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1、全垫升气垫船航行姿态控制方法研究 Study on attitude control method of air cushion vessel 指导老师: ：汇报人 ： 目录 背景与意义 Background and significance 发展与现状 Development and present situation 内容与方法 Content and method 难点目标时间 Difficulties objectives and schedule 目录 内容与方法 Content and method 难点目标时间 Difficulties objectives and schedu
2、le 发展与现状 Development and present status 背景与意义 Background and significance 背景与意义 1 全垫升气垫船 u近几十年来，各种高性能特种船舶陆续面世，全垫升气垫船已经成为 世界各国造船界研究的重点。 u良好的两栖型、快速性和耐波性，使得气垫船在最近几十年日益得到 各国的关注。大量的气垫船被用在民用及军事作业中。 u众所周知，气垫船最典型的控制面为航向控制，而横倾角的改变严重 影响气垫船的稳定性； u由于空气舵在提供转艏力矩的同时也会产生横倾力矩，改变横倾角， 发生横倾现象，更严重时还可能出现侧翻现象。 u同样艏喷管在提供横倾
3、力矩时也会产生转艏力矩，改变航向，因此， 有必要对全垫升气垫船的航向横倾控制进行研究。 目录 内容与方法 Content and method 难点目标时间 Difficulties objectives and schedule 发展与现状 Development and present status 背景与意义 Background and significance 2 全垫升气垫船发展与现状 n20世纪50年代，世界各国再次掀起了气垫船的研究与发展热潮。 n1959年7月英国组建了世界第一艘全垫升气垫船SN-N1号。 n1978年，美国设计建造的气垫登陆艇(LCAC) 诞生，并进行不断的
4、 改进升级。 n20世纪70年代后期，前苏联设计建造世界上最大的气垫船-Zubr气 垫船，如今，俄罗斯是世界上拥有气垫船数量最多的国家。 n 国内从20世纪60年代末开始气垫船技术研究，早期711-2型艇 在淀山湖进行了大量实艇试验。 n 70年代末建立了气垫技术实验室。 n 80年代初开始海军气垫登陆艇722-1型与722-2型试验艇的研制 。 n 90年代成功研制了海军724型舰载小型气垫登陆艇，该型艇服 役期满后又进行了延寿改进，性能又有进一步提高。 n 21世纪初又成功研制了与美LCAC同类型的中型气垫登陆艇。 国 外 国 国 内 3 气垫船航行姿态控制国外研究现状 发展与现状 美国学
5、者费恩，运用英国BH-7型气垫船的实艇数据，建立了简单的操纵系统数 学模型，通过垫升姿态试验，研究了纵倾运动、横倾运动和转艏运动，并证明了 艏向角、侧滑角和横倾角的耦合关系。基于理论分析和验证，Fein又进行了多次 实船对比试验，研究环境扰动对气垫船航行的影响。 安东尼奥，运用back-stepping理论，设计作用于气垫船的轨迹跟踪自抗扰控制 器。试验表明，该控制器不仅可以实现跟踪功能，而且可以克服外力扰动带来的 影响。 丹尼尔对气垫船垫升系统建模，通过解耦控制器稳定围裙泄流量，解决了气垫船 在恶劣海况中的升沉稳定性问题，提高了气垫船的适航性。 伊朗的M.M.EI-khatib博士根据模糊控
6、制理论，开发航迹向智能跟踪控制器，使 气垫船可以根据预设的航线，完成自动驾驶，安全抵达目的地。 日本学者尾鳞一，模拟了冰面航行环境，研究气垫船在光滑固体面的运动状态， 证明气垫船在光滑平面航行是可行的。 Koichi OSUKA提出了联合控制思想，利用主操纵面和辅助操纵面的协调控制， 减小内部参数的互相干扰，试验证明该方法具有很强的适用性。 3 国内研究现状 李根林针对建模中海浪模型难以确定的问题，对兴波阻力进行了重点研究 黄勇、匡红波等仿真验证了基于变结构模糊PID控制算法对航迹保持进行 控制的可行性，该方法抗干扰能力极强 付明玉、王成龙等老师利用back-stepping方法设计协调控制器
7、和BP神经网 络的参数自整定PID控制策略，对气垫船水平面航向运动控制效果良好 刘振业，哈尔滨工程大学，对全垫升气垫船的航向横倾运用自抗扰解耦 方法进行了研究。改善了全垫升气垫船航向、横倾控制品质，使其航向更 加安全。 邓宏达，哈尔滨工程大学，全垫升气垫船垫升姿态控制方法研究，在有环 境风干扰下，与单一的PID航向控制相比，基于状态反馈的航向横倾解耦 控制算法既可以实现航向的预期控制，而且可以抑制横倾角的剧烈抖动， 从而稳定回转率，增强了抗干扰能力，提高气垫船航行安全性。 气垫船航行姿态与解耦控制国内研究现状 目录 难点目标时间 Difficulties objectives and sche
8、dule 发展与现状 Development and present status 背景与意义 Background and significance 内容与方法 Content and method 4 坐标系的建立建立模型 图 3.1 固定坐标系与运动坐标系 5 六自由度船舶数学模型的建立建立模型 全垫垫升气垫垫船6自由度运动动学数学模型： 全垫垫升气垫垫船6自由度动动力学数学模型： F（M）为：垂直空气舵， 侧风门 、艏喷管、螺旋桨 桨矩差、转速差及气垫力等 控制面的合力（力矩）。 （3-1） （3-2） 航向-横倾耦合控制模型建立模型 6 航向控制模型可简化为： 横倾控制模型可简化为：
9、 （3-3） （3-4） 解耦控制方法的选择建立模型 7 1.自适应解耦控制（改进模型参考自适应） 2.智能解耦控制（模糊、神经网络） 3.动态鲁棒解耦控制 4.状态空间解耦控制 5.自抗扰解耦控制 等 自适应控制的主要特点： 1. 不需要进行性能指标的变换,实现容易,自适应速度快,在许多领域得到了应用。 2. 在处理被控对象的数学模型事先难以确知或它们的数学模型经常变化的系统, 模 型参考自适应控制达到较好的控制效果。 3. 模型参考自适应系统的控制器的参数是随着对象特性的变化和环境的改变而不 断调整的, 从而使系统具有很强的适应能力。 4. 只要在满足控制要求的前提下, 建立起一个合适的参
10、考模型, 就能使自适应控制 需要的时间足够小, 从而使被控对象参数变化过程比起参考模型和对象本身的时间 响应要慢得多。 基于ESO的模型参考自适应控制系统原理建立模型 8 图3-2 基于ESO的模型参考自适应控制器结构图 解耦控制建立模型 9 航向-横倾数学模型可化简如下简式： 其中： （3-5） 目录 难点目标时间 Difficulties objectives and schedule 发展与现状 Development and present status 背景与意义 Background and significance 内容与方法 Content and method 难点 10 （
11、1）扩张状态观测器与模型参考自适 应控制系统的设计 （2）航向-横倾解耦模型的分离与应用 （3）系统稳定性分析 （4）用C+编写程序并仿真 （5）控制参数的调试 目标 11 （1）实现航行-横倾解耦控制。 （2）成功编写航向-横倾解耦控制程序，调试程序 使系统参数达到期望值。 （3）能提高系统的稳定性。 时间安排 12 2015.11-2015.12 阅读相关的文献，了解气垫船运动学和动力学 模型的建立以及求解方法。 2016.01-2016.03 参考相应文献，建立气垫船数学模型，并确定 所用算法以及在了解算法优缺点的基础上确定其改进方案。 2016.04-2016.08 根据之前确定的方案，用C+编程并调试得出 数据结果，并在Matlab上进行数据仿真，最后获得仿真结果。 2016.09-2016.10根据仿真结果，进行相应的分析，得出结论。 2016.11-2016.12 撰写毕业论文，准备答辩。 谢谢聆听！ Thanks for listening！ 指导老师 ： 汇报人 ：
