铺缆船拖链建模及航迹控制技术研究

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。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

第2章 铺缆船和埋设犁数学模型

2.1 系统建模条件

2.2 铺缆船运动数学模型

2.3 埋设犁运动数学模型

2.4 本章小结

第3章 拖链数学模型

3.1 拖链运动力学方程

3.2 拖链稳态运动分析

3.3 拖链动态运动分析

3.4 铺缆船-拖链耦合系统数学模型

3.5 本章小结

第4章 基于云模型滑模的铺缆船航迹控制

4.1 滑模变结构控制与云模型理论

4.2 铺缆船轨迹跟踪控制器设计

4.3 本章小结

第5章 系统仿真分析

5.1 拖链稳态运动仿真分析

5.2 拖链动态运动仿真分析

5.3 拖链对铺缆船运动的影响分析

5.4 铺缆船航迹控制仿真分析

5.5 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研究成果

致谢