自主稳定可控制水下拖曳体的设计及控制性能

针对现有可控制拖曳体控制机构复杂、姿态不容易稳定的缺陷,提出并设计了一种自主稳定可控制拖曳体的样机．该拖曳体主要由可调节攻角迫沉水翼、方向稳定浮体和矩形主体组成,拖曳体的轨迹与姿态控制由主动迫沉水翼以及双尾推进器产生的力和力矩的改变来实现．水动力操纵试验表明：采用前述方法设计的拖曳体具有良好的姿态稳定性和更高的深度操纵效率,对其控制系统的设计要求也大大简化．     

回转状态下导管螺旋桨水动力特性实用数值模拟方法

以数值模拟手段研究作为水下机器人主要姿态与轨迹控制机构的导管螺旋桨在回转状态下的水动力特性。首先根据所要计算的导管螺旋桨的几何要素构造导管和螺旋桨的三维几何模型,在此基础上采用动网格技术以计算流体力学方法借助计算流体力学软件Fluent,采用有限体积法在导管和螺旋桨所在的流域内求解其N-S方程以此对在作回转运动的水下机器人流场作用下导管螺旋桨以一定转速和一定来流方向下所产生的推力特性进行数值模拟分析,观察在水下机器人主体流场干扰下螺旋桨推进器的水动力现象。为验证所采用的预测导管螺旋桨水动力特性数值方法的有效性,在Ka 4-70/19A标准导管螺旋桨已有实验数据的基础上,将数值模拟结果与试验结果进行比较,对比结果表明本文所采用的数值方法是可靠的。     

水下多缆多体拖曳系统运动建模与模拟计算

针对水下多缆(阵列)多体拖曳系统,给出了其动力学数学模型及其对应的数值求解方案,用以预报分析其在各种情况下的运动响应特性.模型由3部分组成:基于集中质量法给出了拖缆的运动控制方程;水下工作拖体因其为系统的关键部件而采用潜艇6自由度运动控制方程进行精确描述;而系统中另一个小型拖曳体因其尺度相对很小则简化为质量点融入拖缆的控制方程中.通过建立拖缆和拖体耦合边界条件将其耦合成一个整体,并采用4阶龙格库塔方法进行积分求解.最后针对4缆2拖曳体系统展开数值计算,研究了系统在不同情况下的运动响应特性,给出了一些规律性结论.     

作业型ROV推进器动力学建模与响应分析

为研究深海作业型遥控水下机器人（remotely operated vehicle,ROV）液压推进器控制系统的动力学响应特性,建立了一种考虑螺旋桨动态负载影响的伺服阀控制液压推进器动力学系统的数学模型,提出一种伺服阀控制液压推进器的马达流量、压力、扭矩、转速、螺旋桨转矩和推力的求解方法.通过数值仿真,分析了不同控制电压下伺服阀、液压马达和螺旋桨的动态响应过程及特点,建立了推力分配方法中推力简化约束模型,并得到了期望推力和推进器控制电压之间函数关系的数学模型.与推进器水池试验结果相比,本文仿真结果准确可信.这种完整和准确的液压推进器动力学系统的数学模型,对实际水下机器人和动力定位船舶的运动控制方法、推力分配策略及推进器控制的研究,具有一定的指导意义和工程价值.      

控制动作下带缆遥控水下机器人的水动力特性

首先利用模糊神经网络算法构建了基于完整的带缆遥控水下机器人水动力数学模型的控制器,对水下机器人多自由度上的轨迹和姿态进行控制;然后,针对传统螺旋桨推进力分析方法中的缺陷,引入神经网络相关理论并结合计算流体方法对推进力和转速之间的相互关系进行辨识和换算;在此基础上构建了一个完整的、包括模糊神经控制器、机器人水动力数学模型以及推进力和转速换算模块的带缆遥控水下机器人控制系统;最后,在考虑系统各部分间相互影响的前提下进行了水动力特性的整体分析和计算.数值计算结果表明,所建立的控制系统可以对带缆遥控水下机器人进行有效的轨迹和姿态控制,文中方法可以从整体的角度分析一定控制动作下水下机器人的水动力响应.     

基于拖曳系统的等温层自适应追踪研究

针对船载多参数拖曳式剖面测量系统,进行了自适应追踪等温层研究.根据拖缆和拖曳体的理论模型,利用海上拖曳试验数据优化3个重要水动力参数,构建了该拖曳系统的半分析(半解析)运动模型.依据感知-决策-执行-反馈的回路控制思路,在实测数据插值的温度场中,模拟拖曳系统运行,利用感知的温度与等温层的温度偏差,自适应给出拖曳体的期望深度;根据拖曳系统的半分析运动模型,利用PI控制算法对该期望深度进行响应,实现追踪等温层.以26.5℃等温层为例,给出了追踪数值算例.     

二体水下拖曳系统的试验研究

介绍了一种将传感器测量法应用于船模试验水池中进行水下拖曳系统模型试验的方法,并借助这一方法探讨了二体水下拖曳系统的水动力性能。试验结果表明：将传感器测量法应用于船模试验水池中进行水下拖曳系统的试验可以取得令人满意的效果,它为水下拖曳系统模型试验提供了一种理想的手段;二体水下拖曳是一种使水下拖体在波浪环境下作业时保持稳定的简便、经济的水下拖曳方式,它能有效地减少拖曳点对水下拖体的波频扰动,保证水下拖体在恶劣的海洋环境下拖曳时的姿态稳定,是一种值得发展的水下拖曳系统。     

考虑螺旋桨负载的液压推进器动力学响应分析

为了研究作业型遥控水下机器人(ROV)的运动控制和液压推进器系统的动力学响应特性,提出了一种考虑螺旋桨动态负载特性的液压马达的流量、压力、扭矩、转速和螺旋桨的转矩、推力的迭代求解方法,建立了一种伺服阀控制液压推进器动力学系统的仿真模型.通过数值仿真,分析了不同水流进速时液压马达及螺旋桨的动态响应过程及特点,比较了不同控制电压下螺旋桨的推力输出响应,得到了液压推进器的控制电压和实际推力之间的关系曲线.这种推进器的建模和仿真方法对水下机器人和过驱动船舶的运动控制和推力分配策略的研究具有较高的指导意义和工程价值.     

基于自适应反步法的自主水下机器人变深控制

为实现自主水下机器人(AUV)的高精度变深控制,基于AUV垂直面的运动学和非线性动力学模型,提出了神经网络自适应迭代反步控制方法,设计了运动学和动力学控制器.文中首先考虑AUV非线性模型的攻角和水动力阻尼系数的不确定性,设计神经网络控制器来对纵倾运动中的非线性水动力阻尼项和外界海流干扰作用进行在线估计,并基于Lyapunov稳定性理论设计神经网络权值的自适应律,保证系统闭环信号的一致最终有界.最后通过两组仿真实验,比较了所设计的控制器在设定控制器增益参数下的系统响应和在扰动作用下的变深控制性能,结果表明,所设计的控制器具有较小的稳态误差和较高的跟踪精度.     

海流作用下全驱动自主式水下航行器环境最优动力定位控制

针对海流作用下的全驱动自主式水下航行器(AUV)的动力定位控制,提出了一种新的环境最优动力定位控制策略.通过位置、姿态控制,使得水下航行器的头部“顶住”海流,并和目标点保持一定距离,此时海流的扰动力由轴向主推进器承担,减少了辅助推进器的工作量,同时降低能源消耗.考虑到海流作为系统模型中的非匹配不确定性,基于神经网络自适应反演法设计了动力定位控制器.通过计算机仿真,验证了控制算法的有效性以及鲁棒性.     

考虑自由表面的组合拖曳体阻力计算与设计优化

拖曳体作为一种水下设备,主要用于水下探测、海底地形勘探.其可以按照具体的需求进行设计,故拥有较强的实用性.组合拖曳体具有多个单体,结构复杂,相互干扰之下使得兴波阻力难以计算.因此以一种拥有水上部分的大型组合拖曳体的设计为背景,借助模型拖曳阻力试验,基于CFD理论,使用Star CCM商业软件,配合笛卡尔网格的离散形式,对水面拖曳体的阻力进行计算.通过与试验阻力值的对比,验证了数值算法的准确性.同时,基于计算结果及设计约束条件,对拖曳体结构外形进行优化,并使用数值方法进行了计算,计算结果表明优化后的拖曳体总阻力值有25%的下降.     

水下拖曳系统缆–船耦合运动模拟

为进一步提高水下拖曳系统在不同情况下的预报精度,将水面拖船和水下拖缆视为一个相互影响的整体进行考虑,计入缆–船耦合影响及拖船自身机动影响,采用数值仿真方法探讨整个系统在桨、舵操纵等机动情况下的运动响应特征.采用经典的MMG模型和集中质量法分别描述水面母船的操纵运动和水下拖缆的动态运动,在此基础上建立船–缆耦合运动及动力边界条件将其耦合起来以形成整个系统的运动数学模型,并采用四阶龙格库塔方法积分求解.通过对比仿真计算分析了包括水面拖船在内的整个系统在各种情况下的运动响应.结果显示：当计入船缆耦合影响后,系统的速度和回转性能有所降低;水下拖缆在系统机动过程中因计入水面拖船而自身运动的影响也会表现出更为符合实际的运动特性.     

牵引火炮稳态转向特性研究

对牵引火炮列车转向行驶中的稳态转向特性进行了分析和研究,建立了牵引火炮列车稳态转向的力学模型,到了表征列车转向稳定性的数学表达式,提出了对列车稳态转向特性的评价方法,认为列车的稳态转向特性是由主车稳定性因数K1决定的,只有当K1＞0时,列车才能实现稳态转向。火炮质量m2及火炮与牵引车之间的牵引距离L对K1有一定影响,在牵引火炮设计时要协调m2与L,以保证K1＞0。     

一种新型潜水装置的水动力特性分析

针对一种用于海底管线检测与维修的新型潜水装置建立了操纵运动数学模型。在阻力及操纵性试验所得数据基础上,估算了其水动力系数。运用线性系统理论对其特征值和特征向量进行了分析,将垂直面运动和水平面运动分解为不同的运动模态,并讨论了各种模态特点及其成因。     

船舶拖缆作业时的循线航行和定点定位控制

针对拖缆作业船舶在进行循线航行和定点定位时受到的海洋环境力和拖缆拉力,建立了船舶、拖缆和拖体三者之间耦合的运动数学模型.因其控制系统具有较强的非线性,单独使用模糊控制效果不够理想,所以设计了Fuzzy-PID(Proportion Integration Differentiation)合成控制器.该控制器包含3个模块:大误差切换至Fuzzy控制模块;小误差切换至Fuzzy-I控制模块;微误差切换至Fuzzy-PID控制模块.仿真给出了船舶在扰动情况下循线拖曳时的拖体轨迹,并通过定点定位控制验证了该控制器具有更强的抗干扰性和鲁棒性,能够实现较高精度的定位控制.     

小水线面船约束模水动力试验

从受力分析出发，做了5种小水线面双体船约束模型水动力试验，并与拖曳船模试验结果作比较，两者之间有较好的一致性。根据试验结果，分析了在约束情况下的小水线面双体船的水动力特性，认为约束船模试验是以船舶水动力特点去研究中低速下小水线面双体船的航行姿态和稳定性能的一种有效手段。并可为小水线面双体船的3维流体力学理论计算、性能预报模型提供验证、修正基础依据。     

恶劣海况下的船舶电力推进系统控制策略仿真

针对恶劣海况下电力推进系统常规控制策略适应性不足的问题,提出抗过旋控制策略.首先,分析恶劣海况下螺旋桨出入水现象对螺旋桨产生的推力和转矩的影响,提出恶劣海况下带动态限速模块的抗过旋控制策略(抗过旋控制策略#1)和带吸气(ventilation)识别模块的抗过旋控制策略(抗过旋控制策略#2),并在后者中设计三种吸气效应识别器来侦测吸气效应;然后,在Matlab/Simulink环境中搭建船舶电力推进控制系统仿真模型;最后,设计恶劣海况下的仿真实验,比较常规控制策略与抗过旋控制策略之间的性能优劣.仿真实验结果表明,在恶劣海况下,带吸气识别模块的抗过旋控制策略拥有优良的控制性能.