高速滑行艇运动建模与控制方法研究

• 作 者: 王富云
• 出 处: 哈尔滨工程大学
• 发表日期: 2017年期
• 关键词: 高速滑行艇 断级槽道艇 CFD数值模拟 H_∞鲁棒控制

高速滑行艇的产生在船舶发展史上是一个重要的里程碑,小巧的身形、灵活的的操纵性以及快速性使高速滑行艇很快受到了军事和民用方面的青睐。随着计算机技术的发展,关于滑行艇船型设计和控制方法研究从未间断,从单体船到多体船,从单M型槽道艇到多M型槽道艇,从最初的PID控制到现在的混合智能控制,高速船的发展突飞猛进。本文所研究的高速滑行艇为断级槽道艇,从船型角度来讲,该艇要比普通的平板滑行艇在减小阻力方面有较大的优势,因为在高速艇滑行阶段,无论是断级还是槽道都可以减少高速艇的浸湿面积,进而减小粘性阻力,断级的设计则将动升力的集合点分散为几个平板的受力,增加了艇体航行的稳定性;从控制系统来讲,高速艇的航行状态复杂,这给控制系统的设计带来一定的困难。本文对高速滑行艇运动建模、CFD数值模拟以及航速航向控制进行研究。首先是选取适当的坐标系,并对惯性系和船体坐标系之间的运动关系进行转换分析。根据高速滑行艇自身运动特点对水动力的种类做出初步分析,并建立了高速滑行艇通用六自由度数学模型。其次,由于本高速滑行艇在槽道和断级设计方面的特殊性,普通平板滑行艇建模理论分析已经不适用于断级槽道艇,所以本文利用CFD数值模拟技术对滑行艇航行过程中的附加质量、阻尼系数以及水动力导数等进行数值模拟,同时对该艇所受到的动升力做出整体分析,与理论计算相结合得出各类水动力具体的力和力矩表达式,经简化得到五自由度操纵模型,并对该五自由度模型进行了开环特性验证。最后,在航速航向控制的研究中,针对系统特性,并考虑到高速滑行艇航行过程中不确定性干扰的影响,本研究选用H_∞鲁棒控制中混合灵敏度算法,对航速航向控制器进行设计,根据经验进行了加权函数的选择。同时还利用闭环增益成形法进行了算法和仿真结果比对,结果表明,就舵桨一体的高速滑行艇而言,虽然闭环增益成形算法的响应时间短,但是超调量大,就整体控制效果而言,混合灵敏度算法的鲁棒性较高。