气垫船航迹向及垫升压力模糊滑模控制方法研究

发布时间：2020-04-15 13:57

【摘要】：全垫升气垫船作为高性能船舶的代表,具有对多种地形适应能力强、航行速度快的优点。但由于其特殊的航行机理,在航行过程中存在操纵性差、安全性差,以及气垫不稳定的固有缺陷。因此,为了保证气垫船的操纵性与安全性,在水平面上对航迹向进行控制,在垂直面上对垫升压力进行控制是十分有必要的。本文根据气垫船受环境干扰影响大、模型不确定性大、非线性明显等特点,选择模糊滑模算法进行控制器设计,从运动控制的角度保障气垫船的高速安全航行。主要研究内容如下:第一,建立气垫船运动数学模型,研究全垫升气垫船的运动机理,为控制器设计打下基础。只有在合理的、符合实船特性的模型下,对运动控制技术研究才具有实际的应用意义。首先,建立固定坐标系与运动坐标系。其次,通过对气垫船的分析,建立其运动学模型。同时,采用分块建模思想,对空气动力、水动力以及各操纵面进行分块建模,建立动力学模型。并最终得到气垫船六自由度运动数学模型。此外,还建立了包括海风、海浪的环境模型。最后,通过仿真试验验证所建立模型符合实船特性。第二,气垫船由于其特殊的航行机理,极易受到外界环境干扰而改变航向。因此,有必要对气垫船的航向控制方法进行研究与设计,本文采用模糊滑模方法实现气垫船的航向控制。首先,介绍了滑模控制的原理,主要包括其基本概念及数学描述、控制器设计过程、控制律的推导及稳定性的判别。其次,建立普通滑模控制器,并通过对简易系统的仿真试验,显示出其在控制过程中存在较大抖振。在此基础上,分析抖振产生的主要原因及解决办法,并选择模糊方法与滑模相结合。最后,分别采用普通滑模控制器与模糊滑模控制器,并结合气垫船模型,分别在无风及有风的条件进行航向跟踪仿真对比试验,证明所设计模糊滑模算法的有效性。第三,面向气垫船高速安全航行运动控制系统需求,为改善其在水平面上的安全性和操纵性,减轻驾驶员的操作负担,对气垫船的航迹向控制方法进行研究与设计。本文采用改进的积分视觉导引律(integral line-of-sight,ILOS),结合设计的航向控制器,实现气垫船航迹向控制。首先,对闭环导引律进行研究,介绍了偏差导引律、视觉导引律(line-of-sight,LOS),并根据气垫船航迹向控制需求设计了航迹偏差导引律以及改进ILOS导引律。其次,在此基础上,对气垫船航迹向控制策略进行分析,给出了期望路径的确定方法、航迹向计算方法以及路径切换时的导引律。再次,根据直接法的控制策略,设计基于航迹偏差闭环导引的气垫船航迹向控制系统。同时,根据间接法的控制思想,采用分层控制结构,设计基于改进ILOS闭环导引的气垫船航迹向控制系统。最后,分别在不同环境下对两个控制系统进行仿真对比试验。第四,垫升系统是气垫船的关键所在,从根本上决定了其操纵性与安全性。为减少气垫船在航行中升沉方向上的颠簸,即“鹅卵石效应”,对气垫船的垫升压力控制方法进行研究与设计。首先,重点求解了垫升增压风扇、气垫体积变化率以及围裙泄流量的压力—流量公式,并建立了垫升系统数学模型。其次,针对其控制需求,选择滑模控制方法,控制增压风扇的转速。再次,设计普通滑模控制器,并结合模糊方法的万能逼近原理设计自适应模糊滑模控制器。最后,设计仿真试验。分别采用普通滑模控制器与自适应模糊滑模控制器,并结合气垫船模型,分别在无风及有风的条件进行垫升压力控制仿真对比试验。
【图文】：

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并试制了 BH7、SRN6、VT-2、Griffon 2000 TD 等舰艇[8]，其中最为出名的便是 Griffon 8000TD，如图1.1 所示。目前已有 80 余艘该系列共六种气垫船被世界上各国海军部队订购。图 1.1 英国 Griffon 8000TD 型气垫船与英国不同，美国的研究更倾向于侧壁式。自1960 年开始，美国经过 XRI 和 SES-100这两个系列的试制，不断改进，于 1978 年成功研制出 JEFFA 型、JEFFB 型气垫登陆艇[9]。并通过进一步的研究试制，研发出新一代——LCAC（Landing Craft, Air Cushioned）。随后，美国海军开展延寿项目 SLEP（service life extension program）。该项目在延长其服役寿命的同时，也进一步增强了 LCAC 的性能。此外，美国在轻型气垫船领域也颇有建树。由此可见，美国的气垫船水平也已处于世界领先[6]。图 1.2 美国 LCAC 气垫登陆艇俄罗斯在经历首代中型气垫船“卡里玛尔”以及后两代试验艇后[10]

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图 1.1 英国 Griffon 8000TD 型气垫船与英国不同，美国的研究更倾向于侧壁式。自1960 年开始，美国经过 XRI 和 SES-100这两个系列的试制，不断改进，，于 1978 年成功研制出 JEFFA 型、JEFFB 型气垫登陆艇[9]。并通过进一步的研究试制，研发出新一代——LCAC（Landing Craft, Air Cushioned）。随后，美国海军开展延寿项目 SLEP（service life extension program）。该项目在延长其服役寿命的同时，也进一步增强了 LCAC 的性能。此外，美国在轻型气垫船领域也颇有建树。由此可见，美国的气垫船水平也已处于世界领先[6]。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP273;U674.943

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