论文题名: | 全垫升气垫船航向安全控制方法研究 |
关键词: | 全垫升气垫船;航向控制;滑模控制;安全航行 |
摘要: | 全垫升气垫船是一种采用空气螺旋桨提供推力,全部由空气静压力支撑的船体,在航行过程中完全脱离水面或地面,具有独特的两栖性,耐波性和高速航行等特点,在世界各国的军事和民用方面得到了广泛应用。气垫船与普通水面船相比有较大的差异,当气垫船在水面高速航行过程中容易受到外界环境的干扰,容易造成船体横倾严重,产生埋首等危险的情况;而当气垫船做回转运动时,由于气垫船悬浮水面航行导致兴波阻力提供的向心力较小,容易引起侧滑和甩尾,同时大舵角回转还有可能出现倾覆的危险;当在低速航行时,空气舵的效率较低,通常无法提供改变航向所需的回转力矩,导致回转半径大,时间长等问题。针对上述航行过程中存在的问题,本文以某型全垫升气垫船作为研究对象,设计了控制效率较优的航向控制器,同时在考虑气垫船航向安全的前提下,进行安全航行控制器的设计。 首先,采用模块化建模思想,根据某全垫升气垫船的实验数据,在坐标系下对各个模块分别建立数学模型,然后梳理各个模块的力和力矩进行合成,运用动量定理、动量矩定理列出全垫升气垫船四自由度运动数学方程,转换到运动坐标系下,最终完成四自由度仿真模型的建立,并对在无风和不同风速、风向环境条件下气垫船直航、回转等操纵特性进行仿真,验证所建立的气垫船模型。 其次,结合航向控制的特点对滑模变结构控制理论进行研究,并通过观测器对系统外部扰动进行估计,提出基于扰动观测器的滑模控制器来平稳的跟踪设定的期望航向值。根据常用削弱滑模控制抖振的策略,研究与反步法结合的基于观测器的滑模控制算法,设计控制算法改进后的航向控制器,并在不同扰动风环境下进行对比验证。 再次,考虑气垫船航向安全控制问题,建立了航行过程中不同航速下回转律和侧滑角的安全限界,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设计航速-航迹向控制器,同时改进趋近律,提高趋近阶段的收敛速度,并进行有限时间快速收敛和稳定性证明,保证航行稳定性和安全性,实现了气垫船航速-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-航迹向保持的安全航行任务中。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安全性、有效性和快速性。 |
作者: | 孟小辉 |
专业: | 控制科学与工程 |
导师: | 丁福光 |
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 |