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近水面AUV垂直面姿态与节能的综合控制策略研究
| 论文题名： | 近水面AUV垂直面姿态与节能的综合控制策略研究 |
| 关键词： | 小型水下海洋运载器;近水面;LQR控制;能量优化 |
| 摘要： | 随着人类加大对海洋资源的开发和探索，小型水下海洋运载器（AUV）因其能用于深海的探索和开发被各海洋大国所重视。各国开始加大对小型水下海洋运载器的研究和生成。由于 AUV体积比较小，它携带的能量有限，因此如何提高 AUV的续航能力是一个很重要的课题。 AUV在近水面作业时，由于海洋环境的干扰，致使AUV的姿态和推进器的推进性能受到影响。本文对由于垂直面姿态变化导致的阻力增值、近水面AUV的阻力、敞水螺旋桨以及螺旋桨与艇的相互影响进行预报，分析由于海浪造成的螺旋桨的推力和转矩损失的大小。使用线性二次型控制方法对AUV的垂直面姿态和能耗进行综合控制，减小系统的能源消耗，提高AUV的续航能力。 本文首先根据牛顿力学定理和流体力学知识建立AUV的六自由度数学模型，并对其在某种条件下进行线性化，然后化简出用状态空间形式表示的垂直面运动模型，使用MATLAB软件判断垂直面运动系统的稳定性以及可控、可观测性。由于本文研究的是工作在近水面的 AUV，因此要对近水面 AUV受到的干扰力和力矩进行分析，利用Morison方程建立 AUV受到的海浪干扰力和力矩的方程，并且根据长峰波海浪的仿真原理，运用MATLAB软件对波浪产生的干扰力和干扰力矩进行仿真分析。 其次，用GAMBIT画出AUV的模型，使用Fluent对静水中AUV受到的阻力进行预报。在此基础上，使用动网格技术对纵摇和阻力的关系进行计算分析，拟合出纵摇姿态和阻力增值的关系；对近水面的 AUV受到的阻力进行预报，计算出 AUV的兴波阻力。使用Fluent对螺旋桨的敞水性能、桨与艇之间的影响进预报，结合阻力和螺旋桨的敞水性能曲线计算出自航点，然后计算出螺旋桨的伴流系数和推力减额系数。分析波浪中螺旋桨推力和转矩的损失。 最后使用线性二次型最优控制方法对AUV垂直面姿态和摆舵最小消耗进行综合控制，使用遗传算法对状态量和输入量的加权矩阵进行优化。使用线性二次型控制方法不仅考虑了传统性能指标，即控制AUV的垂直面姿态，还考虑了由于垂直面姿态改变造成的能量消耗。对控制后的AUV的阻力增值和单位时间的能耗进行统计计算，可知有效的减小了阻力和能耗，提高了推进效率。本文设计的控制器，实现了垂直面姿态和能耗的综合控制，具有一定的参考价值。 |
| 作者： | 牛小丽 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 金鸿章 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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