气垫船垫升姿态运动特性及非线性解耦控制方法研究

Complexity of maneuver and seriousness of "cobblestone effect" have become critical factors that hinder the development of air cushion vehicle. Take a certain air cushion vehicle as the object of study, heave and attitude control method is studied to improve the ship's stability, navigability and shipping security. Theory analysis and numerical computation methods are adopted to construct mathematic model of the air cushion system and mathematic model of the ship's six degree of freedom motion. Simulate computation method is adopted to research the characteristic of the ship's heave and attitude at rough sea, and the intention is reveal the law of heave and attitude change. Nonlinear system analysis method is used to analyze the vertical motion stability, and provide scientific basis for control method research. The key factor that affects the heave and attitude motion of air cushion vehicle is cushion pressure. The rotational speed of air intake fan is controlled to change the air flow into cushion, and then the cushion pressure is regulated automatically. So, the heave and attitude control is accomplished. The decoupled control strategy based on active disturbance rejection control theory is adopted. Online adjusting of control paremeter is considered at same time to achieve precise control on cushion pressure, so well control effect can obtain. Through this project research, the level of understanding about air cushion vehicle heave and attitude motion characteristic can be raised. At same time, theory foundation can be established to improve air cushion vehicle navigability.

全垫升气垫船复杂的操控特性和严重的"漂石效应"已经成为制约其发展的关键因素。本项目以某全垫升气垫船为研究对象，以改善稳定性、适航性和航行安全性为目标，研究气垫船的垫升姿态控制方法。采用理论分析和数值计算的方法建立垫升系统数学模型和气垫船空间六自由度运动数学模型；采用仿真计算和非线性系统分析的方法研究气垫船的垫升姿态运动响应特性，揭示气垫船在风浪中航行时的垫升姿态变化规律，分析垂向运动稳定性，为垫升姿态控制方法的研究提供依据。影响气垫船垫升姿态的关键因素是气垫压力，所以对垫升风机转速进行控制从而改变气垫的进气量，进而达到气垫压力的自动调节实现垫升姿态的控制。控制策略采用基于自抗扰理论的解耦控制方法，并考虑对参数在线整定，以实现对气垫压力的精确控制，达到良好的垫升姿态控制效果。通过本项目的研究，将提高对气垫船垫升姿态运动特性的研究水平，为改善气垫船的适航性问题奠定理论基础。

由于全垫升气垫船在水面高速航行，又缺少水下回转装置，在回转操纵时容易侧滑，并产生横倾，影响垫升性；而气垫船在波浪中航行时，由于垫升压力的不断变化，在产生较大的垂向加速度的同时，也会产生横倾力矩，改变横倾姿态。总之，全垫升气垫船的升沉与横倾自由度之间总是存在相互耦合影响的，为了改善垫升性能，需要对全垫升气垫船的垫升姿态运动进行解耦控制研究。.首先，基于船模实验数据利用分离型建模方法得到全垫升气垫船各个部分的力及力矩，并由动量定理和动量矩得到全垫升气垫船的六自由度微分方程，建立了动力学模型。然后编制仿真程序软件建立了气垫船六自由度运动的仿真模型，进行了直航以及回转仿真试验，对建立的全垫升气垫船数学模型和仿真模型进行验证。.其次，对于复杂的垫升系统数学模型进行单独建模。它由垫升风扇压力-流量模型，气垫体积变化模型，围裙泄流量模型三部分组成。用多维牛顿迭代法求解垫升系统数学模型的气垫压力和风扇压力。并引入升沉稳性导数和升沉阻尼系数对全垫升气垫船的静垫升性进行了分析。.然后，设计了垫升姿态运动的自抗扰控制器，它主要由四个部分组成：安排过渡过程的微分跟踪器，扰动估计的扩张状态观测器，非线性控制律的误差反馈，以及最后的动态线性补偿。.最后，通过对解耦过程的分析，得到了多变量系统自抗扰解耦控制的标准形式。将全垫升气垫船的升沉-横倾数学模型进行简化变形后，也将其转化成符合自抗扰解耦控制的标准形式，然后利用自抗扰控制方法对全垫升气垫船的升沉-横倾进行解耦控制研究，并进行了仿真试验验证，仿真结果表明了所设计算法的有效性。.本课题针对全垫升气垫船的“漂石效应”，采用自抗扰理论研究了气垫船垫升姿态的解耦控制方法。所提的垫升姿态解耦控制可有效的改善气垫船在海浪干扰时的垫升性能、增强垫升系统的稳定性。研究结果为气垫船垫升控制技术的发展开辟了新的思路，同时为气垫船垫升控制系统设备的研制奠定了基础。