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水下滑翔机运动建模与滑翔控制研究
| 论文题名： | 水下滑翔机运动建模与滑翔控制研究 |
| 关键词： | 水下滑翔机;运动建模;滑翔控制;Matlab/Simulink仿真;自适应模糊PID |
| 摘要： | 水下滑翔机作为依靠净浮力驱动的无外挂推进装置的新型自主航行器,主要通过内部质量的重新分布来改变机体重心的相对位置,进而实现水下滑翔机姿态的调整。水下滑翔机具有工作效率高、探测范围广、能耗低、噪声小、无污染等优点,是海洋环境观测和海洋资源探测的重要平台。 本文以自主研发的声学滑翔机系统为研究对象,进行了系统的总体设计、运动建模、垂直面滑翔运动分析及俯仰姿态控制传递函数辨识、基于自适应模糊PID控制算法进行了控制器的设计以及样机试验研究。本文的主要研究成果及创新点如下: 1.采用一体化和模块化相结合的方法对水下滑翔机总体结构和布局进行设计分析;对主舱耐压壳体进行了强度稳定性校核,并分析了压力作用下壳体形变和海水温盐变化对滑翔机浮力调节的影响;在各模块工作时对应的耗电试验数据的基础上,对水下滑翔机进行了功耗估算。从结构和能耗的角度为水下滑翔机的研究搭建了良好的硬件平台。 2.对水下滑翔机整体运动和内部质量块运动分别采用刚体假设和多刚体假设的基础上,采用矢量矩阵法对水下滑翔机进行了运动学建模、动力学建模、水下运动受力分析;对应的矩阵方程可组合联立转化为标量形式的运动方程,并简化得到垂直面滑翔运动方程,突出可控质量块运动状态和滑翔机滑翔姿态间的关系。 3.在结合垂直面简化机理模型和水下滑翔机试验数据的基础上,采用基于交叉验证可信度分析的灰箱系统辨识的方法,在 Matlab系统辨识工具箱中辨识得到水下滑翔机垂直面运动时控制俯仰姿态的传递函数,该传递函数对理论模型进行了简化和修正,为水下滑翔机姿态控制的研究奠定了理论基础。 4.在辨识的传递函数的基础上采用自适应模糊 PID算法进行了控制器设计,Matlab/Simulink仿真结果显示模糊 PID控制器具有良好的控制效果,相比常规的 PID控制器,动态性能、抗扰能力以及对不同控制目标的适应能力方面都表现出明显的优越性,对水下滑翔机实际滑翔姿态控制具有重要指导作用。 |
| 作者： | 陈力萍 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 宋大雷 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 中国海洋大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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