一种小型水下运载器控制技术研究

发布时间：2017-10-26 10:21

  本文关键词：一种小型水下运载器控制技术研究

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【摘要】：控制系统担负着潜水器设备的操纵和航行控制，是小型水下运载器的核心，其性能优劣直接影响整艇的性能。在论文中介绍了控制系统的设计，主要包括控制系统体系结构、综合显控子系统、航行控制子系统和导航系统的设计。控制系统体系结构是以太网的三层体系结构，结构比较简单、数据通讯稳定可靠，且数据带宽较大，数据结构可随意扩展，便于通讯协议的修改等优点；综合显控子系统将艇体所有数据进行实时显示和保存，并根据状态进行相应级别的声光报警；航行控制子系统具有手动驾驶、自动驾驶和应急驾驶三种驾驶模式。在长距离航行时，设定驾驶模式为自动驾驶，小型水下运载器便自动进行定向、定深和纵倾控制。导航系统采用惯导、GPS/北斗和电子海图实现冗余导航，可以实现航行轨迹的规划与控制。 论文对小型水下运载器进行了受力分析，并根据受力分析建立了便于控制的小型水下运载器水下水平面和垂直面运动数学模型，为控制器的设计打下基础。 根据建立的运动数学模型，为小型水下运载器设计了一种变论域的模糊PID控制器，用于小型水下运载器自动定向、自动定深和自动纵倾控制。由于模糊控制规则一旦确定就无法改变，不能随着误差的变化自动调整，使其良好的控制性能无法得到发挥。在控制规则形式不变的情况下，变论域模糊控制的论域随误差变大而膨胀，随误差变小而收缩，，从而得到精度较高的控制效果。在论文中，分别对定向控制和定深（纵倾）控制进行了仿真，通过PID控制、模糊PID控制和变论域模糊PID控制的仿真对比，可以发现，变论域模糊PID控制具有超调量小、调节速度快，且抗干扰能力强等优点，能够满足小型水下运载器长距离航行下的自动定向、自动定深和自动纵倾控制。
【关键词】：水下运载器 控制系统 变论域 模糊控制 PID控制
【学位授予单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U674.941
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目次7-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1 论文选题背景与意义10-11
• 1.1.1 论文选题背景10
• 1.1.2 论文选题意义10-11
• 1.2 小型水下运载器的发展现状和发展趋势11-14
• 1.3 潜水器控制技术的研究现状和发展趋势14-19
• 1.3.1 潜水器的控制体系结构14-16
• 1.3.2 潜水器控制方法16-19
• 1.4 本文主要内容19-21
• 第二章 小型水下运载器控制系统设计21-41
• 2.1 引言21
• 2.2 控制系统体系结构21-24
• 2.3 综合信息显控子系统24-27
• 2.3.1 系统结构24-25
• 2.3.2 软件设计25-27
• 2.4 航行控制子系统27-38
• 2.4.1 手操驾驶27-29
• 2.4.2 自动驾驶29-32
• 2.4.3 应急驾驶32-33
• 2.4.4 软件设计33-38
• 2.5 导航系统38-40
• 2.5.1 导航系统结构38
• 2.5.2 电子海图38-40
• 2.6 总结40-41
• 第三章 小型水下运载器的运动建模41-55
• 3.1 引言41
• 3.2 小型水下运载器的总体结构41
• 3.3 小型水下运载器运动学模型研究41-45
• 3.3.1 坐标系及坐标变换41-44
• 3.3.2 空间运动方程44-45
• 3.4 小型水下运载器受力分析45-54
• 3.4.1 重力、浮力45-46
• 3.4.2 推力46-48
• 3.4.3 舵力48-49
• 3.4.4 水动力49-51
• 3.4.5 空间运动方程的简化51-54
• 3.5 总结54-55
• 第四章 水下运载器变论域模糊 PID 控制算法设计55-71
• 4.1 引言55
• 4.2 模糊控制理论55
• 4.3 模糊控制数学基础55-58
• 4.3.1 模糊集合56-57
• 4.3.2 隶属度函数57
• 4.3.3 模糊逻辑推理57-58
• 4.4 变论域模糊控制策略58-62
• 4.4.1 变论域的基本思想58-59
• 4.4.2 变论域实现高精度模糊控制59-61
• 4.4.3 变论域的伸缩因子61-62
• 4.5 变论域模糊 PID 控制算法的实现62-70
• 4.5.1 变论域模糊 PID 控制策略62-63
• 4.5.2 变论域模糊 PID 控制器结构63-64
• 4.5.3 模糊控制器的设计64-69
• 4.5.4 伸缩因子的设计69-70
• 4.6 总结70-71
• 第五章 水下运载器变论域模糊 PID 控制算法的仿真研究71-80
• 5.1 引言71
• 5.2 模糊逻辑工具箱的辅助设计71-75
• 5.3 控制仿真及结果分析75-79
• 5.3.1 艏向控制仿真75-77
• 5.3.2 深度和纵倾控制仿真77-79
• 5.4 总结79-80
• 第六章 总结与展望80-82
• 致谢82-83
• 参考文献83-87
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文87

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 李殿璞,赵爱民,迟岩;水下机器人运动控制和仿真的数学模型[J];哈尔滨工程大学学报;1997年03期

2 吴小平;冯正平;朱继懋;;模糊PID策略在AUV控制中的应用[J];舰船科学技术;2007年01期

3 吴宝举;李硕;李一平;王晓辉;;小型自治水下机器人运动控制系统研究[J];机械设计与制造;2010年06期

4 边宇枢;高志慧;

本文编号：1098249