水下滑翔器动力学行为与鲁棒控制策略研究

摘要

水下滑翔器是一种新型的水下自航行器（AUV），由于其在位作业时间长、巡航范围广、能耗少等优点，已经逐渐应用于海洋监测和探测领域，发挥着越来越重要的作用，受到广泛关注。根据所使用的驱动能源，水下滑翔器可分为电能驱动与温差能驱动水下滑翔器。温差能驱动水下滑翔器使用海洋温差能作为驱动能源，其能耗更小，在位工作时间更长，噪音更小。本研究设计开发了温差能驱动水下滑翔器，并进行了水域试验，验证了水下滑翔器设计的正确性和功能实现的有效性。主要研究内容包括： ⑴设计了我国首台温差能驱动水下滑翔器试验样机，此样机可以利用工作水域表层与深水层约10摄氏度的温度差实现动力驱动，通过浮力的改变实现沉浮，通过耐压舱内部偏心旋转重物和平移重物的运动实现姿态调整。 ⑵使用吉布斯--阿佩尔方程建立了水下滑翔器系统动力学模型。此模型同时考虑了偏心旋转重物与平移重物的共同作用，能够准确反映水下滑翔器的动力学特性，对同类水下自航行器的动力学建模具有参考价值。本文分别对滑翔器在三维空间和垂直剖面的运动性能进行了分析，研究了水下滑翔器设计参数与运动性能的关系，获得了水下滑翔器运动速度范围和运动方向范围，并确定了相关的设计参数。 ⑶设计了水下滑翔器LQR调节器，对滑翔器闭环反馈系统在垂直剖面的运动作了仿真分析，研究了系统对干扰的抑制能力和对参考输入的跟踪情况。 ⑷考虑到水下滑翔器的参数不确定性，设计了基于参数不确定性控制模型的H∞鲁棒控制器。论文对闭环反馈系统的标称性能，鲁棒稳定性和鲁棒性能进行了分析，得出了相关设计参数的摄动范围，保证了水下滑翔器在一定的参数摄动情况下仍能获得良好的控制效果，增加了水下滑翔器的运动安全性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2水下滑翔器发展概述

1.2.1水下滑翔器技术发展状况

1.2.2水下滑翔器水域试验研究

1.2.3水下滑翔器搭载传感器概述

1.3水下滑翔器动力学与控制研究状况

1.4本课题问题提出

1.5本课题的来源及意义

1.6本文主要研究内容

第二章温差能驱动水下滑翔器总体设计

2.1 引言

2.2总体设计目标与功能要求

2.3结构布局与单元模块划分

2.3.1姿态调整机构模块设计

2.3.2水下滑翔器主体模块设计

2.3.3控制与通讯系统模块设计

2.3.4测量与传感器模块设计

2.3.5温差能驱动浮力调节系统模块设计

2.4 本章小结

附图

第三章水下滑翔器动力学建模与仿真

3.1引言

3.2水下滑翔器系统动力学描述

3.2.1水下滑翔器的系统构成

3.2.2水下滑翔器系统坐标系

3.2.3水下滑翔器系统变量定义

3.2.4变换矩阵及卡尔丹角描述

3.2.5转动角速度与姿态角的关系

3.3水下滑翔器运动学描述

3.4.水下滑翔器系统吉布斯函数分析及计算

3.5水下滑翔器动力学分析

3.5.1水下滑翔器受力分析

3.5.2水下滑翔器受水动力分析

3.5.3水下滑翔器动力学方程建立

3.6水下滑翔器三维动力学模型解算与仿真

3.7本章小结

第四章水下滑翔器垂直剖面动力学行为研究

4.1引言

4.2水下滑翔器垂直剖面运动模型

4.3水下滑翔器垂直剖面稳态运动参数分析

4.4本章小结

第五章 水下滑翔器控制器设计

5.1 引言

5.2水下滑翔器系统的状态空间描述

5.2.1水下滑翔器动力学模型线性化

5.2.2水下滑翔器系统状态方程

5.3水下滑翔器LQR调节器设计

5.3.1无控情况下水下滑翔器系统响应

5.3.2 LQR调节器设计

5.3.3水下滑翔器闭环反馈系统垂直剖面运动轨迹仿真

5.4水下滑翔器H∞控制器设计

5.4.1水下滑翔器不确定性模型

5.4.2水下滑翔器H∞控制器设计

5.5本章小结

第六章 温差能驱动水下滑翔器试验研究

6.1引言

6.2姿态调整机构单元试验

6.2.1试验设备与试验方法

6.2.2试验结果

6.3温差能驱动浮力调节系统单元试验

6.3.1工作介质特性测试

6.3.2浮力调节液压系统试验研究

6.4温差能驱动水下滑翔器水域试验

6.5本章小结

第七章全文总结

7.1结论

7.2工作展望

参考文献

作者参加的科研项目和完成的学术论文

致 谢