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[硕士论文] 贺宗武
机械工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:随着陆地不可再生资源不断减少,海洋资源的开发显得尤为迫切。海洋开发需要先进的技术和装备,水下无人平台在解决长时间滞留,作业任务多样性等方面比一般的潜器具有明显优势,引起了各国的重视。水下无人平台需要完成在目标点施放可变载荷等作业要求,载荷施放前后将引起平台动力学性能变化和姿态变化,加之受海流等随机干扰,因此平台动力学性能具有时变与非线性的特性。因此,研制施放载荷作业的水下无人平台,研究其运动控制方法具有重要研究意义和实用价值。
  本文研制水下无人平台实验载体,为其控制技术研究提供实验载体。为获取水下无人平台实验载体的位姿信息,选择相应传感器并设计传感器与水下无人平台实验载体的安装方式;设计水下无人平台实验载体软、硬件控制系统。为了实现对水下无人平台实验载体进行精确控制,研究推进器推力分配逻辑,在建立水下无人平台推进器动力学模型的基础上,建立水下无人平台实验载体系统动力学模型,并通过水下无人平台实验载体水池实验对动力学模型进行离线辨识。为了检验辨识后水下无人平台实验载体动力学模型的精度,进行艏向动力学模型实验验证。
  本文研制能够精确调整压载舱水量的浮力调节系统。水下无人平台实验载体任务载荷施放后,将损失一部分重量,导致实验载体重浮力矢量发生变化,引起水下无人平台实验载体纵倾姿态改变。根据任务要求,为保证水下无人平台实验载体重浮力平衡的同时纵倾基本稳定,本文研制液压浮力调节系统。在任务载荷施放后为利用浮力调节系统平衡实验载体重浮力的同时对纵倾姿态进行控制,设计一种基于单神经元的自适应PID控制器,对前后压载舱水量进行控制,并利用Simulink模块进行压载舱水量控制仿真实验。
  研究水下无人平台实验载体运动控制器设计,并进行相应的运动控制仿真实验。针对普通反演滑模控制方法在对水下无人平台实验载体进行姿态控制时,系统总不确定性上界难以确定导致的控制精度问题,本文设计一种引入系统(η)、(η)状态量的自适应反演滑模控制器,通过Simulink模块对任务载荷施放前后进行模型匹配的仿真实验,并与普通反演滑模控制方法进行对比,验证本文方法的有效性。针对自适应反演滑模控制方法存在较大稳态偏差的问题,本文设计一种基于RBF网络的自适应反演滑模控制器,通过Simulink模块对任务载荷施放前后进行模型匹配的仿真实验,并与上文自适应反演滑模控制方法进行对比,验证本文设计的基于RBF网络的自适应反演滑模控制方法有效性。为验证本文设计的基于RBF网络的自适应反演滑模控制算法的控制性能,与采用直接利用RBF网络对系统总不确定性进行在线逼近的自适应反演滑模控制方法进行对比仿真实验。
  利用本文研制的实验载体以及浮力调节系统进行实验研究。为验证单神经元自适应PID水量控制器的控制性能,在进行流量计校准的基础上,利用本文研制的浮力调节系统进行打水实验。为验证本文设计的自适应反演滑模优于普通反演滑模的控制效果,利用本文研制的水下无人平台实验载体进行艏向阶跃跟踪以及复合正弦轨迹跟踪水池验证实验。为验证本文设计的基于RBF网络的自适应反演滑模控制器具有比自适应反演滑模控制器有效降低稳态偏差控制效果,利用本文研制的水下无人平台实验载体进行艏向阶跃跟踪以及复合正弦轨迹跟踪水池验证实验。为验证本文设计的基于RBF网络的自适应反演滑模控制方法的控制性能,与利用RBF网络直接对系统总不确定性进行在线逼近的方法进行复合正弦波跟踪的水池对比验证实验。
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