舰船载六自由度稳定平台动力学建模和控制策略研究

发布时间：2020-11-15 20:06

　　 在海上执行人员救援或人员转移任务时,由于风浪等因素影响,舰船会产生不利于人员转移的多维摇荡运动,这给舰船在海上执行此类任务带来了危险和挑战。舰船载稳定平台生成舰船多维摇荡运动的补偿运动,使得稳定平台的末端相对于大地坐标系保持相对稳定,从而保证人员转移过程安全且高效。本课题围绕舰船载稳定系统的并联稳定平台部分,开展动力学模型和控制策略方面的研究。首先,在分析舰船载稳定平台工作过程和原理的基础上,建立了惯性系下和非惯性系下舰船载稳定平台的运动学反解模型,为动力学建模奠定基础。其次,以数值微分方法简化了舰船载稳定平台运动构件惯性力/力矩的求解步骤,提出一种基于数值微分的动力学模型简化方法,在一定程度上提高了平台惯性系和非惯性系下的动力学模型计算效率;在基于虚功原理建立舰船载稳定平台动力学方程基础上,对其求解过程进行简化;以提高数值微分方法的微分精度和计算效率为目标,基于拉格朗日插值法推导了一种一、二阶数值高精度微分公式,并对其误差进行了验证;以Adams为工具对舰船载稳定平台在惯性系下和非惯性系下的动力学模型分别进行有效性和可行性验证;基于舰船载稳定平台的运动学和动力学模型和数值微分公式,以MATLAB为工具开发了舰船载稳定平台在惯性系下和非惯性系下的动力学参数化分析、运动学参数化分析以及基于蒙特卡洛方法的工作空间参数化分析系统。最后,为实现舰船载稳定平台高精度和高响应速度的实时控制,在驱动关节位置/速度级联控制的基础上,提出了速度前馈、加速度前馈以及基于操作空间动力学模型的前馈控制相结合的舰船载稳定平台复合控制理论。在此基础上,借助MATLAB中的link模块搭建虚拟样,进一步完成了在Simulink环境对虚拟样机的控制仿真验证。
【学位单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：U674.703
【部分图文】：

第1章绪论-3-舰船载稳定平台的研究对于国家海洋战略有着重要意义，而当前的舰船载稳定平台在实时控制、动力学解算效率和控制响应快速性和控制精度仍有较大提升空间。另外国外已有相应的研究成果转化为成熟产品，国内目前的大部分研究成果难以形成相关产业。因此为了研发出具有自主知识产权的高性能舰船稳定平台，进一步提高舰船载稳定平台动力学解算效率和控制精度对于舰载机安全降落、保证舰船载卫星通信系统稳定跟踪、激光武器发挥高性能、海上科考以及海上资源勘探人员安全输送，增强国家综合竞争力有重要意义。1.2舰船稳定平台研究现状1.2.1国外研究现状国外对于舰船稳定平台研究开始较早。早期的稳定方式对整个船体采取减摇的办法，世界上第一个舰船减摇装置于1904年由施里克研制出，该装置能够在一定的航速范围内有效减弱船体的摇荡[6]，这种减摇装置属于舰船整体减摇，而稳定平台属于局部减遥稳定平台早在100多年以前就被用于各种不同的运载体上，目前国外用于雷达天线、光电系统、舰载武器的稳定平台多采用二、三轴串联转台，用以实现稳定姿态和快速跟踪的目的[7]，比如美国海军使用的BEI公司生产的QRS-10型石英音叉陀螺，WSC-6型卫星天线通讯设备的稳定系统，工作12万小时尚未出现故障。图1-1舰载天线稳定系统图1-2姿态瞄准跟踪系统全球最大的舰载天线稳定系统制造商美国SeaTel公司多年来一直致力于研发海

第1章绪论-3-舰船载稳定平台的研究对于国家海洋战略有着重要意义，而当前的舰船载稳定平台在实时控制、动力学解算效率和控制响应快速性和控制精度仍有较大提升空间。另外国外已有相应的研究成果转化为成熟产品，国内目前的大部分研究成果难以形成相关产业。因此为了研发出具有自主知识产权的高性能舰船稳定平台，进一步提高舰船载稳定平台动力学解算效率和控制精度对于舰载机安全降落、保证舰船载卫星通信系统稳定跟踪、激光武器发挥高性能、海上科考以及海上资源勘探人员安全输送，增强国家综合竞争力有重要意义。1.2舰船稳定平台研究现状1.2.1国外研究现状国外对于舰船稳定平台研究开始较早。早期的稳定方式对整个船体采取减摇的办法，世界上第一个舰船减摇装置于1904年由施里克研制出，该装置能够在一定的航速范围内有效减弱船体的摇荡[6]，这种减摇装置属于舰船整体减摇，而稳定平台属于局部减遥稳定平台早在100多年以前就被用于各种不同的运载体上，目前国外用于雷达天线、光电系统、舰载武器的稳定平台多采用二、三轴串联转台，用以实现稳定姿态和快速跟踪的目的[7]，比如美国海军使用的BEI公司生产的QRS-10型石英音叉陀螺，WSC-6型卫星天线通讯设备的稳定系统，工作12万小时尚未出现故障。图1-1舰载天线稳定系统图1-2姿态瞄准跟踪系统全球最大的舰载天线稳定系统制造商美国SeaTel公司多年来一直致力于研发海

燕山大学工学硕士学位论文-4-上卫星天线，推出过第一套Ku波段和C波段海上VSAT系统、“ConScan”（圆锥扫描）跟踪天线系统以及Ka波段VSAT系统。SeaTel公司产品工作稳定可靠，均通过美国海军军用产品性能测试，无论在海上遭遇任何恶劣天气，都能保持天线平台稳定[8]。SeaTel公司的卫星双向天线系统设备的精度非常高，即使在船体侧倾达到+/-25°，误差也能控制在0.2°范围内[9]。由德国研制的iICSC-OFC稳定平台，主要用于摄像和天线的稳定，性能优良，承载能达到25Kg，横摇和俯仰两个方向的分辨率较高，精度能达到0.01°[10]。稳定平台还用于舰载红外搜索跟踪(IRST)系统，在西方国家中，法国的IRST系统研究起步最早，水平也最高[11]，法国SAGEM公司研制的新一代VAMPIRMB型IRST系统，能够实现360°偏转和-20°~+45°俯仰，且精度达到1mrad，角速度为1.4r/s，可承载180Kg。美国Honeywell公司研制的姿态瞄准跟踪系统如图1-2所示[12]，采用激光陀螺(RLG)技术，精度达到0.001°。随着机构学的发展，机构的研究从单一开环运动链向多环封闭运动链方向发展。随着并联式机构的问世，海上钻井作业平台、引桥装置、装卸作业平台多为承载能力更高的并联式机构[13]。荷兰BARGEMASTER公司研制的BM-T700型稳定平台如图1-3所示，该平台是一个模块化的平台，有效承载能力700吨，可以搭载直径12米的起重机工作，可以补偿高达2.5米的有效波高。荷兰代尔夫特工业大学研制的海上人员安全输送引桥装置图1-4所示，它使用并联机构领域比较经典的Stewart结构，能够补偿空间中所有自由度的运动。图1-3BM-T700稳定平台图1-4海上人员安全输送引桥装置
【参考文献】

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本文编号：2885153