【摘要】：高速翼航状态下的全浸式水翼艇能够依靠水翼上产生的升力将船体完全托出水面,克服了兴波阻力和摩擦阻力对船体的影响,大大减轻了船体所受的海浪冲击,具有优良的适航性。然而,在翼航状态下,全浸式水翼艇缺少必要的静稳定性,这就对全浸式水翼艇动力学姿态镇定与航迹引导控制系统的稳定性与鲁棒性提出了更高的要求。本文提出全浸式水翼艇横向运动姿态鲁棒控制技术,通过研究翼航状态下的全浸式水翼艇横向运动非线性动力学,探究水翼艇横向运动姿态稳定鲁棒控制策略,以保证全浸式水翼艇高速运动时横向运动姿态的全局稳定性。本论文主要开展了以下几个方面的研究工作:首先,对论文相关内容的研究进展、所存在的问题及论文的整体思路进行阐述。针对全浸式水翼艇的横向运动姿态控制,分析了全浸式水翼艇的水翼布置方案,并针对全浸式水翼艇的运动特性给出了其运动控制系统的体系结构与设备构成;基于该总体设计方案,针对航向镇定与航迹控制问题,提出了全浸式水翼艇艏摇/横摇联合控制方案与航迹跟随控制方案的系统体系结构;分析了全浸式水翼艇横向平面操纵运动模型,对水翼系统和支柱系统的受力情况进行了水动力学分析,并针对规则波与随机海浪作用下全浸式水翼艇横向运动姿态的受扰运动进行了分析。其次,针对翼航状态下的全浸式水翼艇艏摇/横摇鲁棒联合控制问题,进行了基于迭代学习策略的全浸式水翼艇艏摇/横摇输出反馈滑模鲁棒控制研究。将迭代学习策略融入到状态观测器与滑模控制器的设计中。设计了迭代学习观测器实现了对全浸式水翼艇艏摇/横摇动力学模型中系统状态与集总干扰的一体化估计;利用迭代学习观测器重构出的系统状态观测值设计了一种迭代学习滑模控制律,提高了全浸式水翼艇艏摇/横摇姿态控制的干扰抑制性能,降低了系统控制设计的保守性。接着,为了在艏摇/横摇联合控制策略的设计中体现全浸式水翼艇艏摇动力学与横摇动力学状态轨线的时间尺度特征及艏摇/横摇动力学的耦合摄动特性对控制器设计的影响,进行了全浸式水翼艇艏摇/横摇双时标输出反馈奇异扰动控制策略研究。将测量系统的随机噪声特性纳入状态观测器的设计与分析中,基于无源性理论进行状态观测器设计,利用包含测量噪声的系统输出对系统状态进行重构,从而获得艏摇/横摇动力学系统控制所需的全部状态变量。进而基于奇异扰动理论,挖掘艏摇动力学系统与横摇动力学系统的不同时间尺度特征,设计了艏摇/横摇双时标控制策略以实现全浸式水翼艇艏摇与横摇的姿态镇定。然后,在翼航状态全浸式水翼艇艏摇/横摇联合鲁棒控制研究的基础上,进行了全浸式水翼艇直线航迹跟随级联干扰抑制控制策略的研究,针对全浸式水翼艇的运动学系统的航迹引导任务与动力学系统的姿态跟踪任务进行级联控制律设计。基于对传统视线法引导律和全浸式水翼艇的运动学特性两方面的深入探究,提出了特别用于全浸式水翼艇的具有横倾约束的双通道航迹引导策略。进而针对航迹引导系统获得的期望艏向角与期望横倾角,设计了基于扩张状态观测器的指令滤波反步控制策略,实现了对期望艏向角与期望横倾角的跟踪。通过仿真验证,证实了所设计的双通道引导算法的有效性与横向姿态控制系统对系统集总干扰的鲁棒性。最后,为进一步提高全浸式水翼艇翼航状态下的机动性,进行了基于自适应横漂补偿的全浸式水翼艇曲线航迹跟随鲁棒积分控制研究。通过对路径规划法则进行评估,设计了基于三次样条插值法的曲线航线生成策略。基于浸入—不变集理论提出了一种自适应鲁棒双通道引导算法,实现了对期望艏向角中未知侧滑角的估计与补偿。针对全浸式水翼艇翼航状态的航向/横倾姿态跟踪控制问题研究了非线性鲁棒积分控制策略,利用连续的控制器输出完成了水翼艇横向姿态受扰状态下的渐进跟踪,并保证了由运动学子系统与动力学子系统组成的级联系统在集总干扰作用下的全局一致渐近稳定。系统仿真证实了所提出的航线生成方法的实用性,验证了全浸式水翼艇的高机动性与所提出的级联式航迹引导与姿态控制策略的鲁棒性。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP273;U664.82
【图文】：
图 1.6 美国海军装备研究院全浸式水翼无人艇概念图ig.1.6 the concept of unmanned fully submerged hydrofoil vessel by ON 月，俄罗斯阿列克谢耶夫设计局的质量部门负责人梅列什水翼艇的建造。计划 2020 年开始建造 2000-3000 吨的全浸
图2.1 PCH-1全浸式水翼艇Fig.2.1 the PCH-1 USS High Point fully submerged hydrofoil vessel艏水翼襟翼尾水翼襟翼副翼
图 2.8 利用协调转弯进行机动的全浸式水翼艇ubmerged hydrofoil vessel maneuvering in the comgFc LFVLHL图 2.9 协调转弯状态的受力分析Fig.2.9 The force analysis of the coordinated turn
【参考文献】
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本文编号：
2784715
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