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全垫升气垫船垫升姿态控制方法研究
| 论文题名： | 全垫升气垫船垫升姿态控制方法研究 |
| 关键词： | 全垫升气垫船;垫升特性;姿态控制;状态反馈;解耦控制器 |
| 摘要： | 全垫升气垫船作为一种特殊的现代船舶，因其良好的适航性和两栖性而在多个领域尤其是军事领域被广泛应用。气垫船通过垫升风机产生气流，经由围裙通道，向船底气室供气，依靠气垫产生的垫升压力以支撑船体悬浮于水面或地面航行，以此减小船体和接触面之间的阻力、增大航速可调范围，使其具有极高的机动性。 但是，由于气垫船独特的航行机理和垫升特性，高速航行过程中，操舵改变航向，耦合作用产生的剧烈横倾极易导致高速甩尾，进而引发严重的侧滑甚至翻船事故。而在复杂环境的干扰下，气垫压力控制不当极易导致船体低头埋首，进而引发严重的撞击和运行故障。全垫升气垫船的这些不稳定性多是由复杂多变的姿态造成，因此针对气垫船垫升姿态控制的研究是十分必要的。 针对气垫船各姿态之间的耦合作用，本文运用解耦控制思想消除耦合干扰。基于气垫船运动数学模型，根据状态空间的状态反馈法，设计航向—横倾解耦控制器和升沉—纵倾解耦控制器对其航行过程中的垫升姿态进行控制并进行仿真验证，研究内容如下： 首先，采用了分块建模思想建立气垫船操纵运动数学模型。包括推进系统中的螺旋桨和空气舵力学分析；垫升系统中的气垫力和垫升风机压力—流量分析；辅助系统中的艏喷管和侧风门力学分析；综合每个单模型产生的力和力矩，完成整体建模；仿真结果表明所建模型符合实船运动特性。 其次，根据状态空间解耦控制理论，设计了基于状态反馈的航向—横倾解耦控制器。与常规的PID航向控制器相比，航向—横倾解耦控制器不仅可以实现航向的预期控制，而且可以消除耦合作用的影响，抑制横倾角的剧烈变化，从而稳定回转率，有效控制了船体水平面姿态。 再次，建立了垫升系统数学模型，并采多维牛顿迭代法解算任意时刻气室和风扇的压力，并重点分析了气垫力模型中的波浪泵气运动。仿真结果表明所建垫升系统模型符合实船的压力特性以及垫升特性。 最后，研究了垫升系统和升沉—纵倾运动的关系，设计了基于状态反馈的升沉—纵倾解耦控制器。引入升沉阻尼和升沉稳定性概念作为控制效果验证指标。升沉—纵倾解耦控制器可以消除耦合作用的影响，协调垫升力和纵倾力矩的分配，节省垫升风机功率，增强了升沉稳定性，有效控制了船体垂直面姿态。 |
| 作者： | 邓宏达 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 付明玉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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