【摘要】：全墊升氣墊船作為高性能船舶的代表,具有對(duì)多種地形適應(yīng)能力強(qiáng)、航行速度快的優(yōu)點(diǎn)。但由于其特殊的航行機(jī)理,在航行過(guò)程中存在操縱性差、安全性差,以及氣墊不穩(wěn)定的固有缺陷。因此,為了保證氣墊船的操縱性與安全性,在水平面上對(duì)航跡向進(jìn)行控制,在垂直面上對(duì)墊升壓力進(jìn)行控制是十分有必要的。本文根據(jù)氣墊船受環(huán)境干擾影響大、模型不確定性大、非線性明顯等特點(diǎn),選擇模糊滑模算法進(jìn)行控制器設(shè)計(jì),從運(yùn)動(dòng)控制的角度保障氣墊船的高速安全航行。主要研究?jī)?nèi)容如下:第一,建立氣墊船運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,研究全墊升氣墊船的運(yùn)動(dòng)機(jī)理,為控制器設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。只有在合理的、符合實(shí)船特性的模型下,對(duì)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究才具有實(shí)際的應(yīng)用意義。首先,建立固定坐標(biāo)系與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系。其次,通過(guò)對(duì)氣墊船的分析,建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。同時(shí),采用分塊建模思想,對(duì)空氣動(dòng)力、水動(dòng)力以及各操縱面進(jìn)行分塊建模,建立動(dòng)力學(xué)模型。并最終得到氣墊船六自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。此外,還建立了包括海風(fēng)、海浪的環(huán)境模型。最后,通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證所建立模型符合實(shí)船特性。第二,氣墊船由于其特殊的航行機(jī)理,極易受到外界環(huán)境干擾而改變航向。因此,有必要對(duì)氣墊船的航向控制方法進(jìn)行研究與設(shè)計(jì),本文采用模糊滑模方法實(shí)現(xiàn)氣墊船的航向控制。首先,介紹了滑�？刂频脑�,主要包括其基本概念及數(shù)學(xué)描述、控制器設(shè)計(jì)過(guò)程、控制律的推導(dǎo)及穩(wěn)定性的判別。其次,建立普通滑�？刂破�,并通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)易系統(tǒng)的仿真試驗(yàn),顯示出其在控制過(guò)程中存在較大抖振。在此基礎(chǔ)上,分析抖振產(chǎn)生的主要原因及解決辦法,并選擇模糊方法與滑模相結(jié)合。最后,分別采用普通滑�？刂破髋c模糊滑�？刂破�,并結(jié)合氣墊船模型,分別在無(wú)風(fēng)及有風(fēng)的條件進(jìn)行航向跟蹤仿真對(duì)比試驗(yàn),證明所設(shè)計(jì)模糊滑模算法的有效性。第三,面向氣墊船高速安全航行運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需求,為改善其在水平面上的安全性和操縱性,減輕駕駛員的操作負(fù)擔(dān),對(duì)氣墊船的航跡向控制方法進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。本文采用改進(jìn)的積分視覺(jué)導(dǎo)引律(integral line-of-sight,ILOS),結(jié)合設(shè)計(jì)的航向控制器,實(shí)現(xiàn)氣墊船航跡向控制。首先,對(duì)閉環(huán)導(dǎo)引律進(jìn)行研究,介紹了偏差導(dǎo)引律、視覺(jué)導(dǎo)引律(line-of-sight,LOS),并根據(jù)氣墊船航跡向控制需求設(shè)計(jì)了航跡偏差導(dǎo)引律以及改進(jìn)ILOS導(dǎo)引律。其次,在此基礎(chǔ)上,對(duì)氣墊船航跡向控制策略進(jìn)行分析,給出了期望路徑的確定方法、航跡向計(jì)算方法以及路徑切換時(shí)的導(dǎo)引律。再次,根據(jù)直接法的控制策略,設(shè)計(jì)基于航跡偏差閉環(huán)導(dǎo)引的氣墊船航跡向控制系統(tǒng)。同時(shí),根據(jù)間接法的控制思想,采用分層控制結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)基于改進(jìn)ILOS閉環(huán)導(dǎo)引的氣墊船航跡向控制系統(tǒng)。最后,分別在不同環(huán)境下對(duì)兩個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真對(duì)比試驗(yàn)。第四,墊升系統(tǒng)是氣墊船的關(guān)鍵所在,從根本上決定了其操縱性與安全性。為減少氣墊船在航行中升沉方向上的顛簸,即“鵝卵石效應(yīng)”,對(duì)氣墊船的墊升壓力控制方法進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。首先,重點(diǎn)求解了墊升增壓風(fēng)扇、氣墊體積變化率以及圍裙泄流量的壓力—流量公式,并建立了墊升系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。其次,針對(duì)其控制需求,選擇滑模控制方法,控制增壓風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。再次,設(shè)計(jì)普通滑�？刂破�,并結(jié)合模糊方法的萬(wàn)能逼近原理設(shè)計(jì)自適應(yīng)模糊滑�？刂破�。最后,設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)。分別采用普通滑�？刂破髋c自適應(yīng)模糊滑模控制器,并結(jié)合氣墊船模型,分別在無(wú)風(fēng)及有風(fēng)的條件進(jìn)行墊升壓力控制仿真對(duì)比試驗(yàn)。
【圖文】：

并試制了 BH7、SRN6、VT-2、Griffon 2000 TD 等艦艇[8]，其中最為出名的便是 Griffon 8000TD，如圖1.1 所示。目前已有 80 余艘該系列共六種氣墊船被世界上各國(guó)海軍部隊(duì)訂購(gòu)。圖 1.1 英國(guó) Griffon 8000TD 型氣墊船與英國(guó)不同，美國(guó)的研究更傾向于側(cè)壁式。自1960 年開(kāi)始，美國(guó)經(jīng)過(guò) XRI 和 SES-100這兩個(gè)系列的試制，不斷改進(jìn)，于 1978 年成功研制出 JEFFA 型、JEFFB 型氣墊登陸艇[9]。并通過(guò)進(jìn)一步的研究試制，研發(fā)出新一代——LCAC（Landing Craft, Air Cushioned）。隨后，美國(guó)海軍開(kāi)展延壽項(xiàng)目 SLEP（service life extension program）。該項(xiàng)目在延長(zhǎng)其服役壽命的同時(shí)，也進(jìn)一步增強(qiáng)了 LCAC 的性能。此外，美國(guó)在輕型氣墊船領(lǐng)域也頗有建樹(shù)。由此可見(jiàn)，美國(guó)的氣墊船水平也已處于世界領(lǐng)先[6]。圖 1.2 美國(guó) LCAC 氣墊登陸艇俄羅斯在經(jīng)歷首代中型氣墊船“卡里瑪爾”以及后兩代試驗(yàn)艇后[10]

圖 1.1 英國(guó) Griffon 8000TD 型氣墊船與英國(guó)不同，美國(guó)的研究更傾向于側(cè)壁式。自1960 年開(kāi)始，美國(guó)經(jīng)過(guò) XRI 和 SES-100這兩個(gè)系列的試制，不斷改進(jìn)，，于 1978 年成功研制出 JEFFA 型、JEFFB 型氣墊登陸艇[9]。并通過(guò)進(jìn)一步的研究試制，研發(fā)出新一代——LCAC（Landing Craft, Air Cushioned）。隨后，美國(guó)海軍開(kāi)展延壽項(xiàng)目 SLEP（service life extension program）。該項(xiàng)目在延長(zhǎng)其服役壽命的同時(shí)，也進(jìn)一步增強(qiáng)了 LCAC 的性能。此外，美國(guó)在輕型氣墊船領(lǐng)域也頗有建樹(shù)。由此可見(jiàn)，美國(guó)的氣墊船水平也已處于世界領(lǐng)先[6]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TP273;U674.943

【相似文獻(xiàn)】

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9 朱超;大型氣墊船操縱特性與航向控制方法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2016年

10 魯彬;氣墊船進(jìn)塢過(guò)程控制方法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2016年

本文編號(hào)：2628628