全垫升气垫船垫升压力控制方法研究

摘要

全垫升气垫船是一种高性能船舶,船体全部由气垫支撑与水(地)面完全脱离,采用空气推进器作为动力,具有独特的水陆两栖性。在全垫升气垫船的航行过程中,垫升压力的稳定性对全垫升气垫船的操纵性和安全航行具有重要意义,所以对全垫升气垫船的垫升压力控制方法进行研究具有重要意义。传统PID控制算法由于其简单实用性,可以很好地应用在垫升压力的控制中,但是传统PID控制方法缺乏自适应性,受系统参数改变和环境海浪扰动的影响,很难达到较好的控制效果。
　　本文通过研究粒子群优化算法,提出基于改进粒子群优化算法的自适应PID控制方法,对全垫升气垫船垫升压力进行控制。为了解决垫升系统中存在的输入到输出的延迟问题,本文引入灰色预测模型,预测将来时刻的垫升压力,达到对垫升压力进行超前校正的目的。国内外对气垫船垫升压力控制的研究几乎没有,本文首次采用基于灰色理论的改进PSO-PID控制方法实现对气垫船垫升压力的控制。本文以某型全垫升气垫船作为研究对象,建立六自由度运动数学模型和垫升系统的流量压力数学模型,设计基于GM(1,1)的改进PSO-PID控制器,对垫升压力进行控制,具体的研究内容如下:
　　首先,建立全垫升气垫船六自由度操纵运动数学模型。对全垫升气垫船的各个模块进行建模,在固定坐标系下列出全垫升气垫船六自由度运动方程,将其转换到运动坐标系中,完成了气垫船六自由度运动仿真模型的建立,并通过直航特性和回转特性等仿真实验验证了模型的正确性。
　　其次,建立了垫升系统的数学模型,分析系统各个组成部分的流量压力平衡关系,建立流量平衡方程,并且通过横倾和纵倾模型限制仿真实验,验证垫升系统数学模型的正确性。
　　然后,基于垫升系统的流量压力数学模型,设计基于GM(1,1)模型的改进PSO-PID控制器。根据垫升压力的历史数据,预测垫升压力未来时刻的输出值,与理想压力作差作为改进PSO-PID控制器的输入。并且根据差值,采用粒子群优化算法,对PID的三个参数进行自整定。
　　最后,为了验证本文所提出的控制方法的有效性,建立一个和气垫船垫升压力控制时的真实环境尽可能保持一致仿真验证环境,进行不同海浪下的仿真实验,测量垫升压力的输出值,与无控制时的垫升压力值进行比较,从而验证所设计的垫升压力控制系统的实用性和可靠性。

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第1章 绪论

1.1 选题的目的和意义

1.2 国内外研究概况

1.3 全垫升气垫船垫升系统的工作原理

1.4 本论文的主要研究内容

第2章 全垫升气垫船六自由度操纵运动数学模型

2.1 空间运动坐标系的建立

2.2 空气动力数学模型

2.3 水动力数学模型

2.4 气垫动力数学模型

2.5 操纵装置数学模型

2.6 全垫升气垫船的操纵运动数学模型

2.7 气垫船六自由度运动模型的仿真验证

2.8 本章小结

第3章 全垫升气垫船垫升系统数学模型

3.1 气体的压力流量关系式

3.2 垫升系统流量压力数学模型

3.3 六自由度模型下垫升系统压力特性仿真验证

3.4 本章小结

第4章 垫升压力的灰色预测模型

4.1 灰色系统理论

4.2 垫升压力数据序列的预处理

4.3 垫升压力灰色序列生成算子

4.4 垫升压力的灰色预测模型仿真试验

4.5 本章小结

第5章 垫升压力控制方法研究及仿真

5.1 垫升压力控制方法研究

5.2 海浪扰动对垫升压力的影响

5.3 粒子群优化算法

5.4 基于改进PSO的垫升压力PID控制器设计

5.5 全垫升气垫船垫升压力控制仿真试验

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢