應用于氣墊船航向控制與橫傾控制的解耦控制裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及了的是一種氣墊船的航向橫傾解耦控制裝置及方法，用于由空氣舵和 艏噴管所組成的氣墊船耦合控制系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 橫傾角是全墊升氣墊船的重要航行指標，船體做橫傾運動時，氣墊內高壓空氣的 側向泄流，會伴有較大的側漂力，進而造成大角度側滑。同時，氣墊船在航行時，由空氣舵提 供的轉艏力矩也會對橫傾角產生影響，而控制橫傾角的艏噴管提供的橫傾力矩也會對氣墊 船的艏向產生影響。因此，對于氣墊船航行自動駕控系統(tǒng)，為了保證控制精度和安全性，需 要對航向、橫傾兩個方向同時控制，這就需要解決這兩個通道耦合的問題。
[0003]目前，多通道解耦控制問題還是控制領域的一個難點，很多控制方法都需要有精 確的數(shù)學模型，這在實際控制中是很難做到的。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種能提高氣墊船的航向控制精度和自動駕控航行的安 全性，減輕駕駛人員的工作強度和精神負擔，提高操控水平和航行穩(wěn)定性的應用于氣墊船 航向控制與橫傾控制的解耦控制裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種應用于氣墊船航向控 制與橫傾控制的解耦控制方法。
[0005] 本發(fā)明的應用于氣墊船航向控制與橫傾控制的解耦控制裝置主要包括微分跟蹤 器、擴張狀態(tài)觀測器、比較器、航向控制器、橫傾控制器和解算模塊，微分跟蹤器（TD)用于 實現(xiàn)對目標信號及其各階微分信號的光滑逼近，擴張狀態(tài)觀測器（ES0)用于實際航向和橫 傾的觀測并對外界擾動進行補償，比較器用于得到航向偏差和橫傾偏差，航向控制器用于 得到航向通道控制指令，橫傾控制器用于得到橫傾通道控制指令，解算模塊將兩個通道的 控制指令解耦出來，分別用于執(zhí)行機構空氣舵和艏噴管的控制。
[0006] 本發(fā)明的應用于氣墊船航向控制與橫傾控制的解耦控制方法包括如下步驟：
[0007] (1)設定期望的航向角νφ和橫傾角
[0008] (2)通過擴張狀態(tài)觀測器估計當前狀態(tài)的航向角及航向角微分值ζφ1、ζμ，橫傾角 及橫傾角微分值2;
[0009] (3)由航向微分跟蹤器得到期望航向角的跟蹤值和微分值νφ1、νφ2，由橫傾微分跟 蹤器得到期望橫傾角的跟蹤值和微分值、、;
[0010] (4)由比較器得到航向偏差ezl、ez2，橫傾偏差％、
[0011] (5)由航向偏差通過非線性誤差反饋航向控制器，并經過擴張狀態(tài)觀測器的補償， 得到航道虛擬控制指令υφ;由橫傾偏差通過非線性誤差反饋橫傾控制器，并經過擴張狀態(tài) 觀測器的補償，得到橫傾控制通道虛擬控制指令 f：
[0012] (6)將航道虛擬控制指令、橫傾控制通道虛擬控制指令通過解算模塊B1得到實 際的航向角控制指令Uφ、橫傾角控制指令
[0013] (7)將實際的航向角控制指令1^發(fā)送給執(zhí)行機構空氣舵，將實際的橫傾角控制指 令心發(fā)送給執(zhí)行機構艏噴管，如果沒有達到期望值則轉到步驟（2)。
[0014] 本發(fā)明的氣墊船航向控制與橫傾控制的解耦控制裝置，跟蹤微分器安排過度過 程，實現(xiàn)對目標信號及其各階微分信號的光滑逼近，可以最快跟蹤航向偏差和橫傾偏差；包 含了兩個控制器，分別對航向控制通道和橫傾控制通道進行控制；包含一個解算模塊，其輸 入是航向控制器和橫傾控制器的輸出，這兩個耦合的控制量通過解算模塊，得到控制指令 分別用于執(zhí)行機構空氣舵和艏噴管的控制。由于兩個控制器與解算模塊的配合，航向控制 通道的控制器通過航向偏差對航向進行控制，橫傾控制通道的橫傾控制器通過橫傾偏差對 橫傾角進行控制。最終實現(xiàn)一個輸入對應一個輸出的控制效果。
[0015] 本發(fā)明采用不依賴系統(tǒng)精確模型的自控自抗擾解耦控制算法，借用擴張狀態(tài)觀測 器對系統(tǒng)的擾動進行估計，然后進行補償，以實現(xiàn)航向一橫傾的解耦控制。
[0016] 本發(fā)明采用的是自抗擾控制方法，原理如下：
[0017]
[0018] 設計虛擬控制律
[0019]
[0020] -
[0021] 其中
[0022]
[0023]
[0024] 其中，Xl、x2分別對應氣墊船的艏向角和回轉率；x3、x4分別對應氣墊船的橫傾角 和橫傾角速度；yi、y2分別為控制器的輸出航向角和橫傾角；u 分別對應航向控制通道 和橫傾控制通道的實際控制指令；νψ、％分別對應期望的航向角和橫傾角；νψι、νψ2為期望 航向角的跟蹤值與微分值；為期望橫傾的跟蹤值與微分值；Θφ1、eΜ分別對應航 向角偏差及其微分值；$)1、分別對應橫傾角偏差及其微分值；>1、分別 對應1 1、12、13、14的估計值；1]111、^/ ?>分別為航向控制通道和橫傾控制通道的虛擬控制指令； ιιφ 分別為航向控制通道和橫傾控制通道的實際控制指令。r是跟蹤微分器的快速因子， h為步長；α、δ為濾波參數(shù)。
[0025] 采用自抗擾解耦控制的優(yōu)點：
[0026] 對于多變量耦合的系統(tǒng)，解耦控制方法用很多種，但最終都是為了轉化成為一個 輸入對應一個輸出的形式。自抗擾解耦控制方法相對其它智能解耦算法，具有結構簡單，思 路清晰，結果明顯等特點。最重要的是，它不依賴系統(tǒng)精確的數(shù)學模型，可以利用狀態(tài)觀測 器對系統(tǒng)的擾動進行估計并加以補償，大大增加了其應用的范圍。另外，自抗擾算法是一 PID調節(jié)器為基礎改進而來的，更容易為工程人員接受。
【附圖說明】
[0027] 圖1氣墊船航向與橫傾的解耦控制裝置原理框圖。
[0028] 圖2氣墊船航向與橫傾的解耦控制方法流程圖。
[0029] 圖3a_圖3d是氣墊船航向控制與航向-橫傾解耦控制仿真曲線，其中圖3a是艏 向角變化曲線；圖3b是回轉率變化曲線；圖3c是側滑角變化曲線；圖3d是橫傾角變化曲 線。
[0030] 圖4a_圖4b是氣墊船舵角與艏噴管角仿真曲線，其中圖4a是舵角變化曲線；圖4b 是艏噴管角變化曲線。
【具體實施方式】
[0031] 下面舉例對本發(fā)明做更詳細的描述。
[0032] 結合圖1，本發(fā)明的應用于氣墊船航向控制與橫傾控制的解耦控制裝置，主要包括 微分跟蹤器、擴張狀態(tài)觀測器、比較器、航向控制器、橫傾控制器和解算模塊。
[0033] 1、微分跟