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气垫船特有操纵装置在航向控制中的应用研究

作　者: 胡妍妍
导　师: 林孝工
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 全垫升气垫船运动建模航向控制遗传算法 PID控制器
分类号: U664.82
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 41次
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内容摘要

全垫升气垫船是一种高性能船舶,其结构与其它船只有很大的不同,它由下面的气垫压力承担船体重量,通过气垫层使船体与水面或地面隔离。采用空气螺旋桨推进,具有水陆两栖性。由于全垫升气垫船本身的特点,使得气垫船在操纵控制方面与其它运载工具有很大的不同,由于没有水下器件,因此不能像普通船舶一样通过水下器件产生回转向心力,也不能像飞机通过副翼产生侧向的动升力来实现回转。气垫船通过空气舵产生回转力,但由于船浮在水面上,船的水阻力很小,偏航阻力也很小,因而在操舵时很容易产生侧漂,船艏向角也很容易改变,但航迹却没有实现真正的回转。在侧风作用下,气垫船的一弦容易侧漏,产生侧漂,横倾等,在气垫船的航速较低时,气垫船很难控制。此时可以启动气垫船特有的操纵装置来对气垫船进行操纵控制。本论文研究了气垫船的特有操纵装置(执行机构)在气垫船航向控制中的应用。气垫船的特有操纵装置包括旋转喷管、螺旋桨、侧风门。利用这些执行机构对气垫船进行航向控制和回转控制。本论文以某型气垫船为对象,首先对全垫升气垫船各个部分建模,分别建立了气动力模型、水动力模型、螺旋桨推力模型、空气舵力模型、侧风门力模型和旋转喷管推力模型,最后在固定坐标系下运用刚体的动力学定理得到了气垫船的运动方程,将其转换到适合于表达水动力的运动坐标系中,完成了气垫船四自由度运动数学模型的建立。然后进行船模仿真试验,用以检验所建立模型的正确性。其次,研究了遗传算法的基本理论和基于遗传算法优化PID控制器参数的理论与方法,并针对本文的控制目的设计了基于遗传算法整定的PID控制器。最后为旋转喷管和螺旋桨分别设计PID控制器和基于遗传算法优化的PID控制器,用来控制气垫船的航向。分别进行了无风仿真试验和有风仿真试验,用以验证操纵装置的有效性和遗传算法的优越性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 引言  10-11
  1.2 国内外气垫船的研究状况  11-14
    1.2.1 国外气垫船的研究状况  12-14
    1.2.2 国内气垫船的研究状况  14
  1.3 全垫升气垫船工作原理简介  14-16
  1.4 课题研究的意义和本论文主要工作  16-18
第2章气垫船四自度模型的建立  18-28
  2.1 气垫船空间运动坐标系的建立  18-21
    2.1.1 固定坐标系  18
    2.1.2 运动坐标系  18-19
    2.1.3 固定坐标系与运动坐标系之间的转换  19-21
  2.2 全垫升气垫船的气动力模型  21-22
  2.3 全垫升气垫船的水动力模型  22-23
  2.4 全垫升气垫船的空气舵舵力数学模型  23
  2.5 全垫升气垫船的特有操纵装置数学模型  23-25
    2.5.1 旋转喷管数学模型  23-24
    2.5.2 螺旋桨数学模型  24-25
    2.5.3 侧风门力数学模型  25
  2.6 全垫升气垫船操纵运动数学模型  25-27
    2.6.1 力和力矩的合成  25-26
    2.6.2 气垫船操纵运动微分方程  26-27
  2.7 本章小结  27-28
第3章全垫升气垫船回转操纵性能研究  28-37
  3.1 旋转喷管回转操纵性能  28-29
  3.2 桨距差回转操纵性能  29-30
  3.3 侧风门回转操纵性能  30-32
  3.4 空气舵回转操纵性能  32-33
  3.5 风对气垫船回转特性的影响  33-36
    3.5.1 风对旋转喷管回转运动的影响  33-34
    3.5.2 风对桨距差回转运动的影响  34
    3.5.3 风对侧风门回转运动的影响  34-35
    3.5.4 风对操舵回转运动的影响  35-36
  3.6 本章小结  36-37
第4章遗传算法在气垫船航向控制中的应用  37-51
  4.1 遗传算法简介  37-40
    4.1.1 遗传算法概述及其发展  37-38
    4.1.2 遗传算法的应用  38-40
  4.2 遗传算法基本理论的研究  40-44
    4.2.1 遗传算法基本操作步骤  41-42
    4.2.2 遗传算法的优化设计  42-44
  4.3 基于遗传算法的PID控制器的设计  44-50
    4.3.1 遗传算法整定PID参数的优点  44-45
    4.3.2 基于遗传算法的PID整定原理  45-47
    4.3.3 遗传算法整定的PID控制器在气垫船航向控制中的应用  47-50
  4.4 本章小结  50-51
第5章气垫船航向控制仿真  51-63
  5.1 操纵旋转喷管控制气垫船航向仿真试验  51-56
    5.1.1 无风航向控制仿真试验  51-53
    5.1.2 定常风向定常风速的气垫船航向控制仿真试验  53-55
    5.1.3 定常风向变风速的气垫船航向控制仿真试验  55-56
  5.2 操纵螺旋桨的桨距差控制气垫船航向仿真试验  56-61
    5.2.1 无风航向控制仿真试验  56-58
    5.2.2 定常风速变风向的气垫船航向控制仿真试验  58-61
    5.2.3 定常风向变风速的气垫船航向控制仿真试验  61
  5.3 本章小结  61-63
结论  63-64
参考文献  64-68
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  68-69
致谢  69

气垫船特有操纵装置在航向控制中的应用研究

内容摘要

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