水下運(yùn)載器操縱控制及模擬仿真技術(shù)

前言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，水下運(yùn)載器作為人類走向深海的重要工具，其發(fā)展和應(yīng)用為海洋探索、海洋資源的開發(fā)利用和維護(hù)海洋權(quán)益提供了有效保障，在人類發(fā)展進(jìn)程中將扮演越來越重要的角色。操縱性是船舶的基本航行控制性能，由于水下運(yùn)載器主要機(jī)動方式是垂直面的深度機(jī)動和水平面內(nèi)的航向機(jī)動以及它們的聯(lián)合機(jī)動，其操舵控制系統(tǒng)在一般水面船舶對航向的控制基礎(chǔ)上，還需對深度進(jìn)行控制，因此，其操縱性能、操舵系統(tǒng)更加復(fù)雜，而且還需考慮近海底和近水面對操縱控制的影響。此外，水下運(yùn)載器的均衡也是其操縱控制的重要方面。 從設(shè)計原理上分析，水下運(yùn)載器操縱控制系統(tǒng)的發(fā)展可分為四個階段：第一階段，用經(jīng)典控制理論設(shè)計相互獨(dú)立的深度自動操舵儀和航向自動操舵儀；第二階段，利用現(xiàn)代控制理論設(shè)計水下運(yùn)載器自動操舵儀；第三階段，利用自適應(yīng)、魯棒控制、變結(jié)構(gòu)控制及智能控制進(jìn)行水下運(yùn)載器自動操舵儀的設(shè)計；第四階段，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（ANS）解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，并實(shí)現(xiàn)智能控制。本書通過水下運(yùn)載器空間運(yùn)動模型研究、海底三維地形模型研究、水下運(yùn)載器地形跟蹤控制規(guī)律研究、操縱運(yùn)動性能模擬計算和虛擬視景仿真系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)地介紹了操縱控制及模擬仿真技術(shù)?？勺鳛橄嚓P(guān)專業(yè)科研工作者、工程技術(shù)人員的參考用書，以及大專院校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)用書。本書整體編排如下：第一章，緒論。簡要介紹水下運(yùn)載器操縱性研究歷史和發(fā)展現(xiàn)狀。第二章，水下運(yùn)載器空間運(yùn)動方程。介紹了水下運(yùn)載器空間運(yùn)動方程的一般形式，并從船舶操縱性學(xué)科的角度，對運(yùn)載器所受外力進(jìn)行全面的分類研究，建立了完整的水下運(yùn)載器六自由度空間運(yùn)動方程。第三章，水下運(yùn)載器操縱控制方法。

內(nèi)容概要

　　《水下運(yùn)載器操縱控制及模擬仿真技術(shù)》通過水下運(yùn)載器空間運(yùn)動模型研究、海底三維地形模型研究、水下運(yùn)載器地形跟蹤控制規(guī)律研究、操縱運(yùn)動性能模擬計算和虛擬視景仿真系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)地介紹了操縱控制及模擬仿真技術(shù)。全書共分六章，分別為緒論；水下運(yùn)載器空間運(yùn)動方程；水下運(yùn)載器操縱控制方法；水下運(yùn)載器空間運(yùn)動的物理仿真技術(shù)；水下運(yùn)載器空間運(yùn)動的計算機(jī)模擬仿真；水下運(yùn)載器空間運(yùn)動模擬仿真實(shí)例。　　《水下運(yùn)載器操縱控制及模擬仿真技術(shù)》可作為相關(guān)專業(yè)科研工作者、工程技術(shù)人員的參考用書，以及大專院校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)用書。

書籍目錄

第一章 緒論1.1 水下運(yùn)載器操縱性研究的歷史1.2 水下運(yùn)載器近水面和近海底航行的研究現(xiàn)狀與趨勢1.3 水下運(yùn)載器操縱控制方法的歷史與現(xiàn)狀1.4 系統(tǒng)仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀與趨勢參考文獻(xiàn)第二章 水下運(yùn)載器空間運(yùn)動方程2.1 坐標(biāo)系和空間運(yùn)動主要參數(shù)2.1.1 坐標(biāo)系2.1.2 空間運(yùn)動主要參數(shù)2.2 定系與動系間的坐標(biāo)交換2.2.1 坐標(biāo)軸變換2.2.2 兩個坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換關(guān)系式2.3 動力學(xué)方程的坐標(biāo)交換2.3.1 動量定理2.3.2 動量矩定理2.4 作用于水下運(yùn)載器的水動力的一般表達(dá)式2.4.1 緩慢運(yùn)動假設(shè)2.4.2 水動力分類2.4.3 水動力的一般表達(dá)式2.4.4 水動力系數(shù)2.5 空間運(yùn)動受力分析2.5.1 靜力2.5.2 慣性水動力2.5.3 黏性水動力2.5.4 黏性水動力中包含慣性水動力的情況3.1.2 深度控制的原理3.1.3 縱傾控制的原理3.2 水下運(yùn)載器運(yùn)動控制的數(shù)學(xué)模型3.2.1 水下運(yùn)載器水平面運(yùn)動控制的數(shù)學(xué)模型及其表示方法3.2.2 水下運(yùn)載器垂直面運(yùn)動控制的數(shù)學(xué)模型及其表示方式3.3 水下運(yùn)載器運(yùn)動控制器的設(shè)計3.3.1 水下運(yùn)載器運(yùn)動控制的性能指標(biāo)確定3.3.2 水下運(yùn)載器運(yùn)動控制器的時域分析法3.3.3 水下運(yùn)載器運(yùn)動控制器的頻域分析法3.3.4 水下運(yùn)載器運(yùn)動控制實(shí)例3.4 水下運(yùn)載器運(yùn)動控制技術(shù)的發(fā)展3.4.1 滑?？刂圃谒逻\(yùn)載器運(yùn)動控制中的應(yīng)用3.4.2 H控制器在運(yùn)動控制中的應(yīng)用3.5 智能控制技術(shù)在水下運(yùn)載器運(yùn)動控制中的應(yīng)用前景3.5.1 模糊控制技術(shù)的應(yīng)用3.5.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的應(yīng)用參考文獻(xiàn)第四章 水下運(yùn)載器空間運(yùn)動的物理仿真技術(shù)4.1 水下運(yùn)載器空間運(yùn)動物理仿真的日的和內(nèi)容4.1.1 物理仿真的目的4.1.2 物理仿真的內(nèi)容4.2 實(shí)物仿真試驗(yàn)4.2.1 水下運(yùn)載器實(shí)物試驗(yàn)的目的4.2.2 試驗(yàn)條件和要求4.2.3 各類試驗(yàn)方法和內(nèi)容4.3 模型試驗(yàn)4.3.1 引言4.3.2 相似理論4.3.3 模型設(shè)計4.3.4 自由自航模試驗(yàn)4.3.5 模型試驗(yàn)的尺度效應(yīng)4.3.6 約束模試驗(yàn)4.4 模擬器仿真試驗(yàn)4.4.I模擬器的發(fā)展4.4.2 模擬器的基本構(gòu)成4.4.3 模擬器的功能和用途4.4.4 技術(shù)要點(diǎn)參考文獻(xiàn)第五章 水下運(yùn)載器空間運(yùn)動的計算機(jī)模擬仿真5.1 計算機(jī)仿真基本概念5.1.1 什么是計算機(jī)仿真5.1.2 計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展概況5.1.3 計算機(jī)仿真模型與方法5.1.4 計算機(jī)仿真的步驟5.2 基于MATLAB的數(shù)字仿真5.2.1 MATLAB概述5.2.2 MATLAB中的模型與仿真方法5.3 基于SIMULINK的圖形化數(shù)字仿真技術(shù)5.3.1 SIMULINK交互環(huán)境的概述5.3.2 SIMULINK基本操作5.3.3 水下運(yùn)載器運(yùn)動仿真器的SIMULINK表示5.3.4 水下運(yùn)載器運(yùn)動控制器的SIMULINK表示5.4 虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)在水下運(yùn)載器運(yùn)動仿真中的應(yīng)用5.4.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述與發(fā)展5.4.2 MultiGenCreater／Vega虛擬軟件平臺介紹5.4.3 基于MultiGenCreator的三維建模技術(shù)5.4.4 MuhiGenVega視景驅(qū)動技術(shù)參考文獻(xiàn)第六章 水下運(yùn)載器空間運(yùn)動模擬仿真實(shí)例6.1 水下運(yùn)載器水平面運(yùn)動MATLAB仿真實(shí)例6.1.1 水下運(yùn)載器SIMULINK運(yùn)動仿真模型建立6.1.2 水下運(yùn)載器運(yùn)動性能分析的MATLAB實(shí)現(xiàn)6.1.3 水下運(yùn)載器頻域分析的MATLAB實(shí)現(xiàn)6.1.4 控制器模型設(shè)計與優(yōu)化6.2 水下運(yùn)載器垂直面運(yùn)動的SIMULINK仿真實(shí)例6.2.1 SIMULINK仿真模型的建立6.2.2 設(shè)置sIMuuNK仿真參數(shù)6.2.3 滑?？刂破髟O(shè)計6.2.4 sIMuuNK仿真結(jié)果的觀察與記錄6.3 水下運(yùn)載器虛擬視景仿真系統(tǒng)6.3.1 虛擬視景仿真系統(tǒng)總體設(shè)計6.3.2 仿真系統(tǒng)人機(jī)交互界面介紹6.3.3 仿真系統(tǒng)使用方法6.3.4 仿真系統(tǒng)實(shí)景展示參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：隨著地球上人口的急劇膨脹，陸上資源供應(yīng)已趨極限，各國都把經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到海洋，因此，21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)。海洋的總面積為3.6×103km2，占地球總面積的70.8％。在這一廣闊的水域空間，蘊(yùn)藏著豐富的礦物資源、海洋生物資源和其他能源，是人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要財富。我國是一個瀕臨太平洋的國家，擁有1.8萬多千米的海岸線，約3×107km2的海洋國土，是一個名副其實(shí)的海洋大國。我國的可持續(xù)發(fā)展將越來越依靠海洋資源和海洋空間的開發(fā)和利用，探索海洋、開發(fā)海洋和維護(hù)我國海洋權(quán)益將成為我國社會發(fā)展的重要活動之一。水下運(yùn)載器，主要包括潛艇和各種各樣的水下機(jī)器人，將成為我們在海洋活動中的重要工具和得力助手。在各種海洋技術(shù)中，水下機(jī)器人能在一般潛水技術(shù)不可能達(dá)到的深度進(jìn)行綜合考察和研究并能完成多種作業(yè)，使海洋開發(fā)進(jìn)人了新時代。無論是海洋石油的勘探開采、海底管道的鋪設(shè)維修、海洋考察以及軍事上的需求，都需要水下機(jī)器人的參與。而且隨著機(jī)器人功能的增強(qiáng)，人工智能的進(jìn)步，它所應(yīng)用的范圍也越來越廣，逐漸地形成了一個綜合應(yīng)用各種知識服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的學(xué)科，它在很大程度上反映了一個國家海洋高科技的發(fā)展水平，越來越受到人們的重視。1.1 水下運(yùn)載器操縱性研究的歷史船舶操縱性是一門比較年輕的學(xué)科。直到第二次世界大戰(zhàn)后操縱性的研究主要是針對回轉(zhuǎn)性，實(shí)際上只是確定高速艦艇的定?；剞D(zhuǎn)直徑及其舵的設(shè)計。在船舶操縱性早期的研究中比較重要的工作有：1912年，霍夫加特（W.Hovgard）建立了計算定?；剞D(zhuǎn)直徑的實(shí)用方法和圖譜；1911年，布賴恩（G.H.Bryan）首先提議用“緩慢運(yùn)動導(dǎo)數(shù)”來表示流體動力；1932年，肯普夫（Kempf）提出用Z形試驗(yàn)結(jié)果來評價船舶操縱性，等等。這些工作的結(jié)果有些至今還在應(yīng)用，但當(dāng)時未能建立完整的操縱運(yùn)動方程式，也未能給出一個完整的操縱性概念?，F(xiàn)代船舶操縱性的研究，從對操縱性的認(rèn)識、水動力的確定和數(shù)學(xué)模型的建立，大致經(jīng)歷了三個深化發(fā)展的階段。第一階段（1946年一1957年）是對操縱性的全面認(rèn)識時期，建立了完整的操縱性概念。第二階段（1957年一1978年）是操縱性迅速發(fā)展時期，形成了預(yù)報操縱性的有效方法和手段。有了充分理論依據(jù)的數(shù)學(xué)模型和基于拘束船模試驗(yàn)的比較完整、精確的水動力系數(shù)，加上計算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，從而形成了目前廣泛使用的預(yù)報船舶操縱性的有效模式，即“拘束船模試驗(yàn)+數(shù)字模擬計算”方法。

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《水下運(yùn)載器操縱控制及模擬仿真技術(shù)》是由國防工業(yè)出版社出版的。

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