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)境擾動時,航向極易改變。回轉(zhuǎn)時,船體橫傾,一舷漏氣,容易出現(xiàn)大橫傾-大側(cè)滑的危險航行狀態(tài)。在水面航行時,波浪會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、針對全墊升氣墊船難以控制的特點,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自由度運動數(shù)學(xué)模型。根據(jù)船模水池實驗及風(fēng)洞試驗,得到了水動力模型及空氣動力模型;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)進行合成,進而得到了全墊升氣墊船6自由度運動數(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,深入研究了具有動態(tài)補償線性化功能、不依賴被控對象精確數(shù)學(xué)模型的自抗擾控制策略。根據(jù)一般狀態(tài)觀測器理論,對擴張狀態(tài)觀測器(ExtendedStateOvbserver,ESO)的穩(wěn)定性及誤差范圍進行了分析。在跟蹤微分器(TrackingDifferentiator,TD)設(shè)計過程中,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)針對全墊升氣墊船航行控制特點而對自抗擾控制策略作出的改進奠定了基礎(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)率進行航向控制,避免了側(cè)滑角經(jīng)常進入安全限界。針對全墊升氣墊船對環(huán)境擾動敏感,運動非線性強,運動數(shù)學(xué)模型難以準(zhǔn)確建立等特點,提出了一種基于支持向量回歸機的參數(shù)自整定自抗擾控制算法,明顯增強了所設(shè)計航向控制器、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)行機構(gòu)為空氣舵)和橫傾控制通道(執(zhí)行機構(gòu)為艏噴管)的控制耦合問題。提出了一種動態(tài)面ADRC控制算法,利用動態(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,又解決了動態(tài)面控制算法對系統(tǒng)精確模型的高度依賴。
　　最后,研究了墊升系統(tǒng)運動及靜態(tài)特性,設(shè)計了基于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