碟形水下滑翔机控制策略研究

发布时间：2017-09-16 22:09

  本文关键词：碟形水下滑翔机控制策略研究

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【摘要】：海洋监测在海洋开发过程中具有重要地位。本文提出了一种新型的碟形水下滑翔机。在特点上,该新型的水下滑翔机在具备水下航行时间长、水下航行探测范围广、不依赖母船和噪音小的基本优点外,还因碟形的设计增强了灵活性以及抗缠绕的特点。同时基于碟形水下滑翔机这种全翼身的整体结构,其完全依靠自身浮力的变化来产生航行的动力,获得滑行前进的速度。在滑翔机进行上浮和潜水的运动时,只需要在其运动周期的最高点和最低点进行姿态的调整,调节浮力和重力的相互关系,而中间的滑翔过程中无需任何调整。但是在控制水下滑翔机的时候,由于其在水下很难保持线性航行,运动方程难以模拟,所以在控制方法上,本文采用了独立设计的模糊PID控制器作为该碟形水下滑翔机的控制方法。本文首先,分析了碟形水下滑翔机在水下的运动方式,建立了水下滑翔机的运动分析坐标系,确立了完善的轴向平移及转动的运动方程,进行了合理的假设和简化,最终得到了较为复杂的运动方程,同时也清楚的体现了针对运动方程的控制方法用于该碟形水下滑翔机的难度,提出了考虑采用PID这种无视模型的控制方法。其次,在针对该新型水下滑翔机的全对称的碟形设计,提出了碟形水下滑翔机的总体设计思路,包括外形设计、浮力调节系统、重心调节系统、自动控制系统。详细阐述了各个子系统的功能和和实现方式。同时考虑在现有的硬件支持下完全可以可添加模糊控制对PID控制进行进一步的精确。最后,针对水下滑翔机的运动控制策略研究,独立设计了模糊PID控制器作为其控制方案,针对其特点采用模糊参数控制的方法让模糊控制和PID控制相结合,通过偏差和偏差变化率实时修正比例、积分和微分系数,并且进行了水池实验和仿真实验,最终完成用模糊控制对PID参数控制的实现。既避开了复杂的运动方程,同时人为的经验用模糊控制的方法实现也进一步提高了碟形水下滑翔机的控制精度,让其在性价比和精度上的结合更优越,证明了水下滑翔机在未来海洋争霸中的重要地位。
【关键词】：水下滑翔机 结构设计 模糊参数 PID控制
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.941
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 引言11
• 1.2 国内外研究综述11-17
• 1.2.1 国外研究现状11-14
• 1.2.2 国内研究现状14-16
• 1.2.3 水下滑翔器常用控制算法16-17
• 1.3 论文研究内容和方案17-20
• 1.3.1 研究内容17-18
• 1.3.2 研究方案18-20
• 第二章 运动分析和数学建模20-32
• 2.1 引言20
• 2.2 运动分析20-22
• 2.2.1 前向滑翔过程21
• 2.2.2 前向航行过程21-22
• 2.3 运动建模分析22-30
• 2.3.1 坐标系定义22-24
• 2.3.2 基本假设24-25
• 2.3.3 轴向的平移运动方程25-26
• 2.3.4 轴向转动方程26-27
• 2.3.5 运动方程的简化27-28
• 2.3.6 水下滑翔机的空间运动方程28-29
• 2.3.7 双滑块对姿态调整的实现29-30
• 2.4 圆碟行滑翔器的三种典型运动30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 总体结构硬件设计及相关控制策略32-47
• 3.1 总体结构设计32-34
• 3.1.1 浮力调节系统32-33
• 3.1.2 重心调节系统33
• 3.1.3 控制系统33-34
• 3.2 液压升降模块34-36
• 3.2.1 液压升降原理34
• 3.2.2 液压升降模块组成及结构原理图34-36
• 3.3 姿态调节模块36-38
• 3.3.1 姿态调节模块原理36-38
• 3.3.2 姿态调节模块组成38
• 3.4 硬件电路部分38-45
• 3.4.1 电源部分39-40
• 3.4.2 MC9S12X256最小系统40-41
• 3.4.3 miniAHRS九轴传感器模块41-42
• 3.4.4 北斗+GPS双模全球定位模块42
• 3.4.5 Zigbee无线通信模块42-43
• 3.4.6 继电器模块43-44
• 3.4.7 步进电机44-45
• 3.4.8 压力变送器45
• 3.5 本章小结45-47
• 第四章 水下滑翔机模糊PID控制器设计47-70
• 4.1 PID控制47-51
• 4.1.1 比例控制(P)48
• 4.1.2 积分调节(I)48-49
• 4.1.3 微分调节(D)49-50
• 4.1.4 数字PID50-51
• 4.2 模糊控制51-54
• 4.2.1 模糊控制的发展51-53
• 4.2.2 模糊控制器的结构53
• 4.2.3 模糊控制在控制系统中的实现53-54
• 4.3 基于水下滑翔机的模糊PID控制器设计54-69
• 4.3.1 模糊PID控制器的控制流程55
• 4.3.2 模糊PID控制器的模糊化55-57
• 4.3.3 PID参数对控制性能影响分析57-58
• 4.3.4 PID参数调整的模糊规则建立58-61
• 4.3.5 模糊PID控制器的模糊控制表61-63
• 4.3.6 PID初始参数的设定方法63-64
• 4.3.7 仿真64-66
• 4.3.8 水池实验66-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第五章 结论与展望70-72
• 5.1 总结70
• 5.2 展望70-72
• 参考文献72-75
• 致谢75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

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本文编号：865706