CN110398961A - 一种气垫船航迹保持舵桨协同控制与分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶领域，公开了一种气垫船航迹保持舵桨协同控制与分配方法，包含如下步骤：步骤(1)：获得气垫船当前的位置和当前的艏向角，计算出气垫船的位置偏差和艏向角偏差；步骤(2)：采用PID控制器，将位置偏差信号传递给航迹控制器，将艏向角偏差信号传递给航向控制器；步骤(3)：对遗传算法中的选择算子和交叉规则进行改进，使用改进后的遗传算法对航迹控制器和航向控制器进行参数寻优；步骤(4)：添加故障补偿环节对串接链控制分配模块进行改进，将进行参数寻优后的航迹控制器和航向控制器的输出指令传递到改进后的串接链控制分配模块进行舵桨推力分配。本发明克制了早熟现象，避免了出现局部最优解的问题，提高了可靠性。

Description

一种气垫船航迹保持舵桨协同控制与分配方法

技术领域

本发明属于船舶领域，尤其涉及一种气垫船航迹保持舵桨协同控制与分配方法。

背景技术

气垫船，是指一种利用表面效应原理，依靠高于大气压的空气在船体与支撑面间形成气垫，使船体全部或部分脱离支撑面航行的高速船舶。按产生气垫的方式,可分为全垫升气垫船和侧壁式气涂船两种。气垫船多用轻合金材料制成，船上装有鼓风机和轻型柴油机或燃气轮机等产生气垫和驱动船舶前进的动力装置，并有空气螺旋桨或水螺旋桨、喷水推进器等推进器。由鼓风机产生的高压空气，通过管道送入船底空腔的气室内形成气垫托起船体，并由发动机驱动推进器使船贴近支撑面航行。气垫船的航行阻力很小，可使航速高达60～80km/h。目前，多用作髙速客船、交通艇、货船和渡船，尤其适合在内河急流、险滩和沼泽地使用。

气垫船具有许多优良的特性，它航速快、声场磁场压力场小、隐蔽性好、适应性强等，尤其适于在登陆作战中作为登陆输送工具使用。但也存在一些不足，主要是航程较短、耗油量大、经济效益较低等。在军事中，常用作输送登陆兵、扫雷破障、搭载武器平台的工具。

气垫船的缺点是耐波性较差，在风浪中航行失速较大。气垫船船身一般用铝合金、高强度钢或玻璃钢复合材料制造；动力装置用航空发动机、高速柴油机或燃气轮机；船底围裙用高强度尼龙橡胶布制成，磨损后可以更换。

在海上航行时，需要通过不同操纵面的组合控制使船舶在一个预设的航迹下航行。为了保持船舶航行的有效性、安全性，操作员必须将船舶实时所在的位置及时掌握，根据船舶的预定航迹、当前所处的位置、航向等来确定实际与期望的舵角差，将指令信号传递至舵控制系统中，将计算得出的力矩分配到不同操纵面，引导船舶进入期望航迹。为了提高动态性能，利用改进后的遗传算法在各个采样时间对PID参数进行整定，一方面可以降低船舶操作的门槛，另一方面能够降低航行过程中的人力物力消耗。串接链分配方法首先对优先级较高的操纵面进行控制分配，当空气舵舵角偏转达到饱和时，通过空气螺旋桨和侧风门进行辅助控制。按照逐级递减的规则能够最大限度利用空气舵。

施小成、刘振业、付明玉、王成龙等人提出“灰色预测GA-PID全垫升气垫船航向控制”，采用灰色预测的GA-PID方法,利用遗传算法在每个采样时间对PID参数进行在线优化整定,同时利用灰色误差预测可以准确预测误差的实时变化趋势,以误差预测值进行PID控制可以起到一种超前控制的作用。遗传算法在线整定PID,就是针对每个采样时间实现PID控制参数的遗传算法优化。在采样时间k,选取足够多的个体,计算不同个体的适应度。通过遗传算法的寻优,选择自适应度大的个体所对应的PID控制参数作为采样时刻下的控制参数。但没有考虑早熟的问题，使得容易出现局部最优解，降低了航迹控制的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于公开跟踪精度高、可靠性高的一种气垫船航迹保持舵桨协同控制与分配方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种气垫船航迹保持舵桨协同控制与分配方法，包含如下步骤：

步骤(1)：从气垫船上的GPS和电罗经获得气垫船当前的位置和当前的艏向角，再将当前的位置、当前的艏向角和预设的位置、预设的艏向角作差值，计算出气垫船的位置偏差和艏向角偏差；

步骤(2)：采用PID控制器，将位置偏差信号传递给航迹控制器，将艏向角偏差信号传递给航向控制器，再通过位置和艏向角使气垫船航行在预设航迹上；

步骤(3)：对遗传算法中的选择算子和交叉规则进行改进，使用改进后的遗传算法对航迹控制器和航向控制器进行参数寻优。

对遗传算法中的选择算子进行改进：

设计第j代第i个个体被选择概率P(i)为：

上式中，代表第j代中的最大适应度，代表第j代中的最小适应度，F_i ^j代表第j代中的任一个体，i、j均为整数。

对遗传算法中的交叉规则进行改进，包含如下步骤：

第一步：根据第j代第i个个体被选择概率P(i)获得进行交叉操作的父代；

第二步：对于第j代子代的上两代即第j-1代和第j-2代，将第j-1代和第j-2代的适值函数取倒数作为目标函数，分别求得第j-1代最小适应度和第j-2代最小适应度并将上两代都存在的性状直接保留到第j代；

第三步：参考译码器思想，当和对应位置的编码相同时，记为1；当和对应位置的编码不同时，记为0，得到一组与编码长度相同的二进制码；将获得的与编码长度相同的二进制码作为第j代的生成依据：即1对应的位保持不变；0对应的位进行两条染色体对应交叉，交叉规则为：

上式中，p和q为第j代正在进行交叉的父代，F_q和F_p是第j代正在进行交叉的父代的适应度。

步骤(4)：添加故障补偿环节对串接链控制分配模块进行改进，将进行参数寻优后的航迹控制器和航向控制器的输出指令传递到改进后的串接链控制分配模块进行舵桨推力分配；输入信号按照空气舵>空气螺旋桨>侧风门的顺序来优先分配力和力矩，当上一级到达饱和时再对下一级进行分配；分配后的力和力矩信号控制舵机使气垫船航行在预设航迹上。

添加故障补偿环节对串接链控制分配模块进行改进：

根据控制律得出故障补偿串接链分配方法表达式为：

进一步得到：

上式中，M₁为空气舵的系数矩阵，M₂为空气螺旋桨的系数矩阵，M₃为侧风门的系数矩阵；δ₁为空气舵偏转角，δ₂为空气螺旋桨螺距角，δ₃为侧风门开关量；u＝[δ₁,δ₂,δ₃]为串接链输入矩阵，sat_i为饱和函数，Γ＝diag(τ₁,τ₂,τ₃)为补偿矩阵，Ω＝diag(α₁,α₂,α₃)为串接链传递补偿效率矩阵，为输入检测列向量，I为单模矩阵；y_i为各层操纵面的输出，i＝1,2,3。

对于饱和函数sat_i，设定空气舵最大舵角偏转为δ_1max，任意时刻的空气舵舵角偏转值为δ_1i；将δ_1i与δ_1max进行比较，当δ_1i＜δ_1max时，空气螺旋桨没有输入，y₂＝0；当δ_1i＞δ_1max时，空气舵和空气螺旋桨同时工作，即；

设定空气螺旋桨最大螺距角为δ_2max，任意时刻的空气螺旋桨螺距角取值为δ_2i；将δ_2i与δ_2max进行比较，当δ_2i＜δ_2max时，侧风门没有输入，y₃＝0；当δ_2i≥δ_2max时，空气舵，空气螺旋桨和侧风门同时工作，即：

本发明的有益效果为：

本发明对遗传算法进行了改进，克制了早熟现象，提升了种群多样性，避免出现局部最优解的问题；还很好地解决了参数整定的问题，使系统拥有更好的稳态性能，也提升了全垫升气垫船对期望航迹的跟踪精度；本发明还改进了串接链分配策略，让空气螺旋桨和空气舵能够最大化使用，并使得当某一个操纵面出现故障时，剩余操纵面能够保持气垫船正常巡航作业。

附图说明

图1是一种气垫船航迹保持舵桨协同控制与分配方法流程图；

图2是基于串接链分配方法的控制律图；

图3是气垫船操纵面结构示意图；

图4是串接链控制回路结构图；

图5是一种气垫船航迹保持舵桨协同控制与分配方法简图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

一种气垫船航迹保持舵桨协同控制与分配方法，包含如下步骤：

步骤一：由气垫船上的GPS和电罗经获得气垫船当前的位置和艏向角，并和预设的位置和艏向角做差值，计算出气垫船的位置偏差和艏向角偏差。

步骤二：采用PID控制器，将GPS计算得出的位置偏差信号传递给航迹控制器，将电罗经计算得出的艏向角偏差信号传递给航向控制器，通过位置和艏向角来确保气垫船航行在预设航迹上。

步骤三：对遗传算法中的选择算子和交叉规则进行改进，使用改进后的遗传算法对航迹控制器和航向控制器参数进行寻优。

步骤四：将上一步改进后的控制器的输出指令传递到串接链控制分配模块进行舵桨推力分配。输入信号按照空气舵>空气螺旋桨>侧风门的顺序来优先分配力和力矩，当上一级到达饱和时再对下一级进行分配。分配后的力和力矩信号控制舵机来确保气垫船航行在预设航迹上。

对遗传算法中选择算子进行改进，由于选取的目标函数是适应度函数取倒数得来的，因此适应度越大意味着性状越不符合要求。所以考虑将第j代中最大适应值取出来与每一个适应值做差值，从而尽可能减少被选择为父代的概率。但是当去除掉最大适应值的影响后，迭代次数会受到限制，可能会过早陷入局部最优，很难求出全局最优解。因此考虑到要克服早熟现象，主要策略是要保持种群多样性，所以同时选择减少被选择的概率。设计第j代第i个个体被选择概率为：

在上式中，F代表根据适值函数求得的适应度，代表第j代中的最大适应度，代表第j代中的最小适应度，F_i ^j代表第j代中的任一个体。

对遗传算法中交叉算子进行改进，本发明提出一种参考译码器思想的算术交叉算子：

首先根据选择概率

获得进行交叉操作的父代。对于第j代子代，考虑上两代即第j-1代和第j-2代，将适值函数取倒数作为目标函数，分别求得最小适应度参考与逻辑，由于最小适应度代表最优良的性状，上两代都存在的性状进行直接保留到第j代。当和对应位的编码相同时，记为1；对应位置的编码不同时，记为0，这样就能够得到一组与编码长度相同的二进制码。获得的二进制码来作为第j代的生成依据：1对应的位保持不变；0对应的位进行两条染色体对应交叉，交叉规则为：

其中，p和q分别为第j代正在进行交叉的父代，F_q和F_p是这两个父代的适应度，设第j代的父代染色体分别为和a_i，b_i代表其中的一段基因。a′_i，b′_i代表生成子代的一段基因。

例如假设长度N＝7，首先将第j-1代和j-2代中适应值最小的个体中的每一位进行比较，依据相同为1不同为0的原则，获得一组二进制码假设为0110111。其次第j代经过交叉概率P_c后获得的两个父代p、q分别和那么根据交叉规则，第一步将获得的子代为和第二步根据交叉规则公式得到和

对于串接链控制分配方法进行改进：

串接链分配策略能够最大化利用空气舵来推动气垫船航行，本发明添加了故障补偿环节来保障当某一级操纵面出现故障时气垫船航行的稳定性。

空气舵的系数矩阵为M₁；空气螺旋桨的系数矩阵M₂；侧风门的系数矩阵M₃。其中，δ₁为空气舵偏转角，δ₂为空气螺旋桨螺距角，δ₃为侧风门开关量。

当某一级操纵面出现故障时，传递给下一级的偏差信号ε将发生改变，根据控制律得出故障补偿串接链分配方法表达式为：

进一步得到：

其中，u＝[δ₁,δ₂,δ₃]为串接链输入矩阵，sat_i为饱和函数，Γ＝diag(τ₁,τ₂,τ₃)为补偿矩阵，Ω＝diag(α₁,α₂,α₃)为串接链传递补偿效率矩阵，为输入检测列向量，I为单模矩阵，y_i(i＝1,2,3)为各层操纵面的输出。

对于饱和函数sat，设定空气舵最大舵角偏转为δ_1max，任意时刻的空气舵舵角偏转值为δ_1i。将δ_1i与δ_1max进行比较，当δ_1i＜δ_1max时，空气螺旋桨没有输入，即y₂＝0；当δ_1i＞δ_1max时，空气舵和空气螺旋桨同时工作，综上有；

同理，设定空气螺旋桨最大螺距角为δ_2max，任意时刻的空气螺旋桨螺距角取值为δ_2i。将δ_2i与δ_2max进行比较，当δ_2i＜δ_2max时，侧风门没有输入，即y₃＝0；当δ_2i≥δ_2max时，空气舵，空气螺旋桨和侧风门同时工作，综上有：

实施例1：如图1：

步骤一：建立气垫船的数学模型，由气垫船上的GPS和电罗经获得气垫船当前的位置和艏向角，并和预设的位置和艏向角做差值，计算出气垫船的位置偏差和艏向角偏差。

(1)如图3，气垫船共有两个空气螺旋桨。在实际情况下，船对桨的影响主要体现在存在伴流系数，桨对船的影响主要体现在存在推力减少系数。由试验数据可以得到空气螺旋桨的推力公式：

式中：是桨叶0.75半径处螺距角；u_a是相对风速在空气螺旋桨轴向的分量；n是空气螺旋桨转速(r/min)；T_j是第J个空气螺旋桨的推力。设空气螺旋桨的坐标为(x_pj,y_pj,z_pj)(j＝1,2)，则空气螺旋桨力表达式为：

(2)侧风门固定在气垫船的两侧，总共有四个。侧风门的推力根据动量定理计算：

式中：Q_s是侧风门空气流量；S_x是侧风门出口面积；x_s，z_s是侧风门安装位置的纵向坐标和垂向坐标。

式中，A_x为船体的正投影面积；ρ_a为空气密度；A_y为船体的侧投影面积；A_z为船体的垂直投影面积；L_0a为船舶总长；C_wx(αR)，C_wy(αR)，C_wz(αR)分别是X，Y,,Z方向上的风压力系数。

根据牛顿第二定律，全垫升气垫船水平面四自由度运动的动力学模型为：

其中，I_x为船绕x轴的惯性矩；I_z为船绕z轴的惯性矩；m为船的质量；u为船的纵向速；v为船的侧向速度；r为船的转艏角速度；p为船的横摇角速度。F_x,F_y,M_x,M_z分别是船所受到的在x、y轴方向的力、绕x轴的力矩和绕z轴的合力矩。

其中，合力(矩)表示为：

式中，各符号下标分别表示：h表示水动力，a表示空气动力，p表示空气螺旋桨的推力，m表示空气动量阻力，R表示空气舵的舵力。

由以上运动学模型和动力学模型方程组建立了气垫船四自由度运动微分方程组。

步骤二：采用PID控制器，将GPS计算得出的位置偏差信号传递给航迹控制器，将电罗经计算得出的艏向角偏差信号传递给航向控制器，通过位置和艏向角来确保气垫船航行在预设航迹上。

通过人机接口设定气垫船航行的轨迹。比较器把轨迹产生控制器得到期望位置、航向与平台罗经的当前实际位置、航向进行比较，得到位置、航向偏差。

步骤三：，对遗传算法中的选择算子和交叉规则进行改进，使用改进后的遗传算法对航迹控制器和航向控制器参数进行寻优。

设计PID控制器：

e(t)＝r(t)-c(t)；

式中，e(t)为控制偏差；K_P为PID控制的比例系数；K_I为PID控制微分系数；K_D为PID控制积分系数。输入期望值，计算与当前值的误差，经过采样时间t，PID控制器比例、积分、微分对误差作用，得到输出控制量，执行机构在控制信号的作用下行动，得到下一时刻的输出值，并与期望值对比，若存在误差，则再一次执行上述过程，直至误差消失。

由此，船舶动力定位的PID控制器的控制律设计如下：

式中Δη＝η-η_d，η,η_d分别是当前状态下和期望的位置和艏向。

将控制律τ代入气垫船动力学和运动学模型，可以得到

根据上述公式，可以得出每一时刻船的状态η(K_P,K_I,K_D,t)、υ(K_P,K_I,K_D,t)，并且它们与PID控制器参数有关。

改进遗传算法的算法步骤为：

(1)随随机产生种群。

(2)确定个体的目标函数

式中，error(i)为在第N个采样时刻第i个个体的位置误差，de(i)为第N个时刻通过传感器采样获得的误差变化率。为防止气垫船出现侧翻、埋首等情况，需要满足条件iferror(i)<0,thenJ(i)＝J(i)+100×|error(i)|。，令

(3)根据改进后的选择概率公式对父代进行选择。

(4)当和对应位的编码相同时，记为1；对应位置的编码不同时，记为0，这样就能够得到一组与编码长度相同的二进制码。获得的二进制码来作为第j代的生成依据：1对应的位保持不变；0对应的位进行两条染色体对应交叉，交叉规则为：

(5)按照一定的变异概率和变异方法，产生新的个体。若当代最大适应度Fmax与平均适应度Favg满足α·F_max＜F_avg时，进行大变异操作，否则进行普通变异操作；

(6)判断是否结束，若是执行次数未达到设定遗传代数，则由交叉和变异产生新一代的种群，返回到步骤二，否则结束。

步骤四：将上一步改进后的控制器的输出指令传递到串接链控制分配模块进行舵桨推力分配。输入信号按照空气舵>空气螺旋桨>侧风门的顺序来优先分配力和力矩，当上一级到达饱和时再对下一级进行分配。分配后的力和力矩信号控制舵机来确保气垫船航行在预设航迹上。

由气垫船运动数学模型可知，控制器输出合力和合力矩与各个推进器和操纵面输出力和力矩的等式关系可以表示为：

式中，X_prj＝(X_pj+X_rj)为每个空气螺旋桨和其后的等效垂直空气舵产生纵向力的力，y_prj为每个空气螺旋桨和其后的等效垂直空气舵在船体坐标系下的横轴坐标。

如附图4串接链控制回路结构图所示，串接链分配策略能够最大化利用操纵面来推动气垫船航行，本发明添加了故障补偿环节来保障当某一操纵面出现故障时气垫船航行的稳定性。

空气舵的系数矩阵为M₁；空气螺旋桨的系数矩阵M₂；侧风门的系数矩阵M₃。其中，δ₁为空气舵偏转角，δ₂为空气螺旋桨螺距角，δ₃为侧风门开关量。

当某一级操纵面出现故障时，传递给下一级的偏差信号ε将发生改变，根据附图2的分配方法控制律得出故障补偿串接链分配方法表达式为：

代入得到：

其中，u＝[δ₁,δ₂,δ₃]为串接链输入矩阵，sat_i为饱和函数，Γ＝diag(τ₁,τ₂,τ₃)为补偿矩阵，Ω＝diag(α₁,α₂,α₃)为串接链传递补偿效率矩阵，为输入检测列向量，I为单模矩阵，y_i(i＝1,2,3)为各层操纵面的输出。

对于饱和函数sat，设定空气舵最大舵角偏转为δ_1max，任意时刻的空气舵舵角偏转值为δ_1i。将δ_1i与δ_1max进行比较，当δ_1i＜δ_1max时，空气螺旋桨没有输入，即y₂＝0；当δ_1i＞δ_1max时，空气舵和空气螺旋桨同时工作，综上有；

同理，设定空气螺旋桨最大螺距角为δ_2max，任意时刻的空气螺旋桨螺距角取值为δ_2i。将δ_2i与δ_2max进行比较，当δ_2i＜δ_2max时，侧风门没有输入，即y₃＝0；当δ_2i≥δ_2max时，空气舵，空气螺旋桨和侧风门同时工作，综上有：

一般情况下，当无故障发生时，串接链传递补偿效率矩阵Ω为0矩阵不会产生影响。在空气舵舵角达到饱和时，将会产生偏差信号ε₁作为空气螺旋桨的输入，二者共同产生力和力矩。在空气螺旋桨螺距角达到饱和时，将会产生偏差信号ε₂作为侧风门的输入。控制力矩经过串接链分配控制模块分别进入空气舵、空气螺旋桨、侧风门，保证航行的稳定性。其中，速率陀螺与加速度计起检测作用。

如图5，本发明是一种气垫船航迹保持舵桨协同控制与分配方法。主要通过对遗传算法的改进，克制作用早熟现象对寻优过程的干扰，随后改进交叉规则提升了种群多样性，避免出现局部最优解的问题，使系统拥有更好的稳态性能，也提升了全垫升气垫船对期望航迹的跟踪精度。将不同操纵面进行分类，空气舵为第一优先级，空气螺旋桨为第二优先级，侧风门为辅助控制操纵面。因此本发明使用串接链控制分配策略，让空气舵和空气螺旋桨能够最大化使用，并且在空气舵发生故障时对空气螺旋桨和侧风门进行补偿来保持巡航状态的稳定性。

以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种气垫船航迹保持舵桨协同控制与分配方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤(1)：从气垫船上的GPS和电罗经获得气垫船当前的位置和当前的艏向角，再将当前的位置、当前的艏向角和预设的位置、预设的艏向角作差值，计算出气垫船的位置偏差和艏向角偏差；

步骤(2)：采用PID控制器，将位置偏差信号传递给航迹控制器，将艏向角偏差信号传递给航向控制器，再通过位置和艏向角使气垫船航行在预设航迹上；

步骤(3)：对遗传算法中的选择算子和交叉规则进行改进，使用改进后的遗传算法对航迹控制器和航向控制器进行参数寻优；

步骤(4)：添加故障补偿环节对串接链控制分配模块进行改进，将进行参数寻优后的航迹控制器和航向控制器的输出指令传递到改进后的串接链控制分配模块进行舵桨推力分配；输入信号按照空气舵>空气螺旋桨>侧风门的顺序来优先分配力和力矩，当上一级到达饱和时再对下一级进行分配；分配后的力和力矩信号控制舵机使气垫船航行在预设航迹上。

2.根据权利要求1所述的一种气垫船航迹保持舵桨协同控制与分配方法，其特征在于：所述的对遗传算法中的选择算子进行改进具体为：

设计第j代第i个个体被选择概率P(i)为：

上式中，代表第j代中的最大适应度，代表第j代中的最小适应度，F_i ^j代表第j代中的任一个体，i、j均为整数。

3.根据权利要求1或2所述的一种气垫船航迹保持舵桨协同控制与分配方法，其特征在于：所述的对遗传算法中的交叉规则进行改进，包含如下步骤：

第一步：根据第j代第i个个体被选择概率P(i)获得进行交叉操作的父代；

第二步：对于第j代子代的上两代即第j-1代和第j-2代，将第j-1代和第j-2代的适值函数取倒数作为目标函数，分别求得第j-1代最小适应度和第j-2代最小适应度并将上两代都存在的性状直接保留到第j代；

第三步：参考译码器思想，当和对应位置的编码相同时，记为1；当和对应位置的编码不同时，记为0，得到一组与编码长度相同的二进制码；将获得的与编码长度相同的二进制码作为第j代的生成依据：即1对应的位保持不变；0对应的位进行两条染色体对应交叉，交叉规则为：

上式中，p和q为第j代正在进行交叉的父代，F_q和F_p是第j代正在进行交叉的父代的适应度。

4.根据权利要求1或2所述的一种气垫船航迹保持舵桨协同控制与分配方法，其特征在于：所述的添加故障补偿环节对串接链控制分配模块进行改进具体为：

根据控制律得出故障补偿串接链分配方法表达式：

进一步得到：

上式中，M₁为空气舵的系数矩阵，M₂为空气螺旋桨的系数矩阵，M₃为侧风门的系数矩阵；δ₁为空气舵偏转角，δ₂为空气螺旋桨螺距角，δ₃为侧风门开关量；u＝[δ₁,δ₂,δ₃]为串接链输入矩阵，sat_i为饱和函数，Γ＝diag(τ₁,τ₂,τ₃)为补偿矩阵，Ω＝diag(α₁,α₂,α₃)为串接链传递补偿效率矩阵，为输入检测列向量，I为单模矩阵；y_i为各层操纵面的输出，i＝1,2,3；

对于饱和函数sat_i，设定空气舵最大舵角偏转为δ_1max，任意时刻的空气舵舵角偏转值为δ_1i；将δ_1i与δ_1max进行比较，当δ_1i＜δ_1max时，空气螺旋桨没有输入，y₂＝0；当δ_1i＞δ_1max时，空气舵和空气螺旋桨同时工作，即；

设定空气螺旋桨最大螺距角为δ_2max，任意时刻的空气螺旋桨螺距角取值为δ_2i；将δ_2i与δ_2max进行比较，当δ_2i＜δ_2max时，侧风门没有输入，y₃＝0；当δ_2i≥δ_2max时，空气舵，空气螺旋桨和侧风门同时工作，即：

5.根据权利要求3所述的一种气垫船航迹保持舵桨协同控制与分配方法，其特征在于：所述的添加故障补偿环节对串接链控制分配模块进行改进具体为：

根据控制律得出故障补偿串接链分配方法表达式：

进一步得到：

上式中，M₁为空气舵的系数矩阵，M₂为空气螺旋桨的系数矩阵，M₃为侧风门的系数矩阵；δ₁为空气舵偏转角，δ₂为空气螺旋桨螺距角，δ₃为侧风门开关量；u＝[δ₁,δ₂,δ₃]为串接链输入矩阵，sat_i为饱和函数，Γ＝diag(τ₁,τ₂,τ₃)为补偿矩阵，Ω＝diag(α₁,α₂,α₃)为串接链传递补偿效率矩阵，为输入检测列向量，I为单模矩阵；y_i为各层操纵面的输出，i＝1,2,3；

对于饱和函数sat_i，设定空气舵最大舵角偏转为δ_1max，任意时刻的空气舵舵角偏转值为δ_1i；将δ_1i与δ_1max进行比较，当δ_1i＜δ_1max时，空气螺旋桨没有输入，y₂＝0；当δ_1i＞δ_1max时，空气舵和空气螺旋桨同时工作，即；

设定空气螺旋桨最大螺距角为δ_2max，任意时刻的空气螺旋桨螺距角取值为δ_2i；将δ_2i与δ_2max进行比较，当δ_2i＜δ_2max时，侧风门没有输入，y₃＝0；当δ_2i≥δ_2max时，空气舵，空气螺旋桨和侧风门同时工作，即：