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气垫船安全航行协调控制技术研究
| 论文题名： | 气垫船安全航行协调控制技术研究 |
| 关键词： | 全垫升气垫船;协调控制;安全航行;自适应反步滑模;仿真分析 |
| 摘要： | 全垫升气垫船是以静态空气压力支撑的一类高性能船舶,它通过垫升系统将船体托起,由安装在尾部的大功率螺旋桨提供推力,通过垂直空气舵实现对气垫船的操纵。全垫升气垫船在运行时通过垫升风机向船体气道与围裙气垫内供气,将船完全脱离水面,从而获得高速运行于水面或陆地的两栖性。 气垫船的水动阻力相对水面船较小,航行时受风浪干扰影响很大。存在“高速易埋首,低速易翻船”的现象。在高速航行时,如果有顺风作用,在空气动力作用下容易导致船低头从而造成埋首现象;如果打较大舵角进行回转,容易出现高速甩尾现象。低速航行时,由于偏航阻尼较小且外部气动力提供的向心力不够,容易导致转向时伴随严重侧滑,气垫船的这些特性决定它的安全性较差,不易操纵。目前国内的气垫船还主要依靠人工操纵,在行驶时驾驶员的压力很大,工作繁重,很容易出现操作失误。沿海扫雷、反潜、进出港口和船坞等任务时,对操作精度要求很高,人工操作是无法准确完成的。而航行安全是气垫船完成操作和功能的保障,因此为了减轻驾驶员的操作负担,提高运动的安全性,改善操控水平,对全垫升气垫船运动控制和安全航行的研究都是很有必要的。 本文主要研究了气垫船安全航行控制问题,对某型气垫船进行建模并对其航行稳定性进行分析,最后对空气舵与旋转喷管的协调控制进行了研究。具体内容如下: 首先,建立了全垫升气垫船六自由度运动数学模型。对气垫船所受各个阻力分别建模,包括空气动力模型、水动力模型、气垫动力模型等;对执行机构的操纵特性进行分析,包括旋转喷管、螺旋桨、空气舵、侧风门等,完成了整个运动模型的建立,并进行仿真试验来对所建模型进行验证。 其次,对变结构控制理论进行研究,设计航向滑模控制器来解决气垫船的航向控制问题。根据常用削弱变结构控制抖振的策略,研究与反步法结合的变结构控制方法,对所设计的航向控制器进行改进。并在不同扰动风作用下进行了仿真对比验证。 接着,对气垫船的安全航行进行研究,建立航行过程中气垫船参数的安全限界。根据稳定性要求,对航向控制的需求进行分析,着重研究了气垫船的横向稳定性。为了提高横稳性,需要对横倾运动进行控制。包括对旋转喷管进行操纵性能研究,根据对气垫船运动模型简化,得到横倾运动模型,并利用反步法进行横倾控制器设计。 最后,根据协调思想,对航向运动和横倾运动这两个子系统,考虑空气舵和旋转喷管之间的相互影响,设计空气舵与旋转喷管的协调控制器。最终在不同环境风干扰下进行仿真试验,来验证所设计的协调控制策略的有效性和优越性。 |
| 作者： | 宋大成 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 李娟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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