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全垫升气垫船舵桨协调控制分配方法研究
| 论文题名： | 全垫升气垫船舵桨协调控制分配方法研究 |
| 关键词： | 全垫升气垫船;航迹保持;舵桨控制;协调分配;航速控制器 |
| 摘要： | 全垫升气垫船是一种船体靠气垫支撑，在航行过程中完全脱离水面（地面）的高性能船舶，具有高速性、两栖性等诸多优点，在军事和民用方面得到了广泛的应用。气垫船包括多个独特的操纵面，其中空气导管螺旋桨和空气舵是控制气垫船运动的主要执行机构，空气舵用来提供气垫船所需的回转力矩，而空气导管螺旋桨不仅能提供气垫船前进所需的动力，还能通过分别调节左右螺旋桨的螺距角，使用螺距差来提供回转力矩。气垫船在做回转运动的过程中，当航速较低时，空气舵的效率较低，此时无法提供充足的回转力矩，因此导致回转速度较慢、回转时间过长以及回转半径较大等情况，因此需要利用螺旋桨螺距差辅助回转，甚至代替空气舵回转。然而，当航速较高时，空气舵的效率也较高，所以此时仅用空气舵便可提供气垫船回转时所需回转力矩，但是由于气垫船侧向阻尼较小，同时对外部环境干扰敏感，故此时应避免使用较大舵角回转，以免造成严重侧滑甚至翻船等事故。因此出于安全性、能耗及执行器磨损等方面考虑，研究气垫船在不同航速下舵桨协调控制分配具有实际意义。本文以某型气垫船为研究对象，在研究气垫船航迹向保持控制任务的基础上，对舵桨协调控制分配问题进行了深入研究。 首先，采用模块化建模思想，根据某型气垫船的实验数据和相应执行机构参数，对气垫船各个模块进行建模，然后利用叠加原理将各模块相同方向的合力（矩）进行合成，最终建立气垫船四自由度运动数学模型。 其次，为研究气垫船舵桨协调控制分配方法，首先对空气导管螺旋桨和空气舵的工作性能、效率，以及在不同航速下分别利用两者进行回转的作用效果进行分析和比较，进而确定在不同航速区间内舵桨协调使用的情况，然后建立舵桨协调控制分配模型，将舵桨协调控制分配问题转化为指定目标函数和约束条件下的最优化问题，然后采用改进的标准粒子群优化算法进行求解，实现控制力（矩）合理协调的分配。 再次，针对气垫船航迹向安全航行控制问题，提出了航迹向间接控制的概念，即根据侧滑角信息更新期望艏向的策略，采用非奇异快速终端滑模控制算法进行控制器设计，并进行稳定性证明，同时为了保证航行稳定性和安全性，采用李亚普诺夫非线性直接法设计航速控制器，实现气垫船等航速-航迹向保持控制。 最后，将舵桨协调控制分配方法应用在气垫船等航速-航迹向保持的航行任务中。通过仿真实验将其与未进行协调分配的仿真结果做对比，仿真结果表明本文所提的舵桨协调控制分配方法的正确性、有效性和优越性。 |
| 作者： | 刘通 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 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： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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