飞翼式水下滑翔机垂直面运动控制技术研究

摘要

飞翼式水下滑翔机是一种新型的水下滑翔机，具有高滑翔比、大载荷的优点，对其进行研究发展对于完成大范围、长时间的海洋监测具有重要意义。国内外针对水下滑翔机的主要研究问题有滑翔机动力学行为、性能预报、运动控制、调节装置及能耗问题等，作为新型水下滑翔机，飞翼式水下滑翔机也要进行相关研究。垂直面运动是水下滑翔机的主要工作形式，运动控制是水下滑翔机完成任务的基础，而性能和能耗等方面的分析是进行运动控制研究的基础和参考，因此针对这些关键问题，本文对飞翼式水下滑翔机在垂直面的运动控制及其相关问题展开了如下研究： 首先，对于飞翼式水下滑翔机的系统组成和布置方式进行分析，基于动量定理和动量矩定理建立飞翼式水下滑翔机的垂直面运动方程。建立过程充分考虑内部调节系统的特性与布置方式对于滑翔机运动的影响，并结合飞翼机身的特殊结构考虑前后不对称性。整个建模过程减少各类简化对于模型精度的影响，在这一模型的基础上根据稳态条件，导出垂直面稳态航行的相关参数平衡关系。 其次，分析设计飞翼式水下滑翔机的内部调节系统，获取动力学模型中的水动力系数，测试拟合得到调节系统的功率与航行参数的关系。在此基础上搭建飞翼式水下滑翔机垂直面运动的Simulink仿真系统，对垂直面的角度、速度性能与调节控制量的关系进行深入研究。对滑翔机的无控响应、抗干扰能力和最大滑翔状态进行仿真分析。根据滑翔机的系统参数建立滑翔机的垂直面能耗模型，基于Sobol'全局灵敏度分析法对能耗模型的参数灵敏度进行分析，得出各运动参数对能耗影响的灵敏度和贡献率。 再次，对飞翼式水下滑翔机的各类垂直面工作形式进行分析，针对轨迹切换、潜浮切换和着陆坐底进行控制策略研究。采用对非线性系统具有良好控制能力的模糊PID算法，设计水下滑翔机的运动控制系统。并针对潜浮切换和坐底控制的状态变换特征与水下滑翔机对稳定性的要求，提出针对飞翼式水下滑翔机的具有安排过渡过程功能的跟踪微分模糊PID控制方法。通过仿真分析，验证上述控制方法的效果。 最后，设计并实现水下滑翔机的水下控制系统和水面监控系统，完成验证飞翼式水下滑翔机性能和控制器效果的试验；进行飞翼式水下滑翔机滑翔角度跟踪、周期潜浮切换和着陆坐底过程的试验。验证飞翼式水下滑翔机的大滑翔比优势以及本文所提控制方法的有效性，为以后实际应用以及任务规划策略提供理论和数据依据。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 水下滑翔机发展概述

1.3 水下滑翔机控制技术发展现状

1.4 课题的提出与意义

1.5 论文研究的内容

1.6 本章小结

第2章 飞翼式水下滑翔机调节系统及动力学建模

2.1 引言

2.2 系统组成及布置

2.3 内外油囊式浮力调节系统建模

2.4 垂直面运动建模

2.5 本章小结

第3章 飞翼式水下滑翔机垂直面运动性能与能耗分析

3.1 引言

3.2 调节系统的设计

3.3 运动性能分析

3.4 能耗参数灵敏度分析

3.5 本章小结

第4章 飞翼式水下滑翔机垂直面运动控制方法研究

4.1 引言

4.2 垂直面工作形式及控制策略分析

4.3 运动控制器的分析与设计

4.4 几种垂直面工作形式的运动控制仿真分析

4.5 本章小结

第5章 飞翼式水下滑翔机控制系统设计与试验分析

5.1 引言

5.2 控制系统设计与搭建

5.3 垂直面滑翔运动试验分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢