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大尺度水下自航模舵机控制系统研究
| 论文题名： | 大尺度水下自航模舵机控制系统研究 |
| 关键词： | 水下自航模;舵机控制系统;硬件设计;软件开发 |
| 摘要： | 大尺度水下自航模在执行任务的过程中，性能良好的舵机系统是保障自航模操纵性的关键所在。大尺度水下自航模具有大尺度、高航速和惯性大的特点，在航行过程中其运动情况非常复杂。为了提高自航模的操纵性及保障其安全性，研究和设计一套良好的舵机系统成为非常重要的一环。本文基于“新型高速湖上自航试验平台”项目，对同时具有围壳舵、分离式艉升降舵和方向舵的大尺度水下无人航行器的舵机控制系统进行了设计和深入的研究，研究内容主要包含如下几方面： 首先，本文查阅了大量的参考文献，介绍了水下航行器的发展历史及舵机系统的研究现状，对常用的舵机控制方法进行了介绍，并简述了每种控制策略的特点。接着，根据大尺度水下无人航行器的实际需求及对象特性，对比分析了电动舵机和液压舵机的优缺点，确定采用伺服阀控液压缸的舵机液压伺服系统作为大尺度水下自航模的舵机系统。根据主流的工业现场控制系统，确定了稳定性高、方便实现以及易于维护的PLC控制系统作为舵机控制系统，并初步完成了系统的结构设计。 其次，根据大尺度水下自航模阀控液压舵机原理，结合实际的数据，推导并计算出了系统的开环传递函数，在此基础上分析了系统的稳定性及单位阶跃响应。在舵机系统传递函数的基础上对大尺度水下自航模的单舵控制策略以及分离式艉升降舵双舵同步控制进行了仿真试验研究分析。以自航模的方向舵为研究对象，设计了抗积分饱和及积分分离位置式数字PID控制器以及模糊自整定PID控制器，两种控制器分别进行了空载及带载两种工况的仿真试验及分析。结果表明，抗积分饱和及积分分离位置式数字PID控制器具有一定的鲁棒性，模糊自整定PID结合了模糊控制及PID控制各自的优点，可以对PID控制器参数进行实时的调整，提高了控制器的自适应性，表现出良好的控制性能。对于分离式艉升降舵，同样选用模糊自整定PID控制策略进行了双舵同步控制仿真试验分析。结果表明，该控制策略不仅可以大幅减小双舵控制的同步误差，而且可以有效保证舵机运动过程中舵速的一致性。 然后，完成了大尺度水下无人航行器液压舵机系统及控制系统的研制，对液压舵机系统的关键元器件进行了分析计算并完成了设备选型。针对控制系统，详细介绍了系统的硬件选型设计、软件结构的设计及实现。通过半实物仿真平台进行了部分试验，验证了舵机系统建模的合理性以及设计的控制系统的部分功能性。 最后，基于大尺度水下无人航行器进行了实际湖上航行试验。试验结果表明，研制的舵机控制系统可以满足大尺度水下航行器的需求。 |
| 作者： | 徐晓康 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 徐国华;俞健 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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