全垫升气垫船航迹向控制专家系统研究

论文摘要

全垫升气垫船是采用空气推进器推进并且船体全部由气垫支撑与水（地）面完全脱离的高性能船舶,它具有独特的水陆两栖性。在气垫船的航行过程中,自动驾控只占很小的一部分,其安全航行很大程度上取决于驾驶员的操纵水平和熟悉度,专家系统可以很好的应用在气垫船的控制中。特别是当气垫船从一点行驶到另一点时,航迹向控制就显得尤为重要,因此有必要研究气垫船的航迹向控制。国内外对气垫船航迹向控制的研究几乎没有,本文首次采用专家系统实现对气垫船航迹向的控制。本文以某型气垫船为研究对象,设计了基于规则的气垫船航迹向控制专家系统,具体的研究内容如下：首先,建立全垫升气垫船四自由度运动数学模型。对全垫升气垫船的各个模块进行建模,固定坐标系下根据动量定理和动量矩定理列出全垫升气垫船四自由度运动方程,将其转换到适合于表达水动力的运动坐标系中,完成了气垫船四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,设计了基于Visual C++的全垫升气垫船航迹向控制专家系统。气垫船航迹向控制专家系统是由知识库、推理机、动态数据库和人机界面等多个模块组成。根据气垫船操纵员驾驶经验和航迹向保持实验数据等建立基于规则的知识库,介绍了常用的推理方式和冲突消解策略,研究了推理机和知识库之间的关系,并对气垫船航迹向控制专家系统的推理机制进行了详细的论述,设计和开发了气垫船航迹向控制专家系统的良好的人机界面,用户可以通过人机界面进行目标参数设置以及其它数据的输入,并将最终的控制结果实时的显示出来,设计了数据库管理模块用来存储、管理数据,并实现各个功能模块之间的通讯。再次,实现了底层控制器的设计。鉴于传统的PID控制很难快速并且稳定的达到预定的航迹角设定值,因此设计基于风前馈的自适应反步法控制器作为专家系统的底层控制部分,其稳态性能和控制精度都基本令人满意,实现了对气垫船运动方向的精确控制。最后,为了验证所建立的专家系统的正确性,建立一个和气垫船航行控制时的真实环境尽可能保持一致仿真验证环境,利用气垫船航迹向控制专家系统,进行不同环境风干扰试验,通过上述试验验证了设计的航迹向控制专家系统的实用性和可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外气垫船研究现状
• 1.2.2 气垫船控制的发展概况
• 1.3 论文的工作内容
• 第2章 气垫船四自由度运动数学模型
• 2.1 空间运动坐标系的建立
• 2.1.1 固定坐标系
• 2.1.2 运动坐标系
• 2.1.3 运动坐标系和固定坐标系的旋转变换
• 2.2 气垫船四自由度模型的建模思想
• 2.3 气垫船气动力模型
• 2.4 气垫船水动力模型
• 2.5 气垫船螺旋桨推力模型
• 2.6 气垫船空气舵数学模型
• 2.7 气垫船重力模型
• 2.8 气垫船四自由度运动方程的建立
• 2.8.1 气垫船上的力和力矩的合成
• 2.8.2 气垫船的运动微分方程
• 2.9 气垫船四自由度运动模型的验证
• 2.9.1 直航时航向稳定性仿真试验
• 2.9.2 全垫升气垫船的直航特性仿真试验
• 2.9.3 操舵回转特性仿真试验
• 2.9.4 风对气垫船操舵回转的影响
• 2.10 本章小结
• 第3章 气垫船航迹向控制方法研究
• 3.1 气垫船航迹向控制方法
• 3.1.1 气垫船航迹向计算
• 3.1.2 气垫船的执行机构
• 3.1.3 气垫船航迹、航向和航迹向控制对比
• 3.1.4 气垫船的安全限界
• 3.2 气垫船航迹向控制器的设计
• 3.2.1 非线性反步法概述
• 3.2.2 航迹向自适应反步控制方法研究
• 3.2.3 航向和航迹向控制对比仿真试验
• 3.3 本章小结
• 第4章 气垫船航迹向控制专家系统的设计
• 4.1 专家系统概述
• 4.1.1 专家系统的定义
• 4.1.2 专家系统的发展
• 4.1.3 专家系统的特点
• 4.1.4 专家系统的类型
• 4.1.5 专家系统的开发工具
• 4.1.6 专家系统的组成结构和工作原理
• 4.1.7 产生式系统的基本组成
• 4.2 用Visual C++开发航迹向控制专家系统
• 4.3 航迹向控制专家系统的知识表示
• 4.3.1 知识的概述
• 4.3.2 知识的获取
• 4.3.3 知识的表示和知识库的建立
• 4.3.4 航迹向保持知识的来源
• 4.3.5 航迹向控制专家系统的知识库
• 4.4 航迹向控制专家系统的推理机
• 4.4.1 推理机控制策略简介
• 4.4.2 航迹向控制专家系统的推理机制
• 4.4.3 推理机和知识库之间的关系
• 4.5 航迹向控制专家系统人机界面的设计
• 4.5.1 人机界面设计的一般原则
• 4.5.2 人机界面的布置方案
• 4.5.3 人机界面的菜单按钮设计
• 4.5.4 人机界面的数据录入和导出
• 4.5.5 人机界而的控制结果可视化
• 4.6 航迹向控制专家系统的数据管理模块
• 4.6.1 数据管理模块的功能
• 4.6.2 数据管理模块在程序上的实现
• 4.7 航迹向控制专家系统各个模块之间的通讯关系
• 4.8 本章小结
• 第5章 气垫船航迹向控制专家系统的仿真
• 5.1 气垫船航迹向控制仿真验证系统组成
• 5.1.1 航迹向控制专家系统的主要功能
• 5.2 基于专家系统的航迹向保持仿真试验
• 5.2.1 定常风下的航迹向保持仿真试验
• 5.2.2 阵风下的航迹向保持仿真试验
• 5.2.3 脉动风的航迹向保持仿真试验
• 5.2.4 航迹向角变化时航迹向保持对比仿真试验
• 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