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原文传递动力浮标控制系统相关技术研究

论文题名：	动力浮标控制系统相关技术研究
关键词：	动力浮标;控制系统;航迹跟踪;LOS算法;模糊控制算法
摘要：	海洋浮标在海洋气象监测、水文信息采集等方面发挥着重要作用。与传统的无动力海洋浮标不同，动力浮标本身具有推进装置，在执行短时间定点测量任务时能够自动保持在测量点附近。动力浮标采用锂电池供电，稳定高效的控制系统对于提高动力浮标的工作性能，延长工作时长具有重要意义。本文设计了动力浮标控制系统的控制体系和硬件电路，并借鉴普通水面船舶的控制思想对动力浮标的航迹跟踪技术展开研究，主要的研究内容和工作如下: 　　首先，根据动力浮标的工作特性，设计控制系统体系结构和硬件电路。通过对动力浮标的任务需求进行分析，明确控制系统的控制任务。通过对智能控制系统体系结构进行研究，设计动力浮标的分层式控制系统体系结构。依据所使用的硬件设备，按照模块化设计的思想，设计分布式供电模块、推进器隔离控制模块等硬件电路。　　其次，结合动力浮标的外形以及工作特点，建立动力浮标的数学模型。根据动力浮标的运动特性对数学模型进行简化，得到解耦的纵倾数学模型和水平面三自由度数学模型。由于动力浮标在底部挂载线缆作业时线缆对纵倾角有影响，故单独设计出纵倾PID控制器。在保证动力浮标总推力不变的情况下，通过调整上下两组推进器的推力控制纵倾角。随后通过仿真实验对纵倾控制器进行验证。　　然后，对动力浮标的间接航迹跟踪控制方法展开研究，采用LOS(Line-of-Sight)航迹跟踪算法和模糊控制算法设计动力浮标的间接航迹跟踪控制器。通过对基于“视距”确定目标航向的方法和基于虚拟目标引导距离确定目标航向的方法进行对比、分析，提出基于航迹跟踪偏差距离的目标航向计算方法。随后通过仿真对所提出的方法进行验证。由于动力浮标航行速度较低、受洋流的影响较大。为此，对动力浮标控制器进一步优化，在航向控制单元中引入Bang-Bang控制思想对转向速率进行控制。通过两组仿真结果可以看出所设计的动力浮标控制器控制效果较好。　　最后，在水库进行试验，对所设计的动力浮标控制系统进行验证。通过回转试验、直线航行试验、直线航迹跟踪试验和区域自守位试验验证控制系统的有效性。根据试验效果，对动力浮标的航速控制设定调整阈值，当航速误差大于此阈值才对航速进行控制。最终试验结果表明所设计的控制系统能够满足动力浮标的控制需求。
作者：	刘怀东
专业：	控制科学与工程
导师：	陈虹丽
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文