【摘要】：高速翼航狀態(tài)下的全浸式水翼艇能夠依靠水翼上產(chǎn)生的升力將船體完全托出水面,克服了興波阻力和摩擦阻力對(duì)船體的影響,大大減輕了船體所受的海浪沖擊,具有優(yōu)良的適航性。然而,在翼航狀態(tài)下,全浸式水翼艇缺少必要的靜穩(wěn)定性,這就對(duì)全浸式水翼艇動(dòng)力學(xué)姿態(tài)鎮(zhèn)定與航跡引導(dǎo)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與魯棒性提出了更高的要求。本文提出全浸式水翼艇橫向運(yùn)動(dòng)姿態(tài)魯棒控制技術(shù),通過(guò)研究翼航狀態(tài)下的全浸式水翼艇橫向運(yùn)動(dòng)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué),探究水翼艇橫向運(yùn)動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定魯棒控制策略,以保證全浸式水翼艇高速運(yùn)動(dòng)時(shí)橫向運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的全局穩(wěn)定性。本論文主要開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的研究工作:首先,對(duì)論文相關(guān)內(nèi)容的研究進(jìn)展、所存在的問(wèn)題及論文的整體思路進(jìn)行闡述。針對(duì)全浸式水翼艇的橫向運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制,分析了全浸式水翼艇的水翼布置方案,并針對(duì)全浸式水翼艇的運(yùn)動(dòng)特性給出了其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與設(shè)備構(gòu)成;基于該總體設(shè)計(jì)方案,針對(duì)航向鎮(zhèn)定與航跡控制問(wèn)題,提出了全浸式水翼艇艏搖/橫搖聯(lián)合控制方案與航跡跟隨控制方案的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu);分析了全浸式水翼艇橫向平面操縱運(yùn)動(dòng)模型,對(duì)水翼系統(tǒng)和支柱系統(tǒng)的受力情況進(jìn)行了水動(dòng)力學(xué)分析,并針對(duì)規(guī)則波與隨機(jī)海浪作用下全浸式水翼艇橫向運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的受擾運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析。其次,針對(duì)翼航狀態(tài)下的全浸式水翼艇艏搖/橫搖魯棒聯(lián)合控制問(wèn)題,進(jìn)行了基于迭代學(xué)習(xí)策略的全浸式水翼艇艏搖/橫搖輸出反饋滑模魯棒控制研究。將迭代學(xué)習(xí)策略融入到狀態(tài)觀(guān)測(cè)器與滑�？刂破鞯脑O(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)了迭代學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)全浸式水翼艇艏搖/橫搖動(dòng)力學(xué)模型中系統(tǒng)狀態(tài)與集總干擾的一體化估計(jì);利用迭代學(xué)習(xí)觀(guān)測(cè)器重構(gòu)出的系統(tǒng)狀態(tài)觀(guān)測(cè)值設(shè)計(jì)了一種迭代學(xué)習(xí)滑�？刂坡�,提高了全浸式水翼艇艏搖/橫搖姿態(tài)控制的干擾抑制性能,降低了系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)的保守性。接著,為了在艏搖/橫搖聯(lián)合控制策略的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)全浸式水翼艇艏搖動(dòng)力學(xué)與橫搖動(dòng)力學(xué)狀態(tài)軌線(xiàn)的時(shí)間尺度特征及艏搖/橫搖動(dòng)力學(xué)的耦合攝動(dòng)特性對(duì)控制器設(shè)計(jì)的影響,進(jìn)行了全浸式水翼艇艏搖/橫搖雙時(shí)標(biāo)輸出反饋奇異擾動(dòng)控制策略研究。將測(cè)量系統(tǒng)的隨機(jī)噪聲特性納入狀態(tài)觀(guān)測(cè)器的設(shè)計(jì)與分析中,基于無(wú)源性理論進(jìn)行狀態(tài)觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì),利用包含測(cè)量噪聲的系統(tǒng)輸出對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行重構(gòu),從而獲得艏搖/橫搖動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)控制所需的全部狀態(tài)變量。進(jìn)而基于奇異擾動(dòng)理論,挖掘艏搖動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)與橫搖動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的不同時(shí)間尺度特征,設(shè)計(jì)了艏搖/橫搖雙時(shí)標(biāo)控制策略以實(shí)現(xiàn)全浸式水翼艇艏搖與橫搖的姿態(tài)鎮(zhèn)定。然后,在翼航狀態(tài)全浸式水翼艇艏搖/橫搖聯(lián)合魯棒控制研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了全浸式水翼艇直線(xiàn)航跡跟隨級(jí)聯(lián)干擾抑制控制策略的研究,針對(duì)全浸式水翼艇的運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)的航跡引導(dǎo)任務(wù)與動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的姿態(tài)跟蹤任務(wù)進(jìn)行級(jí)聯(lián)控制律設(shè)計(jì)�；趯�(duì)傳統(tǒng)視線(xiàn)法引導(dǎo)律和全浸式水翼艇的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性?xún)煞矫娴纳钊胩骄?提出了特別用于全浸式水翼艇的具有橫傾約束的雙通道航跡引導(dǎo)策略。進(jìn)而針對(duì)航跡引導(dǎo)系統(tǒng)獲得的期望艏向角與期望橫傾角,設(shè)計(jì)了基于擴(kuò)張狀態(tài)觀(guān)測(cè)器的指令濾波反步控制策略,實(shí)現(xiàn)了對(duì)期望艏向角與期望橫傾角的跟蹤。通過(guò)仿真驗(yàn)證,證實(shí)了所設(shè)計(jì)的雙通道引導(dǎo)算法的有效性與橫向姿態(tài)控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)集總干擾的魯棒性。最后,為進(jìn)一步提高全浸式水翼艇翼航狀態(tài)下的機(jī)動(dòng)性,進(jìn)行了基于自適應(yīng)橫漂補(bǔ)償?shù)娜剿硗�(xiàn)航跡跟隨魯棒積分控制研究。通過(guò)對(duì)路徑規(guī)劃法則進(jìn)行評(píng)估,設(shè)計(jì)了基于三次樣條插值法的曲線(xiàn)航線(xiàn)生成策略。基于浸入—不變集理論提出了一種自適應(yīng)魯棒雙通道引導(dǎo)算法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)期望艏向角中未知側(cè)滑角的估計(jì)與補(bǔ)償。針對(duì)全浸式水翼艇翼航狀態(tài)的航向/橫傾姿態(tài)跟蹤控制問(wèn)題研究了非線(xiàn)性魯棒積分控制策略,利用連續(xù)的控制器輸出完成了水翼艇橫向姿態(tài)受擾狀態(tài)下的漸進(jìn)跟蹤,并保證了由運(yùn)動(dòng)學(xué)子系統(tǒng)與動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)組成的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)在集總干擾作用下的全局一致漸近穩(wěn)定。系統(tǒng)仿真證實(shí)了所提出的航線(xiàn)生成方法的實(shí)用性,驗(yàn)證了全浸式水翼艇的高機(jī)動(dòng)性與所提出的級(jí)聯(lián)式航跡引導(dǎo)與姿態(tài)控制策略的魯棒性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TP273;U664.82
【圖文】：

圖 1.6 美國(guó)海軍裝備研究院全浸式水翼無(wú)人艇概念圖ig.1.6 the concept of unmanned fully submerged hydrofoil vessel by ON 月，俄羅斯阿列克謝耶夫設(shè)計(jì)局的質(zhì)量部門(mén)負(fù)責(zé)人梅列什水翼艇的建造。計(jì)劃 2020 年開(kāi)始建造 2000-3000 噸的全浸

圖2.1 PCH-1全浸式水翼艇Fig.2.1 the PCH-1 USS High Point fully submerged hydrofoil vessel艏水翼襟翼尾水翼襟翼副翼

圖 2.8 利用協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎進(jìn)行機(jī)動(dòng)的全浸式水翼艇ubmerged hydrofoil vessel maneuvering in the comgFc LFVLHL圖 2.9 協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎狀態(tài)的受力分析Fig.2.9 The force analysis of the coordinated turn

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2784715