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原文传递渔船拖网系统非定常运动仿真及自动控制研究

论文题名：	渔船拖网系统非定常运动仿真及自动控制研究
关键词：	渔船拖网系统;非定常运动;自动控制;网板姿态;轨迹跟踪
摘要：	发展远洋渔业是我国海洋捕捞产业的工作重点，也是建设海洋强国的举措之一。拖网捕捞系统因其具有作业区域广、捕捞种类多、捕捞量大、操作简便等特点，已成为了远洋捕捞中的一种重要的作业方式。我国目前拥有的拖网捕捞系统还较为落后，与世界先进渔业国家还有较大差距。分析研究拖网系统的运动特性，设计拖网系统的运动控制系统，对于提升我国拖网捕捞的自动化程度、提高捕捞效率都有着十分重要的意义，对其它水下拖曳系统的控制系统设计也有一定的参考价值。　　拖网系统属于一种较为复杂的水下拖曳系统，论文首先针对广义的水下拖曳系统，基于达朗贝尔原理和拖缆微元段的连续性，构建了拖缆微元的动力学和运动学平衡方程组。针对时变长度缆索物理模型在空间和时间上均为非定常的问题，通过增加虚拟点的方法对缆索长度的改变进行模拟。借鉴传统的水下机器人六自由度运动数学建模思路，提出了一种水下回转体外形拖体的动力学建模方法。通过拖缆与拖体的运动学边界条件耦合，进一步建立了变长度水下拖拽系统的运动数学模型。　　针对所建立的拖缆动力学方程组，分别采用有限差分法和广义?算法进行离散化处理，基于常系数一维系统分析了两种算法的精度和稳定性。考虑到变长度拖缆方程组中未知量会不断变化，融合有限差分法和广义?算法的各自优势，提出了一种倒序节点混合数值离散方法，并采用拟牛顿法对离散后的拖缆差分方程组进行求解。对于拖体的运动学方程组，将其转化为同拖缆方程类似的微分方程组形式，进而采用有限差分法进行时间上的数值离散，保证了拖曳系统求解的一致性。基于Matlab软件平台求解变长度拖曳系统方程，分别进行了拖曳列阵系统和物探拖曳系统运动仿真，并与现有文献数据做了对比分析。　　对于整个中层拖网系统的运动建模，将拖网系统看作网具系统、渔船、曳纲与网板三个子系统的集成。首先针对拖网网具在运动中形状的快速计算问题，提出了一种基于网具关键参数的几何建模法。采用分离模型理论建立了变距桨拖网渔船运动数学模型，利用变长度拖曳系统运动模型描述曳纲和网板的运动状态。通过对三个子系统的运动学边界条件和动力学边界条件进行耦合，建立了完整的中层拖网系统运动数学模型。最后通过将仿真计算结果和文献中拖网系统海上试验结果对比，验证了模型的有效性。　　针对拖网系统中扩张网口最为关键的设备网板，首先基于水下拖体动力学模型进行简化，建立了网板空间运动方程。基于相似理论和涡格法提出了广义中层立式网板的稳态及瞬态流体动力计算方法。对于网板的运动姿态控制问题，设计了一种双闭环控制系统，外回路基于S面控制方法控制网板的姿态角，内回路根据网板自身的动力学特性对控制器进行动态补偿。最后对设计的网板姿态控制系统进行了仿真实验。　　针对整个拖网系统在三维空间内的轨迹跟踪问题，首先基于牛顿-欧拉法提出了一种可体现网板水平扩张作用的拖网系统空间四质点简化模型。结合各个子系统的动力学方程，建立了拖网系统状态空间控制方程。之后，基于反步法递推设计了拖网系统三维轨迹跟踪控制器，针对系统非严格反馈的特征，提出控制分配法和局部引入非线性控制器并行的方法以消除递推过程中出现的高阶变量。基于李雅普诺夫稳定性原理证明了设计的拖网轨迹跟踪控制系统具有全局一致渐进稳定性。在Matlab/Simulink平台中建立了整个拖网控制系统的数字样机，通过仿真对比验证了控制算法的优越性。
作者：	闫钊
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	茅云生
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文