罗才宝---优秀毕业设计论文(水下推进器控制系统设计)

摘要

水下推进器控制系统设计

摘要

在压力巨大、竞争激烈、国际环境复杂的21世纪，特别是面对人口、资源、环境三大方面的难题，海洋已成为人类生存和发展的重要领域，人类迫切需要向海洋进军，因此，水下推进器及控制系统的研究就十分必要，它具有重要的价值和意义。水下推进器控制系统是复杂、非线性、耦合的控制系统，设计主要研究的对象是水下推进器直流电机调速系统的控制。

设计的第一步简述了立题背景、意义和来源及水下推进器控制系统在国内外的研究概况和发展趋势。然后介绍了水下推进器的基本功能、螺旋桨推进器及基本结构，并在其中给出了螺旋桨推进器机构的简单模型。接下来就水下推进器控制系统的性能和需求进行了分析并对螺旋桨控制系统的基本机构及总体控制方案进行了设计。再接下来是设计的核心部分，先分别介绍了PID控制、模糊控制和自适应控制，进而针对水下推进器控制系统提出了模糊PID参数自适应整定控制，并进行了基于MATLAB/Simulink的建模与仿真。对仿真结果进行分析比较可以得出模糊PID参数自适应整定控制的控制效果明显优于常规PID控制和模糊控制，是具有良好的鲁棒性和实时性的智能控制系统。最后，对整体设计进行了简单的总结和展望。

关键词：水下推进器控制系统，螺旋桨推进器，模糊PID自适应控制，建模与仿真

青海大学I

青海大学本科毕业设计：水下推进器控制系统设计

青海大学 II THE CONTROL SYSTEMDESIGN OF UNDERWATER THRUSTER Abstract

In the huge pressure, the fierce competition and complex international environment of the 21st century,especially,in the faces of population,resources and environment three aspects of the problem,ocean has become an important domain of human survival and development,human urgent need to the sea.Therefore,underwater propulsion and control system of the research is very necessary, it is of important value and significance.Under-water propulsion control system is complex, nonlinear, coupling control system, the main research object of design is underwater propulsion control of dc motor speed regulating system.

The design of the first step,the article discussed the background,significance and source of the subject,and underwater propulsion control system in domestic and international research situation and development trend.Then introduces the basic function of underwater propeller, the propeller propulsion and the basic structure,and the simple model of propeller mechanism is presented.Then underwater propulsion performance and requirements of the control system are analyzed,and the propeller control system of the overall control scheme and the basic structure are designed.The next is the core part of the design,firstly,respectively introduces the PID control,the Fuzzy control and Adaptive control,again for underwater thruster control system of Fuzzy PID Parameters Adaptive adjusting control is put forward,and the modeling and simulation based on MA TLAB/Sim-ulink are done. analyzing by the simulation results can conclud that the Fuzzy PID Parameters Adaptive adjusting control of the control effect is superior to conventional PID control and Fuzzy control,and it is a good robustness and real-time intelligent control 19f1fb9c360cba1aa811dacfst,the simple summary and prospect of this design are done.

Keywords:underwater propulsion control system ，the propeller ，Fuzzy PID Adaptive adjusting control ，modeling and simulation

目录

目录

第1章绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2 水下推进器控制系统的国内外研究概况及发展趋势 (1)

1.3 本设计研究的主要内容 (2)

第2章水下推进器机构设计 (4)

2.1 水下推进器基本功能 (4)

2.2 螺旋桨推进器简介 (4)

2.3 水下螺旋桨推进器的基本机构 (4)

2.3.1 螺旋桨推进器机构模型 (4)

2.3.2 推进器推力分析 (5)

2.4 小结 (6)

第3章水下推进器控制系统设计 (7)

3.1 水下推进器控制系统性能及需求分析 (7)

3.2 水下推进器控制系统基本控制机构设计 (7)

3.2.1 水下螺旋桨推进器运动转盘的控制 (7)

3.2.2 永磁直流伺服电机驱动的节能型液压动力系统 (8)

3.2.3 螺旋桨推进器主轴驱动和控制机构设计 (10)

3.3 水下推进器控制系统总体方案设计 (12)

3.3.1 水下推进器控制系统的框架设计 (12)

3.3.2 水下推进器控制系统的控制方式设计 (13)

3.4 小结 (14)

第4章水下推进器控制系统的模糊PID自适应控制 (15)

4.1 PID控制 (15)

4.1.1 PID控制原理 (15)

4.1.2 数字PID控制的基本原理 (16)

4.1.3 PID控制规律选择和参数整定的简要分析 (18)

4.2 模糊控制 (19)

4.2.1 模糊控制原理 (19)

4.2.2 模糊控制器 (19)

4.3 自适应控制 (20)

4.4 模糊PID自适应控制 (25)

4.4.1 模糊PID参数自适应整定控制器的结构及原理 (25)

4.4.2 模糊PID参数自适应整定控制器算法的实现 (26)

4.5 小结 (32)

第5章基于Simulink的模糊PID自适应控制的建模与仿真 (32)

5.1 直流推进电机调速系统开环传递函数的求取 (33)

5.2 模糊PID自适应控制系统的建模与仿真 (34)

5.2.1 常规PID控制系统Simulink模型的建立与仿真 (34)

5.2.2 模糊控制系统Simulink模型的建立与仿真 (35)

5.2.3 模糊PID自适应控制系统Simulink模型的建立与仿真 (35)

青海大学III

青海大学本科毕业设计：水下推进器控制系统设计

青海大学 I V 5.2.4 三种控制器的速度跟踪阶跃响应结果比较及分析 (37)

5.3 小结 (37)

第6章 总结与展望 (39)

6.1 设计总结 (39)

6.2 设计创新点 (39)

6.3 展望 (39)

致谢............................................................................................................................................... ..41

参考文献....................................................................................................................................... ..42

第1章绪论

第1章绪论

1.1 引言

在压力巨大、竞争激烈、国际环境复杂的21世纪，特别是面对人口、资源、环境三大方面的难题，海洋已成为人类生存和发展的重要领域，人类迫切需要向海洋进军。目前，世界诸多国家面临的不仅是保卫自己的领海，更重要的是怎样开发和利用海洋资源。可由于人体自身不能长时间在水下生活或作业的限制，就不得不依靠相关航行器来拓展人类在海洋中的活动能力进而开发、索取海洋中可利用的资源。水下推进器是航行器稳定、安全、可靠运行的关键设备，良好的水下推进器控制系统是航行器的机动性、航程、航速等相关性能的有力保证。

当今，自动化智能控制系统己经在各行各业中得到了广泛的应用和发展，在现代过程控制中，直流调速控制系统因为能够在广泛的范围内实现平滑调速，并且具有良好的起、制动性能而起着重要控制作用，特别是在需要高性能且可控的电力拖动领域中得到了广泛的应用。设计中研究的水下推进器控制系统主要是针对直流调速系统的控制问题。

水下推进器控制系统是复杂、非线性、时变、耦合的控制系统，对于常规PID控制是不能满足要求的，设计在PID控制的基础上结合模糊控制和自适应控制，经过深入分析和详细研究，最终设计出将PID控制、模糊控制和自适应控制相结合的经济、安全、可靠、高效的模糊PID参数自适应整定控制系统。

1.2 水下推进器控制系统的国内外研究概况及发展趋势

我国在1814年，将新发明的水下推进器----螺旋桨，成功地安装在第一艘蒸汽机驱动的军舰上，他带来了航速和航程质的飞跃。由于螺旋桨具有结构简单，推进效率较高，可靠性高等优点，在此后的两百多年里，螺旋桨作为水下推进器最主要的形式应用在很多航行器中。随着人类科技的进步，水下推进器正朝着远程化、智能化方向发展,水下运行时间将达到上百小时，这对它的控制系统提出了很高的技术要求。

从目前国际上来看，除个别水下推进器采用喷水推进外，大多浮游式水下推进器采用螺旋桨推进，并且一般还在螺旋桨外还加有导管，以保证在高滑脱情况下提高推力。推进器的驱动方式一般有电机驱动和液压驱动，小型水下推进器大多采用电动推进器，大功率、作业型水下推进器通常采用液压驱动。水下推进器控制系统的发展趋势为：水下更深——向深海发展；更远——向远程发展；功能更强大——向作业型及智能化方向发展。

如下图1-1和1-2为水下推进器应用于军事方面的资料图。

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青海大学本科毕业设计：水下推进器控制系统设计

青海大学

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图1-1 潜艇应用于海上战斗

图1-2 亮相北京的海豹突击队水下推进器

1.3 设计研究的主要内容 课题，水下推进器控制系统设计主要研究的对象为直流电机调速控制系统，设计首先分析了选题背景、意义和来源，对水下推进器控制系统的国内外研究概况和发展趋势作了简述，然后分别是：水下推进器机构设计、 水下推进器控制系统设计、水下推进器控制系统的模糊PID 自适应控制、基于Simulink 的模糊P ID 自适应控制的建模与仿真、总结与展望。全文整体分6个章节，内容循序渐进，具体安排如下：

第1章：绪论。首先通过前言介绍了设计的选题背景、意义和来源，接着简述了水下推进器控制系统的国内外研究概况和发展趋势。

第2章：水下推进器机构设计。本章节首先介绍了水下推进器的基本功能，螺旋桨推进器，然后，从螺旋桨推进器机构模型和推进器推力分析两方面给出了水下推进器的基本机构。

第1章绪论

第3章：水下推进器控制系统设计。该章节是水下推进器控制系统的整体设计，其中，第1小节分析了水下推进器控制系统的性能及需求，然后从水下螺旋桨推进器运动转盘控制、永磁直流伺服电机驱动的节能型液压动力系统、螺旋桨推进器主轴驱动和控制机构设计三方面给出了水下推进器控制系统基本机构设计。最后，从水下推进器控制系统的框架和控制方式设计两方面给出了水下推进器控制系统的总体方案。

第4章：水下推进器控制系统的模糊PID自适应控制。本章是设计的核心章节。前三小节分别介绍了PID控制、模糊控制和自适应控制，第四节是将前三节介绍的三种控制方式结合到一起，进而给出了设计的核心部分水下推进器控制系统的模糊PID参数自适应整定控制。

第5章：基于Simulink的模糊P ID自适应控制的建模与仿真。本章首先进行的工作是直流推进电机调速系统开环传递函数的求取，然后，分别就常规PID控制、模糊控制、模糊PID自适应整定控制进行了基于MA TLAB/Simulink的建模与仿真，最终对仿真结果进行了分析和总结。

第6章：总结与展望。对整个设计过程进行了总略性的回顾，比较、分析了常规PID控制、模糊控制和模糊PID参数自适应整定控制的可行性及优缺点，最终，对控制系统中有待于进一步完善和优化的方面提出了一些解决的思路和想法，并对进一步的研究工作做出了简单的展望。

青海大学 3

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青海大学 4 第2章 水下推进器机构设计

2.1 水下推进器基本功能

推进器是水下航行器的关键设备之一，它遵循能量守恒定律，在相关能量转换原理的基础上将水下航行器所携带的能源转换成推动航行器进行相关运动所必需的机械能。当水下航行器在水下运动时，都会受到水的阻力。水下航行器要正常运行必须具有一定的快速性，即能够以一定的航速进行定位运动，为此，必须提供一个与其运动方向一致的推力。然而，让航行器前进的这个推力是由航行器的推进动力装置（推进器）提供的，水下航行器的推进器吸收主机功率产生推力，推动其前进运动的同时，航行器还必须有良好的操纵性。操纵性主要包括两方面的含义：稳定性和机动性。当然，二者与航行器的本身的体型、附件、推进器和操纵台的设计息息相关，同时还与操纵装置和控制系统的设计有关。

2.2 螺旋桨推进器简介

目前航行器常用的水下推进方式有：电机推进、液压推进、喷水推进、磁流体推进和近些年来兴起的仿生推进。现在中小型航行器的水下推进大部分使用电动机直接驱动螺旋桨，也称为电机推进器，他们可以使用直流电机，无刷直流电机或者交流电机；大中型航行器的水下推进普遍采用液压马达提供驱动力。电机推进和液压推进均是采用螺旋桨作为推进器的，到现在为止水下推进器中螺旋桨推进器占主导地位。

为了更好的利用螺旋桨推进器，很有必有了解其自身的一些特点。螺旋桨推进器参数的确定比较简单，因为它只需满足螺旋桨的吸收功率、扭矩和主机功率、扭矩相平衡即可。但航行器推进往往需要如前进、横移、转艏等多种运动，这就要求我们安装多个推进器，导致能耗增大。再就是螺旋桨推进器有较大的空泡损失，噪声也大，还有气窝的存在，装在航行器尾部的水下螺旋桨推进器往往会受到尾流和内河吃水深度的影响，从而限制了推进器推进的高效性。此外，常规螺旋桨推进器还会产生很大的尾部振动，影响了推进效率。当前国内外正针对如何减少螺旋桨推进器的振动量和噪声，以及提高螺旋桨推进速度方面展开集中而深入的研究[1]。

2.3 水下螺旋桨推进器的基本机构

水下运行的航行器系统是一个非线性、时变、耦合的动力学系统。需要考虑的影响因素较多，如重力、浮力、推力和水动力这些主要影响航行器推进器运行因素参数的确定比较困难，再加之需要确定的参数较多，而目前的技术和测试条件又有限，有些参数根本无法准确测定或者无法测定。

2.3.1 螺旋桨推进器机构模型

第1章 绪论

青海大学昆仑学院 5 设计研究的是全方位水下推进器[2]，对于螺旋桨推进器的设计理论本身是非常复杂的，在此不作详述，这里只给出机构的简图如图2-1所示。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5dbl.html