CN108545074A - 一种利用艏喷管实现全垫升气垫船航向控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种利用艏喷管实现全垫升气垫船航向控制的方法。(1)、由全垫升气垫船的位置坐标系和位置感应器得出气垫船的实际位置；(2)、获取全垫升气垫船的实时运动数据，通过实际位置和期望位置计算出气垫船位置偏差，所述实时运动数据包括艏向角、回转率、纵摇、横摇、横倾角；(3)、通过控制器来控制全垫升气垫船的艏喷管的角度，通过调整艏喷管的角度，对气垫船的回转率、纵摇、横摇、横倾角、艏向角进行调整，使气垫船的实际位置和期望位置的偏差为零。本发明实现了全垫升气垫船的航向控制，通过艏喷管实现对气垫船的航向进行控制，提高气垫船航行的稳定性和准确性。

Description

一种利用艏喷管实现全垫升气垫船航向控制的方法

技术领域

本发明涉及的是一种垫升气垫船航向控制方法，具体涉及的是一种利用艏喷管对全垫升气垫船的航向进行控制的方法。

背景技术

气垫船推动装置采用安装于艇尾的螺旋桨推动。但是，当其在低速运行时，因为螺旋桨推力较小、尾流速度低，导致空气舵的性能不佳。当气垫船航行时，气垫船和航行面是分开的，所受的摩擦力非常小，此时，如果用舵来抵挡侧面风的作用，那么容易产生侧滑，所以船的抗风性差。为解决此问题，各国运用了不同的技术措施。英国、美国等国采用艏喷管设计，俄罗斯则采用了在船的侧面安装侧风门的方法。艏喷管能作为辅推装置，还能改善船的耐波性。由于艏喷管能改善气垫船的操纵性能，提供多种操纵模式，因此被广泛应用。而在国内外的公开文献中，未见有将此方法应用到全垫升气垫船控制方法中的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高气垫船航行的稳定性和准确性的利用艏喷管实现全垫升气垫船航向控制的方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)、由全垫升气垫船的位置坐标系和位置感应器得出气垫船的实际位置；

(2)、获取全垫升气垫船的实时运动数据，通过实际位置和期望位置计算出气垫船位置偏差，所述实时运动数据包括艏向角、回转率、纵摇、横摇、横倾角；

(3)、通过控制器来控制全垫升气垫船的艏喷管的角度，通过调整艏喷管的角度，对气垫船的回转率、纵摇、横摇、横倾角、艏向角进行调整，使气垫船的实际位置和期望位置的偏差为零。

本发明还可以包括：

1、所述通过控制器来控制全垫升气垫船的艏喷管的角度具体包括：在PID控制器中，航行方向与设定方向进行比较得出航向偏差，航向偏差送向控制器，按照PID规律计算出舵力矩，之后送到舵角伺服机构，控制艏喷管工作，调整航向；当误差错落倒阈值范围以内时，采用模糊PID控制，在模糊PID控制器中，选择气垫船的航向偏差e和偏差变化率ec作为控制输入变量，舵力矩u作为控制输出变量。

2、所述全垫升气垫船的艏喷管是对称位于船艏两侧，能360°回转的喷管设备，艏喷管由风扇供气，艏喷管是由和风扇出口直接相连的减缩直通管、四分之一圆的弯管、涡轮风扇共同组成。

经过船模实验得到气垫船艏喷管喷管产生的力为：

T_nj＝C_n×Q_nj ²

其中，Q_nj——第j个艏喷管流量，j＝1、2；

C_n——艏喷管推力系数；

全垫升气垫船的艏喷管的数学力模型为：

其中F_tj—是第j个艏喷管的推力，j＝1,2；

Q_j—是第j个艏喷管的流量，j＝1，2；

P_j—气垫船升风扇的压力，j＝1,2；

C₁—喷管的流量系数；

C₂—垫升风扇的压力系数；

设艏喷管的安装位置是(x_n,y_n,z_n)，则艏喷管的数学模型为：

其中，为喷管角。

3、所述PID控制器的数学模型为：

其中δ为偏舵矩，ψ为航向偏差，K_p为PID控制的比例系数，K_d为PID控制微分系数，K_i为PID控制积分系数；

系统的期望位置和实际位置做差即为偏差：

e(t)＝r(t)-y(t)

将e(t)的P、I、D、环节经过组合形成控制量，用来操控被控对象，控制量的表达式为：

系统的传递函数形式为：

其中T_i为比例时间常数，T_d为微分时间常数，K_P为比例系数。

本发明提供了一种新的气垫船航向控制的方法，它实现了全垫升气垫船的航向控制，通过艏喷管实现对气垫船的航向进行控制，提高气垫船航行的稳定性和准确性。本发明的主要特征在于：

1、气垫船位置及姿态的获取

通过系统测得气垫船当前的位置信息，通过姿态传感器，电罗经等组成的姿态传感系统测得气垫船的艏向、回转率、横摇等姿态信息。对获取的信息进行处理，得到精准的气垫船位置及姿态信息。

2、构建艏喷管模型

艏喷管是对称位于船艏两侧，能360°回转的喷管设备。艏喷管通常由风扇供气，它由和风扇出口直接相连的减缩直通管，四分之一圆的弯管，涡轮风扇共同组成。它的动力装置是涡轮风扇产的高速气体从管口喷出获得的，进而能对气垫船进行辅助推行、制动、回转、抗侧漂等辅助运动，还能提供一定的横稳性或横倾能力的装置。艏喷管的风源来自于离心风扇的蜗壳出口。艏喷管的优点在于管头部分轻，所受到的力不大，构成比较简单，灵活性高。缺点是其喷气管的的喷气比比较低，需要更多的能源。艏喷管除了作为辅推装置外，还能改善船的耐波性。由于艏喷管能改善气垫船的操纵性能，提供多种操纵模式，因此被广泛应用。

3、对控制器进行设计

对于气垫船的控制器来说，在系统中设计两种控制器来对气垫船的航向进行控制，分别为PID控制器和模糊PID控制器，两种控制器。在PID控制器中，航行方向和设定方向进行比较得出航向偏差，航向偏差送向控制器，按照PID规律计算出舵力矩，之后送到舵角伺服机构，控制艏喷管工作，调整航向。在模糊PID控制器,选择气垫船的航向偏差e和偏差变化率ec作为控制输入变量，舵力矩u作为控制输出变量。

4、对所设计的利用艏喷管实现的全垫升气垫船运动控制进行仿真验证。

以某型全垫升气垫船为控制对象进行仿真。采用PID控制器和模糊PID控制器，将期望艏向与当前航行艏向的差值作为控制器的输入。在仿真实验前，设定航路点及一定的海洋环境干扰条件。最后，绘制出气垫船航迹变化曲线，以及横向速度、横倾角、回转角速度、侧滑角的变化曲线，检验该控制方法的正确性及有效性。

本发明包括以下有益效果：

1、本发明引入了航向控制的方法，对于气垫船的航向控制增加了一种新的控制方法-利用艏喷管来对全垫升气垫船的航向进行控制，从而提高了气垫船的稳定性和安全性。

2、本发明所引入的航向控制方法为PID控制和模糊PID控制，在控制效果方面进行了比较，对于气垫船的控制方法的比较选出品质更高的控制方法。

3、本发明通过对气垫船加以期望艏向角等，进行仿真实验，对艏喷管在气垫船控制方向上的作用做仿真图，从仿真图看出艏喷管对气垫船航向控制有明显的控制效果。

附图说明

图1是本发明中系统控制系统框图。

图2气垫船不同喷管角航迹变化曲线。

图3气垫船不同喷管角下的纵向速度、侧滑角、回转角速度、横倾角变化曲线。

图4不同控制器在气垫船运动控制中的影响。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的目的按以下步骤实现：

1、气垫船位置及姿态的获取

通过系统测得气垫船当前的位置信息，通过姿态传感系统测得船舶的艏向、回转率、横摇等姿态信息。对获取的信息进行处理，得到精准的气垫船位置及姿态信息。

2、构建艏喷管模型

艏喷管对称安装在全垫升气垫船船艏，能够360度旋转。它能对气垫船进行辅推、制动、回转、抗侧漂等辅助运动，还能提供一定的横倾性，改善船的耐波性，提供多种操纵模式。

经过船模实验确定全垫升气垫船艏喷管的数学力模型：

其中F_tj—是第j个艏喷管的推力，j＝1,2；

Q_j—是第j个艏喷管的流量，j＝1，2；

P_j—气垫船升风扇的压力，j＝1,2；

C₁—喷管的流量系数；

C₂—垫升风扇的压力系数；

假定艏喷管的安装位置是(x_n,y_n,z_n)，则艏喷管的数学模型为：

其中，为喷管角。

3、气垫船控制器

在系统中，采用两种控制方法，即PID控制和模糊PID控制。通过两种控制器在气垫船航向控制方面的影响选取较高品质的控制器

PID控制器在气垫船运动控制中的数学模型为：

其中δ为偏舵矩，ψ为航向偏差，K_p为PID控制的比例系数，K_d为PID控制微分系数，K_i为PID控制积分系数。

系统的期望位置和实际位置做差即为偏差：

e(t)＝r(t)-y(t)

将e(t)的P、I、D、环节经过组合形成控制量，控制量是用来操控被控对象，控制量的表达式为：

系统的传递函数形式为：

在PID控制器中，航行方向和设定方向进行比较的出航向偏差，航向偏差送向控制器，按照PID规律计算出舵力矩，之后送到舵角伺服机构，控制艏喷管，调整航向。

之后设计模糊PID控制器,当误差错落倒阈值范围以内时，采用模糊PID控制，以获得良好的稳态性能。选择气垫船的航向偏差e和偏差变化率ec作为控制输入变量，舵力矩u作为控制输出变量，其中航向偏差：e(t)＝Δψ＝Ψ_r(t)-Ψ_c(t)，航向偏差变化率：ec(t)＝e(t)-e(t-1)，基本论域为航向偏差e:[-30,30]；偏差变化率ec：[-0.5°/s，0.5°/s]；舵力矩u：[-10⁵，10⁵]。

4、对所设计的利用艏喷管实现的大型气垫船运动控制进行仿真验证

附图1展示了仿真控制系统的框图。在仿真实验前，设定气垫船的起始位置为(0,0)，艏向角为0°，初始速度15kns。图2是在不同喷管角下的轨迹图。附图3展示了全垫升气垫船不同喷管角下的纵向速度、侧滑角、回转角速度、横倾角变化曲线。图4展示了不同控制器在全垫升气垫船运动控制方向上的控制效果。

Claims (4)

1.一种利用艏喷管实现全垫升气垫船航向控制的方法，其特征是：

(1)、由全垫升气垫船的位置坐标系和位置感应器得出气垫船的实际位置；

(2)、获取全垫升气垫船的实时运动数据，通过实际位置和期望位置计算出气垫船位置偏差，所述实时运动数据包括艏向角、回转率、纵摇、横摇、横倾角；

(3)、通过控制器来控制全垫升气垫船的艏喷管的角度，通过调整艏喷管的角度，对气垫船的回转率、纵摇、横摇、横倾角、艏向角进行调整，使气垫船的实际位置和期望位置的偏差为零。

2.根据权利要求1所述的利用艏喷管实现全垫升气垫船航向控制的方法，其特征是所述通过控制器来控制全垫升气垫船的艏喷管的角度具体包括：在PID控制器中，航行方向与设定方向进行比较得出航向偏差，航向偏差送向控制器，按照PID规律计算出舵力矩，之后送到舵角伺服机构，控制艏喷管工作，调整航向；当误差错落倒阈值范围以内时，采用模糊PID控制，在模糊PID控制器中，选择气垫船的航向偏差e和偏差变化率ec作为控制输入变量，舵力矩u作为控制输出变量。

3.根据权利要求2所述的利用艏喷管实现全垫升气垫船航向控制的方法，其特征是：所述全垫升气垫船的艏喷管是对称位于船艏两侧，能360°回转的喷管设备，艏喷管由风扇供气，艏喷管是由和风扇出口直接相连的减缩直通管、四分之一圆的弯管、涡轮风扇共同组成，经过船模实验得到气垫船艏喷管喷管产生的力为：

T_nj＝C_n×Q_nj ²

其中，Q_nj——第j个艏喷管流量，j＝1、2；

C_n——艏喷管推力系数；

全垫升气垫船的艏喷管的数学力模型为：

其中F_tj—是第j个艏喷管的推力，j＝1,2；

Q_j—是第j个艏喷管的流量，j＝1，2；

P_j—气垫船升风扇的压力，j＝1,2；

C₁—喷管的流量系数；

C₂—垫升风扇的压力系数；

设艏喷管的安装位置是(x_n,y_n,z_n)，则艏喷管的数学模型为：

其中，为喷管角。

4.根据权利要求3所述的利用艏喷管实现全垫升气垫船航向控制的方法，其特征是所述PID控制器的数学模型为：

其中δ为偏舵矩，ψ为航向偏差，K_p为PID控制的比例系数，K_d为PID控制微分系数，K_i为PID控制积分系数；

系统的期望位置和实际位置做差即为偏差：

e(t)＝r(t)-y(t)

将e(t)的P、I、D、环节经过组合形成控制量，用来操控被控对象，控制量的表达式为：

系统的传递函数形式为：

其中T_i为比例时间常数，T_d为微分时间常数，K_P为比例系数。