開題報告——全墊升氣墊船航向橫傾解耦控制講解

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(dǎo)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(nèi)容與方法 Content and method 難點目標(biāo)時間 Difficulties objectives and schedule 目錄 內(nèi)容與方法 Content and method 難點目標(biāo)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(jīng)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(guān)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(yán)重 影響氣墊船的穩(wěn)定性； u由于空氣舵在提供轉(zhuǎn)艏力矩的同時也會產(chǎn)生橫傾力矩，改變橫傾角， 發(fā)生橫傾現(xiàn)象，更嚴(yán)重時還可能出現(xiàn)側(cè)翻現(xiàn)象。 u同樣艏噴管在提供橫傾

3、力矩時也會產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(nèi)容與方法 Content and method 難點目標(biāo)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(jì)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(shè)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(jì)70年代后期，前蘇聯(lián)設(shè)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(shù)量最多的國家。 n 國內(nèi)從20世紀(jì)60年代末開始?xì)鈮|船技術(shù)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(shù)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(jì)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(nèi) 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(xué)

5、者費恩，運用英國BH-7型氣墊船的實艇數(shù)據(jù)，建立了簡單的操縱系統(tǒng)數(shù) 學(xué)模型，通過墊升姿態(tài)試驗，研究了縱傾運動、橫傾運動和轉(zhuǎn)艏運動，并證明了 艏向角、側(cè)滑角和橫傾角的耦合關(guān)系?；诶碚摲治龊万炞C，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(shè)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(jù)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(jù)預(yù)設(shè)的航線，完成自動駕駛，安全抵達目的地。 日本學(xué)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(diào)控制， 減小內(nèi)部參數(shù)的互相干擾，試驗證明該方法具有很強的適用性。 3 國內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shè)計協(xié)調(diào)控制器

7、和BP神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)的參數(shù)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(xué)，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(zhì)，使其航向更 加安全。 鄧宏達，哈爾濱工程大學(xué)，全墊升氣墊船墊升姿態(tài)控制方法研究，在有環(huán) 境風(fēng)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(yù)期控制，而且可以抑制橫傾角的劇烈抖動， 從而穩(wěn)定回轉(zhuǎn)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(nèi)研究現(xiàn)狀 目錄 難點目標(biāo)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(nèi)容與方法 Content and method 4 坐標(biāo)系的建立 建立模型 圖 3.1 固定坐標(biāo)系與運動坐標(biāo)系 5 六自由度船舶數(shù)學(xué)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(xué)數(shù)學(xué)模型：自由度運動學(xué)數(shù)學(xué)模型： 全墊升氣墊船全墊升氣墊船6自由度動力學(xué)自由度動力學(xué)數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)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(cè) 風(fēng)門、艏噴管、螺旋槳槳矩 差、轉(zhuǎn)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(yīng)解耦控制（改進模型參考自適應(yīng)）自適應(yīng)解耦控制（改進模型參考自適應(yīng)） 2.智能解耦控制（模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）智能解耦控制（模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)） 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(yīng)控制的主要特點：自適應(yīng)控制的主要特點： 1. 不需要進行性能指標(biāo)的變換,實現(xiàn)容易,自適應(yīng)速度快,在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。 2

11、. 在處理被控對象的數(shù)學(xué)模型事先難以確知或它們的數(shù)學(xué)模型經(jīng)常變化的系統(tǒng), 模 型參考自適應(yīng)控制達到較好的控制效果。 3. 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的控制器的參數(shù)是隨著對象特性的變化和環(huán)境的改變而不 斷調(diào)整的, 從而使系統(tǒng)具有很強的適應(yīng)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(yīng)控制 需要的時間足夠小, 從而使被控對象參數(shù)變化過程比起參考模型和對象本身的時間 響應(yīng)要慢得多。 基于ESO的模型參考自適應(yīng)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(yīng)控制器結(jié)構(gòu)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(shù)學(xué)模型可化簡如下簡式： 其中： 1 2 () U VB U （3-5） 目錄 難點目標(biāo)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(nèi)容與方法 Content and method 難點 10 （1）擴張狀態(tài)觀測器與模型參考自適）擴張狀態(tài)觀測器與模型參考自適 應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計 （2）航向航向-橫傾解耦模型的橫傾解耦模型的分離與應(yīng)用分離與應(yīng)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(shù)的調(diào)試）控制參數(shù)的調(diào)試 目標(biāo) 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(diào)試程序橫傾解耦控制程序，調(diào)試程序 使系統(tǒng)參數(shù)達到期望值。使系統(tǒng)參數(shù)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(guān)的文獻，了解氣墊船運動學(xué)和動力學(xué) 模型的建立以及求解方法。 2016.01-2016.03 參考相應(yīng)文獻，建立氣墊船數(shù)學(xué)模型，并