深潜救生艇自动对接控制方法研究

摘要

作为失事潜艇救生的一种可靠手段，深潜救生艇及其救生装置的研究日益受到各国海军的重视，由于具有脐带缆和两自由度对接转裙的深潜救生艇在对接作业中具有较大的优势，近年来受到很多相关人士的青睐。深潜救生艇自动对接的最终目的是利用推进器的作用使得对接转裙的对接口平面能够与失事潜艇的逃生口平面重合，但海洋环境复杂多变，实际对接作业过程中会受到海流干扰力以及脐带缆作用力影响。为实现深潜救生艇和失事潜艇的准确对接，本文主要对以下几个方面进行了研究: 首先，针对具有两自由度转裙装置的有缆深潜救生艇建立适合对接控制的数学模型，该模型可以动态的计算空间脐带缆的状态和深潜救生艇对接转裙平面的位置以及法向量，并基于此数学模型提出了适合深潜救生艇对接控制的两种对接方案，分别能够针对失事潜艇具有小倾角和大倾角的情况进行对接控制。 其次，利用理论分析的方法和基于敏感度函数的方法对深潜救生艇的水动力模型进行了分析和模型化简，得到适合对接作业且具有非对称结构的深潜救生艇的水动力模型，并利用近似估算和基于计算流体力学的方法计算了深潜救生艇的重要水动力系数。 然后，针对具有速度测量装置的深潜救生艇设计了一种自适应双环控制系统，利用状态变换将深潜救生艇定位控制系统分为双环结构，针对内环系统中存在的非线性、干扰以及未建模动态等因素，提出了一种基于神经网络的 L1自适应控制方法，利用小波神经网络的逼近能力对系统中的非线性部分进行逼近，L1自适应控制中滤波器的存在，使得系统可以实现快速的自适应，且能够保证系统的动态性能，最终控制器能够使得深潜救生艇对接转裙平面与失事潜艇逃生口实现对接。 最后，针对未安装速度测量装置的有转裙深潜救生艇的对接控制问题，首先设计了一种基于递归小波神经网络的多变量状态观测器，由于递归小波神经网络具有内部的反馈回路，因此在对非线性部分进行逼近时，可以避免使用速度向量的估计值，基于类Riccati方程设计了观测器的参数矩阵，从而在证明观测器稳定性时不需要首先验证系统的严格正实性，简化了稳定性证明过程。基于以上状态观测器设计了反步控制规律，并证明了系统跟踪误差的有界性。由于推进器的动态特性可以简单的描述为一个一阶惯性环节，在上述反步控制规律的基础上，针对阶数增加的系统设计了基于微分跟踪器的反步控制规律，利用微分跟踪器来快速逼近虚拟控制信号的导数，避免了复杂的求导过程，另外针对推进器中存在的死区非线性特性，设计了自适应的前置死区补偿器，有效的降低了死区对控制系统的影响，提高了控制精度。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3课题的主要研究内容

第2章 具有两自由度转裙的深潜救生艇对接方案设计

2.1引言

2.2深潜救生艇坐标系统

2.3艇体运动学模型和动力学模型

2.4脐带缆数学模型

2.5两自由度对接转裙数学模型

2.6深潜救生艇对接控制方案设计

2.7本章小结

第3章 深潜救生艇水动力模型分析及水动力系数计算

3.1引言

3.2深潜救生艇水动力学模型化简及意义

3.3基于敏感性函数的水动力学模型化简

3.4深潜救生艇水动力系数计算

3.5基于CFD方法的深潜救生艇水动力系数计算

3.6本章小结

第4章 有转裙深潜救生艇六自由度状态反馈控制器设计

4.1引言

4.2基于多项式插值的路径生成算法

4.3基于神经网络的L1自适应双环控制系统设计

4.4基于神经网络的L1控制系统收敛性能分析

4.5基于神经网络的L1自适应控制器定位性能验证

4.6具有对接转裙的深潜救生艇对接试验

4.7本章小结

第5章 有转裙深潜救生艇六自由度输出反馈控制器设计

5.1引言

5.2基于神经网络的六自由度深潜救生艇状态观测器设计

5.3基于神经网络状态观测器的反步控制规律

5.4考虑推进器惯性特性时控制规律

5.5自适应前置死区补偿器设计

5.6具有对接转裙的深潜救生艇对接试验

5.7本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢