基于航向与回转率协调控制策略的气垫船航向控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种气垫船的航向控制方法，特别是一种基于航向-回转率协调控制 策略的气垫船航向控制方法。
【背景技术】
[0002] 气垫船又称为表面效应船，是一种兼具飞机及常规船舶航行特性的运载器，其设 计理念是借助气动力原理，利用垫升增压风机，在船体与水面之间产生一层气垫。为减少气 垫泄流量，降低能量消耗，并维持航行稳定性，设计了柔性围裙结构对气垫进行密封。依靠 气垫静压力来支撑船体，使船体航行时吃水减小，甚至完全脱离水面航行，从而达到减小航 行阻力和提高耐波性的目的。
[0003] 气垫船在改变航向或作出机动时，经常造成一舷漏气，从而出现横倾现象。较大的 横倾角将伴随较大的侧向泄流面积，会造成气垫内空气严重泄漏，严重影响垫升风机效率。 同时船体横倾运动还会使围裙与水面接触，引起一舷航行阻力增大，造成侧滑加剧，一定程 度上增加翻船的几率。所以航向控制是气垫船航行控制的重要组成部分，而回转率是航向 控制过程中的重要航行指标，因为回转率一旦超过安全限界就会引起大角度侧滑，还可能 造成翻船的严重事故。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种能在实现气垫船航向控制的同时限制回转率的大小， 提高航行稳定性的基于航向与回转率协调控制策略的气垫船航向控制方法。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：包括航向-回转率协调控制模块、比较器和航向控 制器；航向-回转率协调控制模块，通过协调控制策略，根据回转率的界限和当前的实际航 向角计算出当前时刻的期望航向角；比较器将期望航向角与实际测得的航向值进行比较得 到航向偏差；航向控制器根据航向偏差计算得到控制指令，从而使气垫船所受力矩改变，达 到设定回转率。
[0006] 本发明还可以包括：
[0007] 1、所述协调控制策略是将航向控制分为如下的两个阶段：
[0008] A、加速阶段：在航向控制前期，以恒定加速度，达到安全限界内的最大回转率，实 现航向的快速跟踪；
[0009] B、减速阶段：在航向控制后期，以恒定加速度，将回转率降为0,并且使航向达到 期望值。
[0010] 2、根据实际航向角和最大回转率求取恒定加速度r。的过程包括：
[0011] 设计跟踪微分器为：
[0012]
[0013] 其中七为气垫船期望航向，力为实际航向，r#力满导数即期望回转率，h为 仿真步长，fh代表航向-回转率协调控制策略；
[0014] 设T。为跟踪控制的过渡过程时间，那么经过跟踪微分器安排过渡过程的跟踪控 制有如下特征：在前半段时间[0^?；]上，以r。为加速度上升到!，上升的最大跟踪速 度为;后半段时间上，以-r。为加速度进行减速，但继续上升到期望，到达期望 后，上升速度恰好为〇,T。后加速度为0,T。与r。的关系为
[0015]
[0016] 当T。或r。确定后，确定系统的最大跟踪速度
[0017]
[0018] 3、航向控制器根据航向偏差计算得到控制指令采用PID控制算法，PID控制器由 式表示：
[0019]
[0020] 式中，t表示船舶推进器输出的转矩，KP，KjPKD为PID算法中的比例系数；ite为 船舶期望航向七和实际航向也之间的偏差，即也e=也d-^。
[0021] 本发明是一种基于跟踪微分器（TrackingDifferentiator)的航向-回转率协调 控制模块和控制器组成的航向控制方法。通过利用跟踪微分器设计过渡过程，实现对控制 期望信号的优化。对跟踪速度进行控制，不但能解决超调量与响应速度之间的矛盾，还可以 通过单一的航向控制器，完成航向控制的同时又能实现对回转率的限制，避免了由于航向 控制器与回转率控制器之间的切换造成的系统不稳定，降低了航向-回转率协调控制器的 复杂程度。
[0022] 本发明相对现有技术具有如下的优点及效果：
[0023] 气垫船在航行过程中其回转率变化很快，且经常超过安全界限。本方法就是以跟 踪微分器（TD)为核心的航向-回转率协调控制模块实现了回转率的平稳增加及下降，并将 回转率限制在安全范围内，降低了侧滑角变化率，有效的避免了出现大回转率-大侧滑现 象，为气垫船的安全航行提供了保障。
【附图说明】
[0024] 图1基于航向-回转率协调控制模块的气垫船航向控制系统原理框图。
[0025] 图2基于航向-回转率协调控制模块的航向控制程序流程图。
[0026] 图3a_图3d气垫船航向控制曲线，其中，图3a是艏向角变化曲线；图3b是侧滑角 变化曲线；图3c是舵角变化曲线；图3d是回转率变化曲线。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本发明作进一步的描述。
[0028] 本发明的基于航向-回转率协调控制模块的气垫船航向控制系统的原理如图1所 示，
[0029] 1.航向-回转率协调控制模块，根据回转率的界限和当前的实际航向角计算出当 前时刻的期望航向角，其协调控制策略是将航向控制分为如下的两个阶段：
[0030] 1)加速阶段：在航向控制前期，以恒定加速度，达到安全限界内的最大回转率，实 现航向的快速跟踪。
[0031] 2)减速阶段：在航向控制后期，以恒定加速度，将回转率降为0,并且使航向达到 期望值。
[0032] 2.比较器，将期望航向值与实际测得的航向值进行比较得到航向偏差，
[0033] 3.航向控制器，本文采用的是常用的PID控制算法，航向控制器根据航向偏差计 算得到控制指令，从而使气垫船所受力矩改变，达到设定回转率。
[0034] 下面结合图2说明本发明的基于航向与回转率协调控制策略的气垫船航向控制 方法的实现步骤：
[0035] 1.读取当前时刻的实际航向角也；
[0036] 2.根据设定的航向角，通过航向-回转率协调控制模块将航向控制分为如下的两 个阶段：（1)加速阶段：在航向控制前期，以恒定加速度r。，达到安全限界内的最大回转率 ，实现航向的快速跟踪；（2)减速阶段：在航向控制后期，以恒定加速度-r。，将回转率降 为0,并且使航向达到期望值itd。
[0037] 以下是根据实际航向角和最大回转率求取恒定加速度r。的过程，
[0038] 设计如下的跟踪微分器：
[0039]
(5)
[0040] 其中七为气垫船期望航向，力为实际航向，r#力满导数即期望回转率，h为 仿真步长，fh代表航向-回转率协调控制策略。
[0041] 假设T。为跟踪控制的过渡过程时间，那么经过（5)安排过渡过程的跟踪控制有如 下特征：在前半段时间]上，以r。为加速度上升到，这样上升的最大跟踪速度 为后半段时间上，以-r。为加速度进行减速，但继续上升到期望，到达期望 后，上升速度恰好为〇,T。后加速度为0。T。与r。的关系为
[0042]
(6)
[0043] 当T。或r。确定后，就可以确定系统的最大跟踪速度
[0044]
仍
[0045] 通过对利用I'D安排过渡过程的控制特性进行分析，考虑气垫船航向控制中需要 限制回转率即航向跟踪速度，可将跟踪微分器应用于航向-回转率协调控制。通常情况下 回转率的安全限界为1° /s，利用跟踪微分器设计的气垫船航向-回转率协调控制策略为： 设定rmax= 1° /s，根据Mt)，利用（6)、（7)确定r。。
[0046] 3.控制器解算出的控制指令就对应船舶推进器的转矩。该航向控制器采用最为普 遍的PID控制算法，PID控制器由式表示：
[0047]
(8)
[0048] 式中，t表示船舶推进器输出的转矩，KP，KjPKD为PID算法中的比例系数；K为 船舶期望航向七和实际航向也之间的偏差，即也e=也d-^。
【主权项】
1. 一种基于航向与回转率协调控制策略的气垫船航向控制方法，其特征是：包括航 向-回转率协调控制模块、比较器和航向控制器；航向-回转率协调控制模块，通过协调控 制策略，根据回转率的界限和当前的实际航向角计算出当前时刻的期望航向角；比较器将 期望航向角与实际测得的航向值进行比较得到航向偏差；航向控制器根据航向偏差计算得 到控制指令，从而使气垫船所受力矩改变，达到设定回转率。2. 根据权利要求1所述的基于航向与回转率协调控制策略的气垫船航向控制方法，其 特征是所述协调控制策略是将航向控制分为如下的两个阶段： A、 加速阶段：在航向控制前期，W恒定加速度，达到安全限界内的最大回转率，实现航 向的快速跟踪； B、 减速阶段：在航向控制后期，W恒定加速度，将回转率降为0,并且使航向达到期望 值。3. 根据权利要求2所述的基于航向与回转率协调控制策略的气垫船航向控制方法，其 特征是根据实际航向角和最大回转率求取恒定加速度r。的过程包括： 设计跟踪微分器为：其中为气垫船期望航向，4为实际航向，Td为4d的导数即期望回转率，h为仿真 步长，fh代表航向-回转率协调控制策略； 设T。为跟踪控制的过渡过程时间，那么经过跟踪微分器安排过渡过程的跟踪控制有 如下特征：在前半段时间I?。上，Wr。为加速度上升到，上升的最大跟踪速度为后半段时间！，，?；,]上，W-r。为加速度进行减速，但继续上升到期望，到达期望后， 上升速度恰好为0,T。后加速度为0,T。与r。的关系为当T。或r。确定后，确定系统的最大跟踪速度4. 根据权利要求1、2或3所述的基于航向与回转率协调控制策略的气垫船航向控制方 法，其特征是航向控制器根据航向偏差计算得到控制指令采用PID控制算法，PID控制器由 式表示：式中，T表示船舶推进器输出的转矩，Kp,Ki和Kd为PID算法中的比例系数；4。为船 舶期望航向和实际航向4之间的偏差，即4B= 4d-4。
【专利摘要】本发明提供的是一种基于航向与回转率协调控制策略的气垫船航向控制方法。包括航向-回转率协调控制模块、比较器和航向控制器；航向-回转率协调控制模块，通过协调控制策略，根据回转率的界限和当前的实际航向角计算出当前时刻的期望航向角；比较器将期望航向角与实际测得的航向值进行比较得到航向偏差；航向控制器根据航向偏差计算得到控制指令，从而使气垫船所受力矩改变，达到设定回转率。本发明在完成航向控制的同时又能实现对回转率的限制，避免了由于航向控制器与回转率控制器之间的切换造成的系统不稳定，降低了航向-回转率协调控制器的复杂程度。
【IPC分类】G05D1/02, G05B13/04
【公开号】CN105204508
【申请号】CN201510616204
【发明人】付明玉, 余玲玲, 丁福光, 李娟 , 王元慧, 林孝工, 刘向波, 王成龙
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年9月24日