【摘 要】
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水下滑翔机作为一种水下自主航行器,因其低功耗、长航程等优点被广泛应用于海洋环境观测、军事侦察等领域。然而,由于水下滑翔机作业环境复杂,模型具有高度的非线性,难于实现高精度的运动控制,易产生诸如纵倾角振荡等干扰观测精度,甚至导致观测数据失效的现象,阻碍了水下滑翔机的应用。为此,本文以天津大学研制的Petrel 200水下滑翔机为研究对象,针对水下滑翔机纵倾角振荡问题,开展动力学建模与仿真分析,以及纵
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水下滑翔机作为一种水下自主航行器,因其低功耗、长航程等优点被广泛应用于海洋环境观测、军事侦察等领域。然而,由于水下滑翔机作业环境复杂,模型具有高度的非线性,难于实现高精度的运动控制,易产生诸如纵倾角振荡等干扰观测精度,甚至导致观测数据失效的现象,阻碍了水下滑翔机的应用。为此,本文以天津大学研制的Petrel 200水下滑翔机为研究对象,针对水下滑翔机纵倾角振荡问题,开展动力学建模与仿真分析,以及纵向运动控制策略研究,以期提高水下滑翔机运动控制精度,满足海洋观测要求。本文主要研究工作与成果如下:基于牛顿-欧拉方程,对Petrel 200水下滑翔机进行动力学建模,进而得到水下滑翔机纵向运动的动力学模型,通过求解方程组得到纵向稳态滑翔的解析解;利用Simulink进行纵向稳态运动的建模和仿真,以此证明水下滑翔机动力学模型的准确性。针对Petrel 200水下滑翔机纵倾角振荡问题展开分析,通过分析试验数据提出了控制器参数不合理导致水下滑翔机纵倾角振荡的猜想,利用Simulink建模并仿真了纵倾角振荡,验证了猜想的合理性。通过对比试验数据和仿真结果,验证了所建立的Simulink模型,该模型准确地反映Petrel 200水下滑翔机的动力学特性。为解决水下滑翔机纵倾角振荡问题,设计了模糊PI控制器,对多种工况进行了仿真,并以超调量和响应时间为评价指标,与PID控制的控制效果进行对比分析,结果表明模糊PI控制在稳定性、准确性和快速性上均优于PID控制。建立了Petrel 200水下滑翔机俯仰姿态调节系统的能耗模型,并基于Simulink模型,在相同的初始条件下分别计算了纵倾角振荡、PID控制和模糊PI控制下的姿态调节系统能耗,结果显示模糊PI控制具有低能耗的优点。
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