水下探测声呐用主动升沉补偿系统的建模、分析与控制

作     者：覃学良 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴金波;曹和云

授予年度：2020年

学科分类：082403[工学-水声工程] 08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：升沉补偿 经验模态法 AR模型 误差分析 舰船运动预报 

摘      要：水下探测声呐依靠发射并接收具有一定特征的超声信号实现对水下目标的探测,是目前水下探测的主流技术手段之一。水下探测声呐需由运载船布放至水下进行目标探测,而其运载船在风浪流等因素的作用下会产生较大的升沉运动,使水下探测声呐在升沉方向上发生位移。这将导致超声回波信号入射角发生变化,使探测声呐探测结果与实际数据产生较大偏差,严重降低声呐的使用性能。因此,为声呐运载船配备有效的升沉补偿系统,保证水下探测声呐的定深精度,将有效提高声呐设备的作业使用效能,在实际应用中具有重要意义。本文从一个水下探测声呐布放的工程项目出发,设计了基于伺服电机驱动技术的主动升沉补偿系统,对系统进行建模并设计了控制策略,且通过实验验证了模型的正确性。接着,建立了一个升沉补偿系统的误差模型,根据该模型分析了各误差源对补偿精度的影响,理论上验证系统的补偿精度满足设计需求。最后实验验证了该主动升沉补偿系统的有效性以及误差分析结果的可靠性。具体的研究内容如下。(1)介绍了升沉补偿系统的主要组成和工作原理,设计了基于伺服电机驱动技术的主动升沉补偿系统方案并建立了各系统元件的数学模型。根据该方案,本文采用双闭环复合控制的思想设计轨迹跟踪环控制器和速度环控制器,利用结构不变性原理提出了前馈补偿控制器,实现了主动升沉补偿效果。同时,为克服系统的大惯量及时滞问题,考虑到实际舰船运动中存在的非线性非平稳性特征,采用了基于经验模态分解的自回归预报模型对舰船运动进行在线预报。最终获得了完整的系统数学模型,将模型的正弦响应与搭建的升沉补偿系统实验平台采集的实验数据对比,验证了模型的有效性以及所提控制策略的跟踪性能。(2)为验证系统的补偿精度是否满足设计需求,利用动力学方程以及系统数学模型,分析了测量元件、水动力与摩擦力等产生补偿误差的因素所造成的影响,得到各误差源数学模型。接下来,利用叠加原理建立了一个升沉补偿系统的总误差模型。根据该模型,可计算不同升沉幅值下该主动升沉补偿系统的总误差,计算结果表明了升沉补偿系统的补偿精度理论上可以满足设计需求。(3)对搭建的升沉补偿系统实验平台开发了人机交互界面和下位机控制软件并对本文的理论内容进行总体实验验证。实验结果验证了所提控制策略的可行性。同时,所设计升沉补偿装置的补偿精度满足了期望的设计指标,与误差模型计算结果相符,验证了误差分析建立的误差模型的正确性。