發(fā)布時間：2020-06-30 10:17

【摘要】：小型應(yīng)急救援設(shè)備具有移動方便、前進阻力小等特點,對該類型設(shè)備的研究可以促進對水上救援的研究和發(fā)展,為人們提供安全救援保障,具有研究意義和應(yīng)用價值。目前,與一些發(fā)達國家相比,國內(nèi)廠家對該類型設(shè)備的研發(fā)設(shè)計仍有很大的差距。但無人艇設(shè)計所涉及的學(xué)科較多,故本論文將重點聚焦在無人艇的推進系統(tǒng)以及運動控制方法上。為了更好研究上述重點,本文首先提出了救援無人艇的總體設(shè)計方案,完成了艇體以及控制功能等模塊的設(shè)計;隨后通過理論分析、數(shù)值模型及試驗驗證等方式,對噴水推進器的推力展開研究;接著建立了多推進雙體船在波浪干擾下的三自由度非線性運動模型,對無人艇的航速航向開環(huán)控制展開分析;最后基于自適應(yīng)滑模設(shè)計控制器,實現(xiàn)了在有界干擾和參數(shù)攝動情況下穩(wěn)定地航行控制。具體內(nèi)容如下:1)從救援無人艇的工況和用途出發(fā),提出了設(shè)計目標,確定了該無人艇的艇體方案設(shè)計,完成了控制系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計與選型。所設(shè)計的救援無人艇采用多噴水推進雙體船形式,其控制功能模塊包括操控中心模塊、導(dǎo)航定位模塊、通訊模塊、能源管理模塊等。2)通過理論分析、數(shù)值建模及試驗驗證等方式,研究了電機轉(zhuǎn)速和無人艇航速對噴水推進器推力的影響。建立推進器數(shù)值模型,通過對推進器進行系泊試驗測得流量,驗證了數(shù)值模型的準確性。分析了不同工況下推進器的推力,分析結(jié)果表明,隨著無人艇航速的增加,噴水推進器的能量損失略有增加。以仿真數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ),應(yīng)用多元多項式的回歸方法,得到不同工況下推進器推力擬合方程。3)通過對無人艇進行受力分析,針對多推進、雙體船等特點,建立多推進雙體船在風(fēng)浪干擾下的非線性運動模型,分析了不同環(huán)境下推力與航速、推力矩與角速度的關(guān)系。分析結(jié)果表明,在波浪干擾下,航速和艏搖角速度均不能達到穩(wěn)定,且波動百分比隨合推力/合力矩增加而逐漸減小;當(dāng)回轉(zhuǎn)力矩存在時,無論是否存在波浪干擾力,實際航速追蹤設(shè)計航速的速度都會變慢。4)圍繞欠驅(qū)動運動系統(tǒng)的航速航向控制展開研究。在航速控制方面,分別基于滑模和自適應(yīng)滑模設(shè)計航速控制器,分析了航速跟蹤性能;結(jié)果表明,兩者均可實現(xiàn)航速追蹤,但后者的速度較快,航速保持時,能耗較少。在航向控制方面,分別基于反步法和反步自適應(yīng)滑模設(shè)計航向控制器;分析表明,兩者均能實現(xiàn)航向跟蹤,但后者具有航向追蹤能力快,且合力矩幅度變化小,能耗小。5)建立航速航向綜合控制系統(tǒng),分別從定航速定航向及定航速變航向兩個角度,分析了航速航向的非線性耦合作用對追蹤能力和瞬態(tài)響應(yīng)的影響;結(jié)果表明,綜合控制已較好完成對固定航速和航向的追蹤;通過推進器推力的快速變化,仍能實現(xiàn)對固定航速的保持和變化航向的追蹤。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U664.82
【圖文】：

圖２．１救援無人艇的布置示意圖逡逑雙體船一般由兩個平行、對稱布置并且線型相同的片體俎合在一起構(gòu)成的。逡逑片體間的中心距離為２Ｃ０邋（見圖２．２），片體內(nèi)側(cè)設(shè)計水線距離為Ｃ。所以該船體逡逑的兩個片體寬度５小于船體的水面總寬度５0。逡逑邐邐逡逑ｊ逡逑，副跚．一＇Ｍｉｈｒｉ逡逑Ｐ逡逑Ｌ邋２Ｃ０邐＾逡逑—邐Ｂ0邐＾逡逑圖２．２片體對稱布局的雙體船逡逑佛勞德數(shù)是水的慣性力與重力的比值，用來判斷水流的流動狀態(tài)。本課題采逡逑用圓舭方尾的ＮＰＬ船型作為該救援無人艇的母型［５６］，如果考慮快速性，當(dāng)佛勞逡逑德數(shù)巧＞０．３時，選用雙體船具有較好的優(yōu)勢；當(dāng)佛勞德數(shù)Ｋ＝（Ｕ５？０．２８時，兩逡逑種船型的性能相似；當(dāng)佛勞德數(shù)尺＜０．２３時，單體船的性能則優(yōu)于雙體船。所以逡逑航行速度越快，雙體船的優(yōu)勢越能突顯出來。與此同時，當(dāng)航速較低時，雙體船逡逑片體之間形成的興波干擾較為嚴重。有研究表明：當(dāng)佛勞德數(shù)［＝０．４？０．７之間時，逡逑側(cè)體間的興波干擾使得雙體船的縱傾角角度較大

逡逑圖２．１救援無人艇的布置示意圖逡逑雙體船一般由兩個平行、對稱布置并且線型相同的片體俎合在一起構(gòu)成的。逡逑片體間的中心距離為２Ｃ０邋（見圖２．２），片體內(nèi)側(cè)設(shè)計水線距離為Ｃ。所以該船體逡逑的兩個片體寬度５小于船體的水面總寬度５0。逡逑邐邐逡逑ｊ逡逑，副跚．一＇Ｍｉｈｒｉ逡逑Ｐ逡逑Ｌ邋２Ｃ０邐＾逡逑—邐Ｂ0邐＾逡逑圖２．２片體對稱布局的雙體船逡逑佛勞德數(shù)是水的慣性力與重力的比值，用來判斷水流的流動狀態(tài)。本課題采逡逑用圓舭方尾的ＮＰＬ船型作為該救援無人艇的母型［５６］，如果考慮快速性，當(dāng)佛勞逡逑德數(shù)巧＞０．３時，選用雙體船具有較好的優(yōu)勢；當(dāng)佛勞德數(shù)Ｋ＝（Ｕ５？０．２８時，兩逡逑種船型的性能相似；當(dāng)佛勞德數(shù)尺＜０．２３時，單體船的性能則優(yōu)于雙體船。所以逡逑航行速度越快，雙體船的優(yōu)勢越能突顯出來。與此同時，當(dāng)航速較低時，雙體船逡逑片體之間形成的興波干擾較為嚴重。有研究表明：當(dāng)佛勞德數(shù)［＝０．４？０．７之間時

【參考文獻】

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本文編號：2735196