全垫升气垫船航向安全控制方法研究

发布时间：2020-07-15 06:55

【摘要】：全垫升气垫船是一种采用空气螺旋桨提供推力,全部由空气静压力支撑的船体,在航行过程中完全脱离水面或地面,具有独特的两栖性,耐波性和高速航行等特点,在世界各国的军事和民用方面得到了广泛应用。气垫船与普通水面船相比有较大的差异,当气垫船在水面高速航行过程中容易受到外界环境的干扰,容易造成船体横倾严重,产生埋首等危险的情况;而当气垫船做回转运动时,由于气垫船悬浮水面航行导致兴波阻力提供的向心力较小,容易引起侧滑和甩尾,同时大舵角回转还有可能出现倾覆的危险;当在低速航行时,空气舵的效率较低,通常无法提供改变航向所需的回转力矩,导致回转半径大,时间长等问题。针对上述航行过程中存在的问题,本文以某型全垫升气垫船作为研究对象,设计了控制效率较优的航向控制器,同时在考虑气垫船航向安全的前提下,进行安全航行控制器的设计。首先,采用模块化建模思想,根据某全垫升气垫船的实验数据,在坐标系下对各个模块分别建立数学模型,然后梳理各个模块的力和力矩进行合成,运用动量定理、动量矩定理列出全垫升气垫船四自由度运动数学方程,转换到运动坐标系下,最终完成四自由度仿真模型的建立,并对在无风和不同风速、风向环境条件下气垫船直航、回转等操纵特性进行仿真,验证所建立的气垫船模型。其次,结合航向控制的特点对滑模变结构控制理论进行研究,并通过观测器对系统外部扰动进行估计,提出基于扰动观测器的滑模控制器来平稳的跟踪设定的期望航向值。根据常用削弱滑模控制抖振的策略,研究与反步法结合的基于观测器的滑模控制算法,设计控制算法改进后的航向控制器,并在不同扰动风环境下进行对比验证。再次,考虑气垫船航向安全控制问题,建立了航行过程中不同航速下回转律和侧滑角的安全限界,提出了航迹向间接控制的概念,即根据侧滑角信息更新期望艏向的策略,采用非奇异快速终端滑模控制算法设计航速-航迹向控制器,同时改进趋近律,提高趋近阶段的收敛速度,并进行有限时间快速收敛和稳定性证明,保证航行稳定性和安全性,实现了气垫船航速-航迹向保持控制。最后,将舵桨协调控制分配方法应用在气垫船等航速-航迹向保持的安全航行任务中。通过仿真实验将其与未进行协调分配的仿真结果做对比,仿真结果表明本文所提的舵桨协调控制分配方法的安全性、有效性和快速性。
【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】：2018
【分类号】：U674.943;U676.1
【图文】：

气垫船,二十世纪,英国,美国

图 1.1 英国 Griffon 型和 BH7 型气垫船美国相比于英国发展气垫船起步时间晚，大约在二十世纪七十年代开始投入气垫船的研究，特别是在冷战期间，开始同步建造了攻击型气垫登陆艇 JEFF(A)和 JEFF(B)两种中型两栖作战登陆艇。随着各国海军逐渐装备气垫船，美国又制定了现代海军气垫登陆艇 LCAC 的研发计划，目的是为了提高海军抢滩登陆作战速度，由于得到重视研究出处于世界领先地位的超性能气垫船，经过试航验证，其耐波性、航行稳定性、舵桨复合操纵性能分析等在复杂环境下航行性能指标都达到预期的效果。并且已经装备百余艘LCAC 气垫船以增强其海军作战能力和后勤保障能力发挥巨大作用。如图 1.2 所示为LCAC 气垫登陆艇。

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4图 1.4 “斯米格”气垫船来也开始探索与研究气垫船的设计理论，随着经济备也在不断提高，突破了种种困难，总结出气垫船计、动力系统设计、驾控系统设计等一系列理论知开展了对气垫船的研究工作，船体模型长 1.8 米，研制出可载人的小型全垫升气垫船，能完成基本的

【参考文献】