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气垫船多操纵面协调控制方法研究
| 论文题名： | 气垫船多操纵面协调控制方法研究 |
| 关键词： | 气垫船舶;船舶操纵;反步控制;动力学模型 |
| 摘要： | 气垫船是一种船体由其气垫内空气静压力支持以减小航行阻力的高性能船，具有航速快，两栖等特性。气垫船利用气垫减小了船航行时阻力，但同时风对气垫船航行的干扰影响更加严重，同时气垫船横倾漏气会引起侧滑。因此，多种气垫船操纵面被应用来改进气垫船的操纵性。本文针对气垫船多操纵面动力学模型设计了包含上层主控制器和下层协调控制分配系统的协调控制系统对气垫船的推进器和操纵面的协调控制进行了初步的研究。 本研究首先根据刚体动力学原理建立了气垫船的四自由度动力学方程，并建立了气垫船受到的空气动力、水动力及推进器和多种操纵面操纵力的数学模型，同时应用四阶龙格库塔算法编写了计算机仿真程序，对气垫船的运动特性和操纵特性进行了仿真研究。其次，根据视线法原理设计了气垫船的路径导引算法以实现气垫船对参考路径的跟踪。参考路径由航迹点设定并由多段直线段连接而成，并讨论了参考路径段切换的策略。参考艏向根据参考路径段和气垫船当前实际位置计算得到，将气垫船路径跟踪转化为对其艏向的控制，引入参考模型使气垫船艏向逐步过渡到参考艏向，能够减小被控量超调同时提供控制器需要的参考量导数等信息。再次，根据气垫船动力学模型的非线性、耦合、参数变化等特点，采用非线性的反步控制方法设计了气垫船协调控制系统的上层控制器，来对航速、横倾、艏向等被控变量进行控制，控制输出为推进器和操纵面的合力及合力矩，编写了气垫船协调控制系统上层反步控制器的仿真程序并进行了相应的仿真研究。最后，建立了协调控制系统的下层协调分配系统的规划模型，将气垫船操纵面的协调控制问题转化为约束条件下目标函数最优化的规划问题，操纵面规划模型将上层控制器的输出的合力（矩）协调分配给各个操纵面，从而优化操纵面的工作，减小操纵面之间的相互影响，达到协调控制操纵面工作的目的。引入序列二次规划算法和遗传算法对操纵面的协调分配模型进行求解。根据建立的操纵面协调分配模型，编写了相应的计算机仿真程序，完成对操纵面之间的协调工作。结合设计的导引系统和协调控制系统，在气垫船进行路径跟踪的过程中，进行了推进器和操纵面协调控制的仿真研究，得到了初步的仿真结果。 |
| 作者： | 林丰 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 林孝工 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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