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铺缆船拖链建模及航迹控制技术研究
| 论文题名： | 铺缆船拖链建模及航迹控制技术研究 |
| 关键词： | 铺缆船;拖链建模;数学模型;航迹控制 |
| 摘要： | 海底光缆埋设施工时,埋设犁需要铺缆船通过拖链驱动。埋设犁的路径和速度,亦即铺缆路径和速度需要通过控制铺缆船的航迹和速度来得到。铺缆船的运动,除了海洋环境的影响之外,拖链张力对其的影响也不可忽略。为了精确控制铺缆船以一定的速度和航迹航行,需要分析拖链的运动情况,并在此基础上设计轨迹跟踪控制器进行航迹控制。 本文首先建立了拖链和铺缆船的数学模型,然后研究了铺缆船和拖链的耦合运动情况,建立了铺缆船-拖链耦合运动模型。最后针对铺缆船-拖链耦合系统数学模型设计轨迹跟踪控制器。鉴于滑模变结构控制的响应快速、鲁棒性强等特点,本文使用基于指数趋近率的滑模控制器,并采用云模型理论解决抖振的问题。铺缆船的航迹通过简化的方式由埋设犁的路径确定,将仿真得出的铺缆船和埋设犁的路径与期望路径对比,分析结果。具体如下: (1)首先综合铺缆船的水面作业和低速运行特性,从普通船舶的六自由度模型出发,建立铺缆船的三自由度数学模型和环境干扰数学模型。然后简要介绍了匀速直线运动时的埋设犁数学模型,为后续分析奠定基础。 (2)从稳态运动与动态运动两方面考虑,建立拖链运动的数学模型。稳态运动分析时,以拖链微元为研究对象建立数学模型,并通过已知的拖链状态值将拖链的稳态运动转化为初始值问题,进而通过龙格库塔法数值求解;仿真分析稳态运动与拖链下端姿态角的关系,以及海流对稳态运动的影响。动态运动分析时,采用集中质量法,将拖链在空间上离散成一系列节点,以节点为研究对象,得出其运动数学模型,以稳态运动的状态值为初始值进行数值求解;仿真分析变速直航和定常回转时拖链的运动情况。 (3)通过耦合条件将铺缆船和拖链的数学模型结合成一个整体,建立铺缆船-拖链耦合系统数学模型。通过对比铺缆船在一定的推力和转矩的作用下运行时,铺缆船自身以及在拖链作用下的回转半径、航行速度等情况,分析拖链对铺缆船运动的影响。 (4)通过假设在运动过程中铺缆船和埋设犁的水平距离保持恒定,由埋设犁路径确定了铺缆船航迹。 (5)针对耦合系统的运动,应用滑模变结构控制方法,基于指数趋近律设计滑模轨迹跟踪控制器。针对滑模控制器的抖振问题,应用云模型理论设计云控制器,与指数趋近率结合形成云模型滑模控制器,根据系统状态动态调整趋近速度,有效提升了控制器性能。 (6)仿真分析了铺缆船-拖链耦合系统在云模型滑模控制器作用下的运动情况。 |
| 作者： | 李马兰 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 丁福光 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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