自主式水下航行器的建模与自适应滑模控制

摘要

该论文系统研究了自主式水下航行器的建模、非线性自适应滑模控制、以及深度调整和水平面导引方法等问题,具体成果和创新点如下1、根据流体力学理论,建立了螺旋桨推进器的动态模型,它以螺旋桨来流速度vp和螺旋桨转速n为状态变量,以电机施加转矩r为输入,螺旋桨推力T和转矩Q为输出.2、针对自主式水下航行器非线性强、模型参数获取困难的问题,提出了非线性自适应滑模控制,从理论上证明了它的全局渐近稳定性.其特点是在滑模控制的基础上引入自适应机制,在线估计不确定参数,从而消除参数不确定性对系统性能的影响,在保证鲁棒性的基础上减小了滑模控制附加项的幅值.考虑到可能出现的参数漂移,提出了自适应律的两点改进.3、研究了自主式水下航行器的速度/位置跟踪控制问题.在推进器动态模型的基础上,采用滑模控制的方法,由速度/位置误差获得期望推力,再通过求解包括来流速度的二次方程得到期望螺旋桨转速.通过对比未考虑与考虑推进器动态模型两种情况的控制结果,说明该模型的重要性.4、提出基于模糊推理系统的自主式水下航行器深度调整策略.该方法建立在对水下航行器的机动性能和水下环境等先验知识的基础上,突出优点是易于理解、操作和修改.5、研究了自主式水下航行器水平面运动的

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1水下航行器简介

1.2水下环境——面临的挑战

1.3导航/传感器系统、控制系统

1.4论文研究内容与结构安排

第二章自主式水下航行器建模

2.1引言

2.2刚体运动学

2.2.1坐标系

2.2.2体坐标系与地面坐标系之间的转换——欧拉角

2.2.3自主式水下航行器的运动描述

2.2.4运动学方程

2.3刚体动力学

2.4惯性类流体动力τAM

2.5粘性类流体动力τV

2.5.1攻角、侧滑角

2.5.2粘性流体动力的线性表达式

2.6重力和浮力τG

2.7推力τT

2.7.1来流速度的流体动力学方程

2.7.2电机的动态特性

2.7.3推力T和负载转矩Q的计算

2.7.4方程联立

2.8海(水)流的影响

2.9空间运动方程分组

2.10本章小结

第三章非线性自适应滑模控制

3.1引言

3.2鲁棒滑模控制

3.3纵向运动的非线性自适应滑模控制

3.3.1纵向运动模型简化

3.3.2深度控制

3.3.3流体动力参数已知的滑模控制

3.3.4俯仰角自适应滑模控制

3.3.5白适应算法的改进

3.3.6仿真结果

3.4侧向运动的非线性自适应滑模控制

3.4.1侧向运动模型简化

3.4.2航向角的滑模控制

3.4.3航向角的自适应滑模控制

3.4.4仿真结果

3.5本章小结

第四章轴向运动控制

4.1引言

4.2不考虑推进器动态模型的速度/位置控制

4.2.1滑模控制

4.2.2仿真结果

4.3考虑推进器动态模型的速度和位置控制

4.3.1非线性观测器

4.3.2参考转速nd的求解

4.3.3仿真结果

4.4本章小结

第五章深度调整和水平面导引

5.1基于模糊推理系统(FIS)的深度调整策略

5.1.1问题提出

5.1.2模糊推理系统的建立

5.1.3仿真结果

5.2水平面内的导引律

5.2.1“视线”导引

5.2.2“视线”导引仿真

5.2.3定常海流对水平面运动的影响

5.2.4海流速度观测器

5.2.5修正后的“视线”导引仿真

5.2.6基于极坐标变换的“视线”导引

5.3本章小结

第六章全文总结

6.1结论

6.2研究展望

参考文献

致谢

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