水下滑翔机控制系统与控制算法研究

摘要

海洋具有很大的开发利用潜力，针对军事和科研对水下滑翔机航行能力的要求，论文工作包括三部分：滑翔机运动过程的分析，直流伺服电机模糊PID控制算法设计以及水下滑翔机避碰研究。 在运动过程分析中，论文研究了滑翔机的运动机理和航行效率。依据滑翔机受力分析建立的运动方程显示，外胆宜安装在滑翔机尾部，使其体积变化引起的机身浮心位移有利于滑翔机俯仰角度的调整。通过能量转换分析，得出滑翔机航行效率由机翼升阻比和机身航行角决定，航行角在10～40度范围内，增大机翼升阻比可显著提高航行效率；并由计算得出，在升阻比一定的情况下，总存在一个使滑翔机航行效率达到最大的航行角度，为样机工作参数设计提供了理论依据。 本文给出了水下滑翔机总体控制系统设计方案，着重研究其中航行的姿态控制。针对电机的非线性、参数的不确定性及位置随动系统对实时性和无超调的要求，提出了模糊在线自整定PID参数的控制方案，加快了系统的响应速度，减小了超调量，提高系统的稳态精度。同时，使系统的鲁棒性得到改善。满足水下滑翔水下滑翔机姿态角定位精度的要求。 本文提出了一种新的启发式搜索技术，用于配备了前视声纳的水下滑翔机的障碍物避碰，声纳各子部分与实时环境的属性之间的模糊关系是核心概念。在BK下三角乘积中，运用Lukasiewicz的模糊蕴涵算子计算模糊关系和它转置之间联系，乘积关系揭示了声纳各子部分间内在联系和特性，得到一个拥有良好特性的声纳子部分方向被选作为躲避障碍物的相继航向。文中首先建立了水下滑翔机简化的运动学模型，并通过Matlab(simulink)和VC++仿真实验，实验结果清楚的表明这种启发式探索技术，能够使水下滑翔机安全的导航通过障碍物并选者一条最优的路径。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2水下滑翔机的研究意义

1.3国内外发展现状

1.3.1国外水下滑翔机发展现状

1.3.2国内水下滑翔机发展现状

1.4本论文研究的重点内容及工作安排

第2章水下滑翔机运动机理与控制系统设计方案

2.1水下滑翔机的运动过程分析

2.1.1水下滑翔机受力分析

2.1.2水下滑翔机航行能效分析

2.1.3水下滑翔机的运动轨迹仿真

2.2水下滑翔机控制系统设计方案

2.2.1水面控制系统

2.2.2水下控制系统

2.2.3内部驱动控制系统

2.3本章小结

第3章水下滑翔机模糊控制策略研究

3.1模糊控制的概况及理论基础

3.2模糊控制系统的组成

3.2.1模糊化过程

3.2.2知识库

3.2.3模糊推理

3.2.4清晰化

3.3直流伺服电机模糊PID控制算法设计

3.3.1模糊自整定PID控制

3.3.2 PID参数的调整策略

3.3.3水下滑翔机定常和回转运动

3.3.4仿真实验

3.4本章小结

第4章水下滑翔机避障控制算法研究

4.1 BK-products

4.2截集和Hasse图

4.3应用BK三角子积技术的水下滑翔机避障研究

4.3.1应用三角子积的模糊逻辑控制器设计

4.3.2水下滑翔机模糊避障算法流程图

4.4实例研究

4.5本章小结

第5章水下滑翔机模糊控制避障算法的实现

5.1水下滑翔机避障模糊控制器设计

5.1.1基于行为分类的模糊控制器的设计方法

5.1.2语言变量及其模糊化

5.1.3模糊规则的建立

5.1.4模糊推理与清晰化

5.2仿真研究

5.2.1水下滑翔机模型仿真

5.2.2模糊控制器仿真

5.2.3仿真结果

5.3算法实现的VC++仿真

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢

附录