全墊升氣墊船安全航行自抗擾控制策略研究.pdf

1、作為典型的兩棲高性能船舶,全墊升氣墊船在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特殊的航行機(jī)理使全墊升氣墊船能夠脫離水面(地面)航行,但也造成其操縱性與常規(guī)水面船有明顯差別。由于船體與航行表面之間的阻力很小,受環(huán)境擾動(dòng)時(shí),航向極易改變?；剞D(zhuǎn)時(shí),船體橫傾,一舷漏氣,容易出現(xiàn)大橫傾-大側(cè)滑的危險(xiǎn)航行狀態(tài)。在水面航行時(shí),波浪會(huì)造成圍裙底部泄流面積、氣墊體積的周期性改變,以致氣墊壓力大范圍變化,進(jìn)而造成船體垂向加速度劇烈改變,使全墊升氣墊船適航性較差。

2、針對(duì)全墊升氣墊船難以控制的特點(diǎn),研究其安全、高效、精確的航行控制方法是有必要的,因此,本課題基于自抗擾控制策略(ActiveDisturbanceRejectionControl,ADRC)研究了全墊升氣墊船航行控制問題。
　　首先,建立了全墊升氣墊船6自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)船模水池實(shí)驗(yàn)及風(fēng)洞試驗(yàn),得到了水動(dòng)力模型及空氣動(dòng)力模型;考慮增壓風(fēng)扇吸入的空氣需被加速到全墊升氣墊船航行速度,得到了空氣動(dòng)量力模型;根據(jù)墊升系統(tǒng)結(jié)構(gòu),建立了

3、氣墊力模型,將各自由度的合外力(矩)進(jìn)行合成,進(jìn)而得到了全墊升氣墊船6自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,為后續(xù)安全航行控制問題奠定了基礎(chǔ)。
　　然后,深入研究了具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線性化功能、不依賴被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的自抗擾控制策略。根據(jù)一般狀態(tài)觀測(cè)器理論,對(duì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ExtendedStateOvbserver,ESO)的穩(wěn)定性及誤差范圍進(jìn)行了分析。在跟蹤微分器(TrackingDifferentiator,TD)設(shè)計(jì)過程中,引入了fsun(

4、?)函數(shù),有效地消除了系統(tǒng)狀態(tài)的顫振現(xiàn)象。分析了非線性狀態(tài)誤差反饋控制律(NonlinearStateErrorFeedback,NLSEF)的穩(wěn)定性。為后續(xù)針對(duì)全墊升氣墊船航行控制特點(diǎn)而對(duì)自抗擾控制策略作出的改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。
　　其次,研究了基于ADRC的全墊升氣墊船航向及航跡控制方法。設(shè)計(jì)了全墊升氣墊船ADRC航向控制器、航跡引導(dǎo)控制器。根據(jù)自抗擾控制理論中的安排過渡過程思想,提出了回轉(zhuǎn)率-航向協(xié)調(diào)控制策略,使全墊升氣墊船以安

5、全的回轉(zhuǎn)率進(jìn)行航向控制,避免了側(cè)滑角經(jīng)常進(jìn)入安全限界。針對(duì)全墊升氣墊船對(duì)環(huán)境擾動(dòng)敏感,運(yùn)動(dòng)非線性強(qiáng),運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型難以準(zhǔn)確建立等特點(diǎn),提出了一種基于支持向量回歸機(jī)的參數(shù)自整定自抗擾控制算法,明顯增強(qiáng)了所設(shè)計(jì)航向控制器、航跡引導(dǎo)控制器的自適應(yīng)性,有效地改善了控制效果。
　　再次,研究了基于ADRC的全墊升氣墊船航向-橫傾解耦控制方法。針對(duì)全墊升氣墊船航向控制過程中,經(jīng)常出現(xiàn)大橫傾-大側(cè)滑危險(xiǎn)航行狀態(tài),提出了一種航向-橫傾ADRC解耦控

6、制方法,解決了航向控制通道(執(zhí)行機(jī)構(gòu)為空氣舵)和橫傾控制通道(執(zhí)行機(jī)構(gòu)為艏噴管)的控制耦合問題。提出了一種動(dòng)態(tài)面ADRC控制算法,利用動(dòng)態(tài)面控制算法代替自抗擾控制策略中的NLSEF,這樣既提高了航向-橫傾解耦控制的效率,又解決了動(dòng)態(tài)面控制算法對(duì)系統(tǒng)精確模型的高度依賴。
　　最后,研究了墊升系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)及靜態(tài)特性,設(shè)計(jì)了基于ADRC的氣墊壓力控制方法。在基本假設(shè)條件下,建立墊升系統(tǒng)的非線性壓力流量方程組。在墊升系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,研究