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原文传递水下热滑翔机的温差能热机性能与运动控制研究

论文题名：	水下热滑翔机的温差能热机性能与运动控制研究
关键词：	水下热滑翔机;海洋温差能;内部动态;跟踪控制;稳定逆;运动控制
摘要：	水下滑翔机是一高效的、浮力驱动的、带翼的自主式水下运载器,在海洋研究和军事探测领域具有重要的应用价值。与利用电池能量作为动力推进的水下滑翔机相比,利用海洋温差能作为动力推进的水下热滑翔机的续航能力更强。海洋温差能动力推进系统的核心部件为温差能热机圆管,其内装有工作流体,它是一种相变材料。　　温差能热机不仅为水下热滑翔机提供推进动力,而且是一个运动控制激励。然而,不同的海洋温跃层、滑翔机排水量和滑翔角对温差能热机性能产生重大影响。此外,水下滑翔机动力学系统是一个多变量非线性系统,具有不稳定的内部动态,难以操纵,其运动控制系统的设计是一个关键的课题。本文的主要目的,是研究各种因素对温差能热机性能的影响及温差能热机性能的改进方法,探讨滑翔机运动控制系统的设计方法以改善滑翔机的动力学行为,及降低控制成本。　　本文采用数值和实验的方法对温差能热机性能进行研究。基于焓法对温差能热机管内的相变过程建立了数学模型,并应用全隐式的有限容积法进行了数值离散。实验装置的搭建充分考虑了海洋温度剖面和滑翔运动的特点,能实时模拟水下热滑翔机周围的环境温度,实现环境温度在连续变化下的温差能热机性能试验。　　海洋温跃层对温差能热机性能的影响研究表明,对于温差能热机的正常循环工作,温跃层深度和上厚度存在临界值(当温跃层上界深度处的海水温度大于相变材料的相变温度,并且温跃层下界深度处的海水温度小于相变材料的相变温度时,相变材料的相交温度所对应的海洋深度与温跃层上界深度之差,称为温跃层上厚度)。当温跃层深度小于温跃层临界深度或温跃层上厚度小于温跃层临界上厚度时,温差能热机将无法正常循环工作。为了保证温差能热机有效工作,热滑翔机从暖水层进入冷水层之前,必须在海洋表层暖水区停留一段时间。然而,热滑翔机同时也在海洋表层强海流下随波逐流,姿态难以保持,这样既浪费了控制所需的能量,也浪费了浮力调节过程中所需的能量。　　滑翔机排水量和滑翔角对温差能热机性能的影响研究表明,对于温差能热机的正常循环工作,滑翔机的排水量和滑翔角绝对值存在临界值。当滑翔机排水量小于滑翔机临界排水量或滑翔角绝对值大于临界滑翔角绝对值时,温差能热机将无法正常循环工作。为了保证温差能热机有效工作,热滑翔机从暖水层进入冷水层之前,必须在海洋表层暖水区停留一段时间。这样,又会遭遇海洋表层强海流的冲击,这是滑翔机运行过程中主要的受限因素之一。　　综合前面的分析可以得出如下关系:减小滑翔机的排水量或增大滑翔角的幅值,都会增加滑翔机的垂直速度,其对温差能热机性能的影响等效于减小海洋温跃层的深度或厚度;反过来,增加滑翔机的排水量或减小滑翔角的幅值,都会减小滑翔机的垂直速度,其对温差能热机性能的影响等效于增加海洋温跃层的深度或厚度。　　基于这种关系,可得出改进温差能热机性能的方法:当海洋温跃层深度或厚度较小时,可以在热滑翔机的设计中增加其排水量或在运行过程中减小其滑翔角幅值,以消除海洋温跃层对温差能热机性能的不利影响,从而达到改进温差能热机性能和热滑翔机性能的目的。　　进一步分析,提出了改进热滑翔机性能的更好的方法:在海洋深层冷水区和表层暖水区,热滑翔机应该以较小的滑翔角度运行;在海洋深层冷水区和表层暖水区之间的过渡区域,热滑翔机应该以较大的滑翔角度运行。　　结合逆系统方法和滑模变结构控制理论,设计了水下滑翔机的运动控制系统。分析结果表明,选择合适的控制输出变量对整个系统的稳定性和逆系统方法的成功应用起着至关重要的作用。仿真结果表明,所设计的复合控制器具有如下特点:能有效处理欠驱动的多变量非线性系统、一定的抗干扰能力和良好的鲁棒性、较大的吸引区、良好的输出跟踪控制性能。　　以具有不稳定内部动态的水下滑翔机动力学系统为对象,将适用于单输入单输出非线性系统的一种新的稳定逆技术拓展,并应用于多输入多输出非线性系统的前馈控制设计。利用此方法来求解系统逆问题,所得的解包括了前馈控制输入和规划好的输出轨迹,这些解是有界的而且是因果的。此外,还利用二次型最优控制方法设计了反馈控制,用于保证系统稳定地沿着期望的状态轨迹从初态变化到末态,并使水下滑翔机的运动对环境的不确定性和干扰具有一定的鲁棒性。仿真结果表明,所设计的非线性前馈与反馈控制系统能够有效地处理非最小相系统,并成功地实现了输出跟踪。此外,控制系统所需能量甚小,由于水下滑翔机自身携带的动力是有限的,节省能量就意味着续航力的增强。
作者：	杨海
专业：	轮机工程
导师：	马捷
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文