開題報告——全墊升氣墊船航向橫傾解耦控制

1、全墊升氣墊船航行姿態(tài)控制方法研究 Study on attitude control method of air cushion vessel 指導老師: ：匯報人 ： 目錄 背景與意義 Background and significance 發(fā)展與現(xiàn)狀 Development and present situation 內容與方法 Content and method 難點目標時間 Difficulties objectives and schedule 目錄 內容與方法 Content and method 難點目標時間 Difficulties objectives and schedu

2、le 發(fā)展與現(xiàn)狀 Development and present status 背景與意義 Background and significance 背景與意義 1 全墊升氣墊船 u近幾十年來，各種高性能特種船舶陸續(xù)面世，全墊升氣墊船已經成為 世界各國造船界研究的重點。 u良好的兩棲型、快速性和耐波性，使得氣墊船在最近幾十年日益得到 各國的關注。大量的氣墊船被用在民用及軍事作業(yè)中。 u眾所周知，氣墊船最典型的控制面為航向控制，而橫傾角的改變嚴重 影響氣墊船的穩(wěn)定性； u由于空氣舵在提供轉艏力矩的同時也會產生橫傾力矩，改變橫傾角， 發(fā)生橫傾現(xiàn)象，更嚴重時還可能出現(xiàn)側翻現(xiàn)象。 u同樣艏噴管在提供橫傾

3、力矩時也會產生轉艏力矩，改變航向，因此， 有必要對全墊升氣墊船的航向橫傾控制進行研究。 目錄 內容與方法 Content and method 難點目標時間 Difficulties objectives and schedule 發(fā)展與現(xiàn)狀 Development and present status 背景與意義 Background and significance 2 全墊升氣墊船 發(fā)展與現(xiàn)狀 n20世紀50年代，世界各國再次掀起了氣墊船的研究與發(fā)展熱潮。 n1959年7月英國組建了世界第一艘全墊升氣墊船SN-N1號。 n1978年，美國設計建造的氣墊登陸艇(LCAC) 誕生，并進行不斷

4、的 改進升級。 n20世紀70年代后期，前蘇聯(lián)設計建造世界上最大的氣墊船-Zubr氣 墊船，如今，俄羅斯是世界上擁有氣墊船數量最多的國家。 n 國內從20世紀60年代末開始氣墊船技術研究，早期711-2型艇 在淀山湖進行了大量實艇試驗。 n 70年代末建立了氣墊技術實驗室。 n 80年代初開始海軍氣墊登陸艇722-1型與722-2型試驗艇的研制。 n 90年代成功研制了海軍724型艦載小型氣墊登陸艇，該型艇服 役期滿后又進行了延壽改進，性能又有進一步提高。 n 21世紀初又成功研制了與美LCAC同類型的中型氣墊登陸艇。 國 外 國 國 內 3 氣墊船航行姿態(tài)控制國外研究現(xiàn)狀 發(fā)展與現(xiàn)狀 美國學

5、者費恩，運用英國BH-7型氣墊船的實艇數據，建立了簡單的操縱系統(tǒng)數 學模型，通過墊升姿態(tài)試驗，研究了縱傾運動、橫傾運動和轉艏運動，并證明了 艏向角、側滑角和橫傾角的耦合關系。基于理論分析和驗證，F(xiàn)ein又進行了多次 實船對比試驗，研究環(huán)境擾動對氣墊船航行的影響。 安東尼奧，運用back-stepping理論，設計作用于氣墊船的軌跡跟蹤自抗擾控制 器。試驗表明，該控制器不僅可以實現(xiàn)跟蹤功能，而且可以克服外力擾動帶來的 影響。 丹尼爾對氣墊船墊升系統(tǒng)建模，通過解耦控制器穩(wěn)定圍裙泄流量，解決了氣墊船 在惡劣海況中的升沉穩(wěn)定性問題，提高了氣墊船的適航性。 伊朗的M.M.EI-khatib博士根據模糊控

6、制理論，開發(fā)航跡向智能跟蹤控制器，使 氣墊船可以根據預設的航線，完成自動駕駛，安全抵達目的地。 日本學者尾鱗一，模擬了冰面航行環(huán)境，研究氣墊船在光滑固體面的運動狀態(tài)， 證明氣墊船在光滑平面航行是可行的。 Koichi OSUKA提出了聯(lián)合控制思想，利用主操縱面和輔助操縱面的協(xié)調控制， 減小內部參數的互相干擾，試驗證明該方法具有很強的適用性。 3 國內研究現(xiàn)狀 李根林針對建模中海浪模型難以確定的問題，對興波阻力進行了重點研究 黃勇、匡紅波等仿真驗證了基于變結構模糊PID控制算法對航跡保持進行 控制的可行性，該方法抗干擾能力極強 付明玉、王成龍等老師利用back-stepping方法設計協(xié)調控制器

7、和BP神經網 絡的參數自整定PID控制策略，對氣墊船水平面航向運動控制效果良好 劉振業(yè)，哈爾濱工程大學，對全墊升氣墊船的航向橫傾運用自抗擾解耦 方法進行了研究。改善了全墊升氣墊船航向、橫傾控制品質，使其航向更 加安全。 鄧宏達，哈爾濱工程大學，全墊升氣墊船墊升姿態(tài)控制方法研究，在有環(huán) 境風干擾下，與單一的PID航向控制相比，基于狀態(tài)反饋的航向橫傾解耦 控制算法既可以實現(xiàn)航向的預期控制，而且可以抑制橫傾角的劇烈抖動， 從而穩(wěn)定回轉率，增強了抗干擾能力，提高氣墊船航行安全性。 氣墊船航行姿態(tài)與解耦控制國內研究現(xiàn)狀 目錄 難點目標時間 Difficulties objectives and sche

8、dule 發(fā)展與現(xiàn)狀 Development and present status 背景與意義 Background and significance 內容與方法 Content and method 4 坐標系的建立 建立模型 圖 3.1 固定坐標系與運動坐標系 5 六自由度船舶數學模型的建立 建立模型 全墊升氣墊船全墊升氣墊船6自由度運動學數學模型：自由度運動學數學模型： 全墊升氣墊船全墊升氣墊船6自由度動力學自由度動力學數學數學模型：模型： () () () () x y z xzyx yxzy zyxz m uvrwqF m vwpurF m wuqvpF I pIIqrM I qII

9、prM I rIIpqM & & & & & & F（M）為：垂直空氣舵，側 風門、艏噴管、螺旋槳槳矩 差、轉速差及氣墊力等控制 面的合力（力矩）。 coscos(cossinsinsincos )(cossincossinsin ) sincos(sinsinsincoscos )(sinsincoscossin ) sincos sincoscos sintancostan cossin sin/ uvr uvr uvr pqr qr q & & & & & & coscos/cosr （3-1） （3-2） 航向-橫傾耦合控制模型 建立模型 6 航向控制模型可簡化為： 橫傾控制模型可簡化

10、為： cos ()() zrrhurr r INY rNYx ru & & & ()() xrrhhurr p I pKYz rKYz ru & & & （3-3） （3-4） 解耦控制方法的選擇 建立模型 7 1.自適應解耦控制（改進模型參考自適應）自適應解耦控制（改進模型參考自適應） 2.智能解耦控制（模糊、神經網絡）智能解耦控制（模糊、神經網絡） 3.動態(tài)魯棒解耦控制動態(tài)魯棒解耦控制 4.狀態(tài)空間解耦控制狀態(tài)空間解耦控制 5.自抗擾解耦控制自抗擾解耦控制 等等 自適應控制的主要特點：自適應控制的主要特點： 1. 不需要進行性能指標的變換,實現(xiàn)容易,自適應速度快,在許多領域得到了應用。 2

11、. 在處理被控對象的數學模型事先難以確知或它們的數學模型經常變化的系統(tǒng), 模 型參考自適應控制達到較好的控制效果。 3. 模型參考自適應系統(tǒng)的控制器的參數是隨著對象特性的變化和環(huán)境的改變而不 斷調整的, 從而使系統(tǒng)具有很強的適應能力。 4. 只要在滿足控制要求的前提下, 建立起一個合適的參考模型, 就能使自適應控制 需要的時間足夠小, 從而使被控對象參數變化過程比起參考模型和對象本身的時間 響應要慢得多。 基于ESO的模型參考自適應控制系統(tǒng)原理 建立模型 8 圖3-2 基于ESO的模型參考自適應控制器結構圖 解耦控制 建立模型 9 111 222 1 2 ()( ) ()( ) fw tV f

12、w tV y Y y & & & & 航向-橫傾數學模型可化簡如下簡式： 其中： 1 2 () U VB U （3-5） 目錄 難點目標時間 Difficulties objectives and schedule 發(fā)展與現(xiàn)狀 Development and present status 背景與意義 Background and significance 內容與方法 Content and method 難點 10 （1）擴張擴張狀態(tài)觀測器與模型參考自適狀態(tài)觀測器與模型參考自適 應控制系統(tǒng)的設計應控制系統(tǒng)的設計 （2）航向航向-橫傾橫傾解耦模型的解耦模型的分離與應用分離與應用 （3）系統(tǒng)穩(wěn)定性分析）系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 （4）用）用C+編寫程序并仿真編寫程序并仿真 （5）控制參數的調試）控制參數的調試 目標 11 （1）實現(xiàn)航行）實現(xiàn)航行-橫傾解耦控制。橫傾解耦控制。 （2）成功編寫航向）成功編寫航向-橫傾解耦控制程序，調試程序橫傾解耦控制程序，調試程序 使系統(tǒng)參數達到期望值。使系統(tǒng)參數達到期望值。 （3）能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。）能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 時間安排 12 2015.11-2015.12 閱讀相關的文獻，了解氣墊船運動學和動力學 模型的建立以及求解方法。 2016.01-2016.03 參考相應文獻，建立氣墊船數學模型，并