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航天测量船路径跟踪的预测控制与仿真
| 论文题名： | 航天测量船路径跟踪的预测控制与仿真 |
| 关键词： | 航天测量船;路径跟踪;预测控制;dSPACE仿真 |
| 摘要： | 航天测量船是活动的海上测控站,在浩瀚的大洋上对航天器进行跟踪、测量和控制。测量船海上测控,就任务本身来讲与陆上测控站的工作基本相同,但海上测控有其特殊性,它是在位置变动、海水流动、船体震动、天线晃动的条件下捕获跟踪目标的。在大海中航行的航天测量船,由于受到风浪流的影响会产生6个自由度的摇荡、摇摆和振荡运动。安装在航天测量船上的无线电测控通信设备的基座也会随之摇摆,特别是航向的变化会使天线波束偏离目标,轻则影响跟踪精度,重则造成跟踪丢失。为了避免测控通信设备天线遮挡,测量船需要保持一定的航向,跟踪设计的航线航行,即测量船要在保持航向的控制要求下,跟踪并最终能稳定于预设的参考路径上。测量船路径跟踪系统带有非线性、强约束性、容易受到被控对象参数的变化以及风浪流等外界的干扰影响的特点,是一种比较典型的非线性控制系统,对该类控制系统进行研究有助于探索一般的非线性系统相关的控制问题,不但具有非常重要的学术方面的研究价值,而且为做好海上测控中的航海保障工作和新一代航天测量船的设计提供理论支持。本文针对航天测量船的特性,探讨了预测控制策略在测量船路径的跟踪控制方面的应用,也进行了控制器的设计与半实物仿真实验。 首先,建立了船舶路径跟踪控制系统的数学模型。建模是进行控制器设计的基础工作,在总结前人研究成果的基础上,掌握了船舶运动方程和操纵特性,建立了两种测控任务模式下的船舶路径跟踪控制系统的数学模型,并基于dS PAC E半实物实时仿真平台的软硬件进行了介绍,为后续的设计控制器和进行仿真实验打下了基础。 针对船舶路径跟踪的非线性模型,研究了非线性模型线性化方法。针对测量船单弧段测控任务模式下的航行设计了基于状态空间模型的预测控制器,并在S IMULINK平台上设计了数值仿真,实验结果验证了预测控制策略在测量船单弧段测控模式下路径跟踪控制中的可行性。随后通过dS PAC E半实物仿真平台对外界干扰下的路径跟踪控制进行了实时仿真。 针对航天测量船短弧段多圈次测控任务模式下的保航向航行,研究了两种多模型预测控制器设计方法。一是对基于横移位移切换的多模型控制策略进行探讨,通过对参考轨迹的改善保证了在保航向要求下的迅速稳定跟踪。再就是对基于横移位移切换的改进多模型预测控制方法进行了探讨,通过对参考轨迹及切换准则的改进,保证测量船在横移位移发生大范围变化时,仍然能够在保航向的要求下更加快速的实现平稳跟踪,并且改善了系统的动态响应。仿真结果表明所设计的多模型预测控制器能够实现短弧段多圈次测控任务模式下的保航向航行路径跟踪控制。 |
| 作者： | 徐洪超 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 李少远 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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