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水下滑翔机潜浮转换运动优化及控制
| 论文题名： | 水下滑翔机潜浮转换运动优化及控制 |
| 关键词： | 水下滑翔机;潜-浮转换运动;动力学建模;运动优化;模糊单神经元PID控制;运动控制 |
| 摘要： | 水下滑翔机作为一种新型水下自主航行器，其因低功耗、长航程等优点被广泛应用于海洋环境观测、军事侦察等领域。然而，水下滑翔机的作业环境复杂，动力学模型具有高度非线性特征，难以实现高精度的运动控制，而水下滑翔机的潜-浮转换运动控制相较于稳态阶段更加复杂。当水下滑翔机在潜-浮转换时，如姿态控制不当会造成无升力的情况出现，从而导致运动不稳定问题。这会对传感器采样产生不利影响，同时会牺牲航程，一定程度上阻碍了水下滑翔机的应用。为此，本文以天津大学研制的“海燕-L”水下滑翔机为研究对象，针对水下滑翔机潜-浮转换过程运动不稳定的问题，开展动力学分析、潜-浮转换运动优化以及控制策略研究，以期提高水下滑翔机潜-浮转换期间水下滑翔机的运动性能，满足海洋观测要求。本文主要研究工作与成果如下： 首先，通过分析“海燕-L”水下滑翔机海试数据，发现其潜-浮转换阶段的俯仰振荡现象，基于牛顿-欧拉法建立动力学模型，并结合海试数据与动力学仿真，对“俯仰振荡”进行了溯源分析，得出“俯仰振荡”的成因为：潜-浮转换过程中俯仰舵量与净浮力匹配不合理，时间顺序上中性舵量过于超前于中性浮力，导致“抬头下潜”，攻角异常增大，进而使水下滑翔机失去升力。 其次，面向水下滑翔机观测任务需求，在不产生俯仰振荡或相对弱化振荡的前提下分别针对潜-浮转换阶段俯仰稳定性、最大水平距离和最小垂向距离对潜-浮转换运动进行优化，进而提出了相应的控制策略，即俯仰舵量与浮力同步调节策略、34°下潜上浮俯仰角的最大水平距离策略和4°下潜上浮俯仰角的最小垂向距离策略。 最后，针对优化控制策略设计了模糊单神经元PID控制器。单神经元结构简单，具有自学习能力，利于实时控制，一定程度上可以解决复杂过程的实时控制问题，结合模糊控制机制，可以实现单神经元PID控制器增益系数的自整定。通过仿真验证该控制器可以有效减小俯仰角切换的超调量与响应时间，提高控制系统的稳定性和快速性，优化控制系统的动态性能。 |
| 作者： | 王海权 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 张连洪;姜九旺 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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