器在无航速的工作状态下保持其悬浮深度和姿态,这时传统的操舵控制就不起作用了。针对悬浮运动的特点,本文在潜器垂直面四自由度运动数学模型的基础上得到潜器悬浮运动数学模型。分析了悬浮运动时潜器所受到的各种干扰力模型,根据艇体形状特点对近水面悬浮时所受波浪力干扰进行了仿真。针对潜器悬浮运动高阶、非线性的特点,对系统模型作出了合理简化,将其转化为状态方程形式表示的仿射非线性系统。利用微分几何控制理论中的输入状态线性化方法,得到系统的非线性状态反馈解耦控制律,将原系统转化为深度控制系统和纵倾姿态控制系统两个相对独立的伪线性系统。对解耦线性化后的系统采用极点配置法分别设计控制器,并对近水面海浪干扰作用下潜器深度和纵倾角度进行仿真实验,仿真结果表明该非线性解耦控制律能够实现潜器悬浮姿态控制。在近水面海浪干扰的情况下,潜器悬浮深度和纵倾角度有一定的波动。为了有效抑制海浪干扰对潜器近水面悬浮运动的影响,本文利用逆系统理论,针对上述解耦线性化后的等效复合系统,得到其逆系统模型。然后利用所得的逆系统模型,构造模型参考逆控制系统,以实现波浪干扰消除。仿真结果表明,该方法在不影响原系统动态性能的基础上,实现了潜器悬浮深度和纵倾姿态的精确控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文选题的背景及意义
• 1.2 潜器运动控制系统的研究现状
• 1.3 非线性控制理论
• 1.3.1 微分几何理论
• 1.3.2 逆系统控制理论
• 1.4 论文研究的主要内容
• 第2章 潜器水下悬浮运动模型
• 2.1 引言
• 2.2 潜器悬浮运动模型建立
• 2.2.1 潜器悬浮运动垂直面动力学模型
• 2.2.2 潜器悬浮运动水动力模型
• 2.2.3 潜器悬浮动力学模型
• 2.3 潜器悬浮运动模型验证
• 2.4 本章小结
• 第3章 潜器悬浮干扰力模型
• 3.1 引言
• 3.2 干扰力模型分析
• 3.2.1 初始不均衡量
• 3.2.2 外部环境干扰量
• 3.3 近水面悬浮干扰力分析
• 3.3.1 波浪力的计算
• 3.3.2 潜器近水面悬浮运动仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 潜器悬浮运动解耦控制
• 4.1 引言
• 4.2 反馈线性化设计原理
• 4.2.1 仿射非线性系统
• 4.2.2 非线性坐标变换
• 4.2.3 非线性系统线性化标准型
• 4.3 潜器悬浮运动控制器设计
• 4.3.1 潜器悬浮运动解耦线性化
• 4.3.2 潜器悬浮控制器设计
• 4.4 潜器悬浮控制系统仿真
• 4.4.1 无干扰悬浮运动仿真
• 4.4.2 波浪干扰下悬浮运动仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 潜器悬浮时波浪干扰消除
• 5.1 引言
• 5.2 逆控制的基本原理
• 5.2.1 逆对象建模
• 5.2.2 模型参考逆控制
• 5.3 波浪干扰消除
• 5.4 模型参考逆控制系统仿真
• 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