潜艇航向智能控制系统

摘要

在军事及经济等领域，潜艇占据着极其重要的地位，随各国经济、政治的发展，其重要性日益提高。由于潜艇有限的续航力及各种需求，潜艇近水面航行在所难免。在这种情况下，相对比深海中的航行，潜艇所受干扰要复杂得多。本文对近水面情况下潜艇航向控制系统进行了理论上的分析。 主要研究内容包括： 首先，建立潜艇水平面运动数学模型。根据由动量/动量矩定理得到的潜艇空间六自由度运动标准运动模型，利用航向控制及水动力系数简化规则，对数学模型进行简化，得到了潜艇偏航方程、横向方程两自由度运动方程。分析了潜艇近水面所受外力/力矩，其中包括艇体水动力/力矩、舵水动力/力矩、海浪干扰力/力矩，并对海浪干扰力/力矩进行仿真； 其次，针对潜艇近水面航行时遇到的问题，即尾垂直舵有时会露出水面一部分，使舵效减弱，结合潜艇自身及海浪的特点进行分析，在原水平面两自由度运动方程基础上添加了一项由于海浪对舵面积的影响而产生的变化干扰项。文中将海浪频谱近似看为窄带谱，利用窄带谱的各种特点，用平均波高和平均周期描述出海浪的主要特征，在简化的仿真模型中，计入由于波高变化而引起的舵力/力矩变化； 然后，利用最小二乘支持向量机(LS—SVM)在保持辨识精度的前提下能很大程度地提高计算速度的特点，依据潜艇航向非线性系统数学模型，通过遗传算法选取出LS—SVM的最佳参数，离线训练LS—SVM，然后辨识得到系统的非线性模型，将其作为预测模型，设计了基于LS—SVM的预测控制器； 最后，针对潜艇近水面运动时舵可能会部分露出水面这一情况，将本文设计的控制器与传统PID控制在MATLAB中进行仿真并比较分析。结果表明，针对具有时变性的非线性系统，LS—SVM预测控制能达到更好的控制效果，有效降低打舵速度。用设计出的预测控制器对参数摄动模型进行仿真，并与标称模型作对比，给出了三米及四米有义波高时，不同遭遇角情况下的潜艇航向控制系统仿真曲线，并给出航向角、舵角的统计值，验证了所设计的控制器的有效性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1论文选题的意义及背景

1.2国内外相关技术发展概况

1.2.1自动舵的发展

1.2.2模型预测控制的发展

1.2.3支持向量机的发展

1.2.2模型预测控制及其与支持向量机的结合应用

1.3本文主要研究内容

第2章 潜艇航向运动建模

2.1坐标轴变换

2.2潜艇运动模型

2.2.1动量定理

2.2.2潜艇空间运动原始方程

2.2.3潜艇水平面运动方程求解

2.3海浪干扰仿真

2.3.1海浪对艇体的干扰

2.3.2海浪对舵力的影响

2.3本章小节

第3章支持向量机有关理论问题研究

3.1支持向量机的特点

3.2支持向量机参数的选择

3.2.1支持向量机的参数对其性能的影响分析

3.2.2支持向量机参数选择的遗传算法实现

3.3非线性系统LS-SVM辨识

3.4 SVM与LS-SVM用于系统辨识的比较

3.5本章小节

第4章潜艇航向LS-SVM预测控制

4.1模型预测控制

4.2基于LS-SVM的预测控制

4.2.1潜艇航向控制系统预测模型的建立

4.2.2非线性模型处理

4.2.3潜艇航向控制器设计

4.3本章小节

第5章系统仿真

5.1传统PID航向控制仿真

5.2 LS-SVM预测控制航向控制仿真

5.2.1标称模型仿真

5.2.2参数摄动模型仿真及结果分析

5.3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