水翼艇纵向运动建模与仿真

摘要

水翼艇是一种水翼支撑的高性能船,高速航行时水翼产生的水动升力将艇体全部或部分抬离水面。它具有阻力低、航速高、航迹兴波小等特点。水翼艇的艇体吃水减少使其更容易受到海浪环境的干扰,产生剧烈的摇荡,使水翼艇的适航性降低,晕船率增加,影响乘客的舒适度和艇员的工作效率。因此有必要对此问题设计专门的控制器。通过控制水翼后缘的襟翼产生控制力,降低海浪干扰对水翼艇姿态运动的影响,从而提高水翼艇的适航性和乘员的舒适度。为此本篇论文对水翼艇的纵向运动进行建模及其姿态控制研究。
　　建立水翼艇纵向运动的数学模型是设计控制器的前提。本论文分别对水翼艇的艇体和水翼进行分析建立水翼艇纵向运动的数学模型。对于艇体,借助船舶辅助设计和建造软件Maxsurf,可以快速计算水翼艇纵向运动方程中的诸多水动力系数及艇体在规则波或不规则长峰波受到的扰动力。对于水翼受到的扰动,本文提出基于波粒子垂荡速度诱导水翼有效攻角发生变化,产生扰动作用力模型。并利用此模型计算水翼在不同海况下受到海浪的扰动力及扰动力矩。完成水翼艇纵向运动建模之后,首先对其进行稳定性分析;然后对水翼艇纵向运动进行求解,对不同有义波高海况下水翼艇的姿态运动进行了仿真分析。
　　为了方便应用最新控制理论设计控制器,本文把水翼艇纵向运动方程转换成了状态空间表示式的形式。在此基础上设计了LQR控制器和基于线性矩阵不等式(LMI)算法的鲁棒H∞状态反馈控制器。利用遗传算法对LQR控制的参数进行了优化。控制器的设计除了考虑以传统性能指标,即以减小水翼艇纵向运动的垂荡位移和纵摇角作为控制目的之外,还融入了衡量乘员舒适程度的性能指标—晕船率。通过对控制前及控制后水翼艇纵向姿态运动仿真以及统计数据的比较发现:本论文设计的控制器对水翼艇的垂荡、纵摇和晕船率都有十分理想的控制效果,能够满足水翼艇的纵向运动性能要求,具有一定的参考价值。

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第1章 绪论

1.1课题研究的目的意义

1.2水翼艇的发展和研究现状

1.3水翼艇的结构特点及分类

1.4本文研究的主要内容和创新点

第2章 水翼艇纵向运动数学建模的建立

2.1水翼艇坐标系的建立

2.2水翼艇纵向运动数学模型的建立

2.3水翼艇纵向运动水动力参数的求解

2.4水翼艇艇体参数分析求解

2.5水动力系数的确定及随机波浪扰动力仿真

2.6本章小结

第3章 水翼艇水翼建模

3.1水翼理论

3.2周围波浪对全浸水翼的激励力的模型

3.3 水翼艇水翼受到扰动力的计算

3.4水翼艇受扰纵向运动仿真分析

3.5本章小结

第4章 水翼艇纵向运动控制器设计

4.1线性二次型控制器的设计

4.2 水翼艇纵向运动控制性能指标的选择

4.3水翼艇纵向运动二次型控制器的设计

4.4线性二次型最优控制器参数的优化

4.5水翼艇纵向运动控制仿真分析

4.6本章小结

第5章 水翼艇纵向运动鲁棒控制器的设计

5.1水翼艇H∞状态反馈控制器的设计

5.2水翼艇H∞状态反馈控制器仿真研究

5.3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