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水下直升机的水动力建模及控制算法设计
| 论文题名： | 水下直升机的水动力建模及控制算法设计 |
| 关键词： | 水下直升机;模糊PID控制器;螺旋桨;输出矩阵;水动力系数 |
| 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。 |
| 作者： | 郦瑞奇 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 宋宏 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 浙江大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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