水下直升机的水动力建模及控制算法设计

发布时间：2017-09-20 06:35

  本文关键词：水下直升机的水动力建模及控制算法设计

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【摘要】：随着我国“十三五”规划的提出,海洋强国战略的重要性被进一步强调,国家对于发展海洋科技、开发和利用海洋资源、保护海洋环境和海洋国土的要求越来越迫切。然而水下环境十分恶劣,除了无氧、腐蚀性、压强的因素,不确定的海流亦对人类进行水下环境直接探测造成了极大的阻碍。水下直升机作为一种自主无人水下航行器,其主要特点是直升直降、悬停定深,在一定程度上能够替代人类从事较为复杂的水下作业。为了实现水下直升机自主性航行的目标,其控制器的设计是系统设计中非常重要的一环。本论文从理论上分析了水下直升机的控制器设计问题,并进行了一定的仿真验证。在水动力建模方面,本文应用牛顿力学定律、流体力学相关理论建立了水下直升机的平衡方程。主要思路为：首先从水下直升机的机械结构数据出发,将水下直升机的主体分为一个主件及若干附件,计算了水下直升机的浮心和重心的位置、浮力与重力数值、质量矩阵、附加质量矩阵、科氏力矩阵、附加科氏力矩阵等,然后建立了水下直升机的螺旋桨的输入输出模型,进而推导了螺旋桨输出矩阵,最后对水下直升机的水动力系数进行了整合,给出水下直升机的参数时变的状态空间模型,并根据相关条件对该模型进行了简化。在控制器设计方面,本文首先对水下直升机的模型进行了简化,分析了经简化后的水下直升机状态空间模型的开环传递函数,确定了隶属度函数、模糊规则库、反模糊化方法、改进偏差PID控制算法,进而确定相应的模糊PID控制器框架；接着探究了输入误差系数放大倍数、输入误差系数变化率放大倍数、输出比例环节放大系数、输出积分环节放大系数、输出微分环节放大系数对系统响应的影响,进而选取了适合的控制器参数；最后通过软件仿真,比较了在无海流干扰与有海流干扰的两种情形下,控制器在深度、巡航与姿态方面的控制效果。仿真结果显示,各项性能指标均达到了预期的目标。本论文的研究成果可用于水下直升机样机的控制器设计及样机的控制器设计及结构优化,服务于我国的海洋建设。
【关键词】：水下直升机 水动力建模 改进模糊-PID控制 深度控制 姿态控制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.941
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 1. 绪论11-24
• 1.1 水下潜器的研究背景及意义11-13
• 1.2 水下直升机13-14
• 1.3 国内外水下潜器建模工作研究现状14-21
• 1.4 国内外水下潜器控制器研究现状21-22
• 1.5 本文的主要研究内容及研究意义22
• 1.6 本文的研究成果及主要创新点22-23
• 1.7 本文的章节安排23-24
• 2. 水下直升机的模型建立24-59
• 2.1 水下直升机的机械结构与控制结构24-27
• 2.2 水下直升机的静态动力学分析27-29
• 2.2.1 惯性坐标系与参考坐标系27
• 2.2.2 坐标系之间的相互转换27-29
• 2.3 水下直升机的水动力学分析29-47
• 2.3.1 水下直升机质量计算30-35
• 2.3.2 水下直升机附加质量的计算35-39
• 2.3.3 水下直升机的阻力估算39-43
• 2.3.4 水下直升机的海流复合方法43
• 2.3.5 螺旋桨简化模型43-47
• 2.4 水下直升机的水动力模型47-54
• 2.5 水下直升机的模型简化54-57
• 2.6 本章小节57-59
• 3. 水下直升机的控制算法设计59-85
• 3.1 控制算法简介59-67
• 3.1.1 PID控制算法及其改进算法59-62
• 3.1.2 滑模控制方案62-65
• 3.1.3 模糊控制65-67
• 3.2 水下直升机的控制方框图67-69
• 3.3 水下直升机控制子系统69-72
• 3.3.1 水下直升机的垂直子系统69
• 3.3.2 水下直升机水平子系统69-71
• 3.3.3 水下直升机姿态子系统71-72
• 3.4 水下直升机的深度控制方案72-80
• 3.4.1 隶属度函数72-74
• 3.4.2 模糊规则74-75
• 3.4.3 反模糊化75-79
• 3.4.4 PID控制器与其改进方案79-80
• 3.5 水下直升机的巡航控制方案80-83
• 3.6 水下直升机的姿态控制方案83-84
• 3.7 本章小结84-85
• 4. 仿真汇总85-91
• 4.1 无干扰情形85-86
• 4.1.1 某无干扰情形下深度控制实例85-86
• 4.1.2 某无干扰情形下巡航控制实例86
• 4.2 仿真实例86-90
• 4.2.1 某有干扰作用下的深度、姿态控制实例86-87
• 4.2.2 某有干扰作用下的巡航实例87-90
• 4.2.3 某有干扰作用下的综合控制方案90
• 4.3 本章小节90-91
• 5. 总结与展望91-95
• 5.1 全文总结91-93
• 5.1.1 全文主要研究内容91
• 5.1.2 主要结论91-93
• 5.2 研究展望93-95
• 参考文献95-100
• 附录A 水下直升机的状态空间模型参数100-102
• 附录B 水下直升机的姿态控制方案-具备区域约束型的状态反馈控制器解法102-108
• 附录C 作者简介108

【参考文献】

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本文编号：886461