变质量水下航行器均衡系统自动控制技术研究

发布时间：2017-09-06 23:51

  本文关键词：变质量水下航行器均衡系统自动控制技术研究

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【摘要】：自主水下航行器(AUV,Autonomous Underwater Vehicles)在海洋开发、海上警戒与攻击等民事、军事方面有着广泛的应用。目前,AUV正向着长航程、大深度和多功能的方向发展。变质量AUV是指动力系统使用热动力和电动力结合的混合动力,且根据其航行任务携带有任务载荷的一种AUV。变质量AUV航行过程中,随着燃料消耗、载荷释放以及航行水域密度变化,AUV的静力平衡状态会发生改变,不利于AUV航行的安全性、经济性和隐蔽性。论文根据变质量AUV的总体结构设计,对AUV进行运动学和动力学分析,建立变质量AUV六自由度运动方程。为维持变质量AUV静力平衡状态,设计自主均衡系统。变质量AUV自主均衡系统由主压载均衡系统、艏艉均衡系统、载荷补重均衡系统和应急压载系统组成。根据自主均衡系统的运行原理,建立自主均衡系统数学模型。在Matlab/Simulink仿真软件中,建立变质量AUV自主均衡系统仿真模型。分别对变质量AUV的巡航状态、紧急状态和载荷释放状态进行数学仿真,通过分析仿真数据可知:自主均衡系统能保证各种初始状态的变质量AUV安全、经济、隐蔽地巡航;变质量AUV遭遇“淡水团”等紧急状态时,适当增加航速,自主均衡系统能使其顺利脱险;变质量AUV释放载荷前,必须增加航速,自主均衡系统能在载荷释放时、释放后保障AUV及载荷的安全。根据变质量AUV数学仿真的结果,结合其他AUV实航的数据分析,可在模拟实航条件下对变质量AUV航行进行更精确的数学仿真。实航条件下,由于海洋中存在海浪和海流的干扰,AUV的舵角和姿态角处于小幅振荡的“准稳态”。通过引入模糊理论,设计模糊控制器,在实航条件下进行变质量AUV自主均衡系统数学仿真,并对仿真数据进行分析:运用模糊理论设计自主均衡系统,能使变质量AUV航行具有更好的安全性、经济性和隐蔽性。根据变质量AUV自主均衡系统在理想条件和实航条件下的数学仿真结果,可以为其工程设计中总体设计和元器件选择提供理论依据。最后,论文提出了变质量AUV自主均衡系统工程设计关键技术,并指出了变质量AUV自主均衡系统工程设计的研究方法。
【关键词】：变质量水下航行器 自主均衡系统 安全性 经济性 隐蔽性 数学仿真 工程设计
【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】：2016
【分类号】：U674.941;U664.82
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 课题研究背景11-12
• 1.2 课题研究意义12-13
• 1.3 国内外发展趋势13-21
• 1.3.1 AUV发展概述13-15
• 1.3.2 AUV自主均衡系统发展概述15-21
• 1.4 课题研究的目标、内容与方法21-22
• 1.4.1 课题研究的目标21
• 1.4.2 课题研究的内容21-22
• 1.4.3 课题研究的方法22
• 1.5 论文的结构22-24
• 第二章 变质量AUV六自由度运动方程24-42
• 2.1 引言24
• 2.2 AUV总体结构24-26
• 2.3 AUV运动分析的坐标系26-30
• 2.3.1 惯性坐标系26-27
• 2.3.2 运动坐标系27
• 2.3.3 AUV在惯性坐标系与运动坐标系上的运动参数27-28
• 2.3.4 惯性坐标系与运动坐标系的转换28-30
• 2.4 AUV的运动学方程30-31
• 2.4.1 AUV浮心的运动学方程30
• 2.4.2 AUV转动的运动学方程30
• 2.4.3 AUV的攻角和侧滑角30-31
• 2.5 AUV的动力学方程31-32
• 2.5.1 AUV的动量和动量矩31
• 2.5.2 AUV动力学方程31-32
• 2.6 AUV运动受力分析32-38
• 2.6.1 静力33-34
• 2.6.2 惯性水动力34-35
• 2.6.3 黏性水动力35-37
• 2.6.4 螺旋桨力37-38
• 2.7 海洋环境干扰模型38-40
• 2.7.1 海浪干扰模型38-39
• 2.7.2 海流干扰模型39-40
• 2.8 AUV的六自由度运动方程40-41
• 2.9 本章小结41-42
• 第三章 变质量AUV自主均衡系统数学模型42-48
• 3.1 AUV自主均衡系统组成42-45
• 3.1.1 主压载均衡系统42-43
• 3.1.2 艏艉均衡系统43-44
• 3.1.3 载荷补重均衡系统44
• 3.1.4 应急压载系统44-45
• 3.2 AUV自主均衡系统工况分析45-46
• 3.2.1 巡航状态45
• 3.2.2 紧急状态45
• 3.2.3 载荷释放状态45-46
• 3.3 AUV自主均衡系统数学模型46
• 3.4 本章小结46-48
• 第四章 变质量AUV自主均衡系统控制器设计及仿真48-76
• 4.1 变质量AUV巡航状态均衡系统控制器设计及仿真48-58
• 4.1.1 AUV均衡系统控制器设计48-49
• 4.1.2 AUV均衡系统控制器仿真49-58
• 4.2 变质量AUV均衡系统紧急状态控制器设计及仿真58-67
• 4.2.1 AUV均衡系统控制器设计59-60
• 4.2.2 AUV均衡系统控制器仿真分析60-67
• 4.3 变质量AUV均衡系统载荷释放状态控制器设计及仿真67-74
• 4.3.1 AUV均衡系统控制器设计67-68
• 4.3.2 AUV均衡系统控制器仿真分析68-74
• 4.4 本章小结74-76
• 第五章 变质量AUV自主均衡系统工程设计76-95
• 5.1 AUV湖上试验数据分析76-79
• 5.2 变质量AUV自主均衡系统工程设计79-92
• 5.2.1 模糊控制理论79-83
• 5.2.2 AUV实航试验自主均衡系统控制器设计83-84
• 5.2.3 AUV实航条件下仿真分析84-89
• 5.2.4 复杂海洋环境AUV实航条件下仿真分析89-92
• 5.3 AUV自主均衡系统工程设计关键技术及研究方法92-94
• 5.3.1 AUV自主均衡系统工程设计关键技术92-94
• 5.3.2 AUV自主均衡系统工程设计研究方法94
• 5.4 本章小结94-95
• 第六章 总结与展望95-99
• 6.1 总结95-96
• 6.2 展望96-99
• 致谢99-101
• 参考文献101-107
• 学术论文和科研成果107

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本文编号：806194