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水下高速航行体控制系统研究与实现

张永攀  
【摘要】:水下高速航行体采用超空泡技术将航行体包裹在空泡内,其所受阻力将大大减少,使得航行体在水中获得了极高的速度。因此许多国家都投入巨资研发基于超空泡减阻技术的水下高速航行体。开发具有可控能力的超空泡航行体面临许多难题,如超空泡航行体潜在的不稳定、航行体与空泡间复杂的非线性接触等。本文提出了基于DSP的水下高速航行体定深控制系统方案,并对水下高速航行体的数学建模、定深控制算法、执行机构控制系统的软硬件设计等问题进行了深入研究。主要内容如下: 首先,介绍了水下高速航行体的工作原理,根据水下高速航行体的自身特点,讨论了水下高速航行体的一般配置及可采用的几种控制方法;根据水下高速航行体的稳定模式,提出了采用空化器作为执行机构,提出了基于DSP的水下高速航行体的定深控制系统,给出了系统的结构框图,描述了系统各个模块的功能,给出了航行体的深度及空化器角度测量方法。 其次,论文根据现有的资料,选取了合适的坐标系,定义了航行体的运动参数,详细分析超空泡航行体的空化器、尾部等受力情况,在此基础上,运用牛顿定律及相关动力学理论建立了水下高速航行体的非线性运动学及动力学模型,并根据小扰动理论及假设条件将航行体的数学模型进行线性化处理。 再次,根据水下高速航行体的线性数学模型,分析了水下高速航行体的开环特性。设计PID控制器并进行仿真,结果表明,当有扰动存在时,PID控制器控制效果不理想。根据模糊控制适应性强和PID控制稳态误差小等优点结合起来设计了适合本系统的模糊自适应PID控制器,将航行体的实时深度与给定深度的误差以及误差的变化率进行了合理的分级,并根据系统响应曲线设计了模糊控制规则,用模糊自适应PID控制器用以改善航行体的控制性能,提高系统的动、静态响应。仿真结果显示设计的模糊自适应PID控制器与一般PID控制器都能满足系统要求。但具有干扰情况下,模糊自适应PID控制器具有较强鲁棒性。 最后,对定深控制系统进行了软、硬件设计。硬件部分详细论述了DSP主控电路、舵机驱动电路、逻辑控制电路、供电电路等主要电路的设计。软件部分,介绍了系统的整体程序设计,给出了程序流程图,分别对模糊自适应PID程序、舵机位置双环控制程序、通信中断程序、数据采集中断程序进行了说明。通过测试,舵机的响应速度和精度满足了系统的要求。


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