全墊升氣墊船墊升姿態(tài)控制方法研究.pdf

1、全墊升氣墊船作為一種特殊的現(xiàn)代船舶，因其良好的適航性和兩棲性而在多個(gè)領(lǐng)域尤其是軍事領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。氣墊船通過墊升風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣流，經(jīng)由圍裙通道，向船底氣室供氣，依靠氣墊產(chǎn)生的墊升壓力以支撐船體懸浮于水面或地面航行，以此減小船體和接觸面之間的阻力、增大航速可調(diào)范圍，使其具有極高的機(jī)動(dòng)性。
　　但是，由于氣墊船獨(dú)特的航行機(jī)理和墊升特性，高速航行過程中，操舵改變航向，耦合作用產(chǎn)生的劇烈橫傾極易導(dǎo)致高速甩尾，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的側(cè)滑甚至翻船事故。而

2、在復(fù)雜環(huán)境的干擾下，氣墊壓力控制不當(dāng)極易導(dǎo)致船體低頭埋首，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的撞擊和運(yùn)行故障。全墊升氣墊船的這些不穩(wěn)定性多是由復(fù)雜多變的姿態(tài)造成，因此針對(duì)氣墊船墊升姿態(tài)控制的研究是十分必要的。
　　針對(duì)氣墊船各姿態(tài)之間的耦合作用，本文運(yùn)用解耦控制思想消除耦合干擾。基于氣墊船運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)狀態(tài)空間的狀態(tài)反饋法，設(shè)計(jì)航向—橫傾解耦控制器和升沉—縱傾解耦控制器對(duì)其航行過程中的墊升姿態(tài)進(jìn)行控制并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，研究?jī)?nèi)容如下：
　　首先，

3、采用了分塊建模思想建立氣墊船操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。包括推進(jìn)系統(tǒng)中的螺旋槳和空氣舵力學(xué)分析；墊升系統(tǒng)中的氣墊力和墊升風(fēng)機(jī)壓力—流量分析；輔助系統(tǒng)中的艏噴管和側(cè)風(fēng)門力學(xué)分析；綜合每個(gè)單模型產(chǎn)生的力和力矩，完成整體建模；仿真結(jié)果表明所建模型符合實(shí)船運(yùn)動(dòng)特性。
　　其次，根據(jù)狀態(tài)空間解耦控制理論，設(shè)計(jì)了基于狀態(tài)反饋的航向—橫傾解耦控制器。與常規(guī)的PID航向控制器相比，航向—橫傾解耦控制器不僅可以實(shí)現(xiàn)航向的預(yù)期控制，而且可以消除耦合作用的影響，

4、抑制橫傾角的劇烈變化，從而穩(wěn)定回轉(zhuǎn)率，有效控制了船體水平面姿態(tài)。
　　再次，建立了墊升系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并采多維牛頓迭代法解算任意時(shí)刻氣室和風(fēng)扇的壓力，并重點(diǎn)分析了氣墊力模型中的波浪泵氣運(yùn)動(dòng)。仿真結(jié)果表明所建墊升系統(tǒng)模型符合實(shí)船的壓力特性以及墊升特性。
　　最后，研究了墊升系統(tǒng)和升沉—縱傾運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，設(shè)計(jì)了基于狀態(tài)反饋的升沉—縱傾解耦控制器。引入升沉阻尼和升沉穩(wěn)定性概念作為控制效果驗(yàn)證指標(biāo)。升沉—縱傾解耦控制器可以消除耦合作用的