应用于气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及了的是一种气垫船的航向横倾解耦控制装置及方法，用于由空气舵和 艏喷管所组成的气垫船耦合控制系统。
【背景技术】
[0002] 横倾角是全垫升气垫船的重要航行指标，船体做横倾运动时，气垫内高压空气的 侧向泄流，会伴有较大的侧漂力，进而造成大角度侧滑。同时，气垫船在航行时，由空气舵提 供的转艏力矩也会对横倾角产生影响，而控制横倾角的艏喷管提供的横倾力矩也会对气垫 船的艏向产生影响。因此，对于气垫船航行自动驾控系统，为了保证控制精度和安全性，需 要对航向、横倾两个方向同时控制，这就需要解决这两个通道耦合的问题。
[0003]目前，多通道解耦控制问题还是控制领域的一个难点，很多控制方法都需要有精 确的数学模型，这在实际控制中是很难做到的。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种能提高气垫船的航向控制精度和自动驾控航行的安 全性，减轻驾驶人员的工作强度和精神负担，提高操控水平和航行稳定性的应用于气垫船 航向控制与横倾控制的解耦控制装置。本发明的目的还在于提供一种应用于气垫船航向控 制与横倾控制的解耦控制方法。
[0005] 本发明的应用于气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制装置主要包括微分跟踪 器、扩张状态观测器、比较器、航向控制器、横倾控制器和解算模块，微分跟踪器（TD)用于 实现对目标信号及其各阶微分信号的光滑逼近，扩张状态观测器（ES0)用于实际航向和橫 倾的观测并对外界扰动进行补偿，比较器用于得到航向偏差和横倾偏差，航向控制器用于 得到航向通道控制指令，横倾控制器用于得到横倾通道控制指令，解算模块将两个通道的 控制指令解耦出来，分别用于执行机构空气舵和艏喷管的控制。
[0006] 本发明的应用于气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制方法包括如下步骤：
[0007] (1)设定期望的航向角νφ和横倾角
[0008] (2)通过扩张状态观测器估计当前状态的航向角及航向角微分值ζφ1、ζμ，横倾角 及横倾角微分值2;
[0009] (3)由航向微分跟踪器得到期望航向角的跟踪值和微分值νφ1、νφ2，由横倾微分跟 踪器得到期望横倾角的跟踪值和微分值、、;
[0010] (4)由比较器得到航向偏差ezl、ez2，横倾偏差％、
[0011] (5)由航向偏差通过非线性误差反馈航向控制器，并经过扩张状态观测器的补偿， 得到航道虚拟控制指令υφ;由横倾偏差通过非线性误差反馈横倾控制器，并经过扩张状态 观测器的补偿，得到横倾控制通道虚拟控制指令 f：
[0012] (6)将航道虚拟控制指令、横倾控制通道虚拟控制指令通过解算模块B1得到实 际的航向角控制指令Uφ、横倾角控制指令
[0013] (7)将实际的航向角控制指令1^发送给执行机构空气舵，将实际的横倾角控制指 令心发送给执行机构艏喷管，如果没有达到期望值则转到步骤（2)。
[0014] 本发明的气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制装置，跟踪微分器安排过度过 程，实现对目标信号及其各阶微分信号的光滑逼近，可以最快跟踪航向偏差和横倾偏差；包 含了两个控制器，分别对航向控制通道和横倾控制通道进行控制；包含一个解算模块，其输 入是航向控制器和横倾控制器的输出，这两个耦合的控制量通过解算模块，得到控制指令 分别用于执行机构空气舵和艏喷管的控制。由于两个控制器与解算模块的配合，航向控制 通道的控制器通过航向偏差对航向进行控制，横倾控制通道的横倾控制器通过横倾偏差对 横倾角进行控制。最终实现一个输入对应一个输出的控制效果。
[0015] 本发明采用不依赖系统精确模型的自控自抗扰解耦控制算法，借用扩张状态观测 器对系统的扰动进行估计，然后进行补偿，以实现航向一横倾的解耦控制。
[0016] 本发明采用的是自抗扰控制方法，原理如下：
[0017]
[0018] 设计虚拟控制律
[0019]
[0020] -
[0021] 其中
[0022]
[0023]
[0024] 其中，Xl、x2分别对应气垫船的艏向角和回转率；x3、x4分别对应气垫船的横倾角 和横倾角速度；yi、y2分别为控制器的输出航向角和横倾角；u 分别对应航向控制通道 和横倾控制通道的实际控制指令；νψ、％分别对应期望的航向角和横倾角；νψι、νψ2为期望 航向角的跟踪值与微分值；为期望横倾的跟踪值与微分值；Θφ1、eΜ分别对应航 向角偏差及其微分值；$)1、分别对应横倾角偏差及其微分值；>1、分别 对应1 1、12、13、14的估计值；1]111、^/ ?>分别为航向控制通道和横倾控制通道的虚拟控制指令； ιιφ 分别为航向控制通道和横倾控制通道的实际控制指令。r是跟踪微分器的快速因子， h为步长；α、δ为滤波参数。
[0025] 采用自抗扰解耦控制的优点：
[0026] 对于多变量耦合的系统，解耦控制方法用很多种，但最终都是为了转化成为一个 输入对应一个输出的形式。自抗扰解耦控制方法相对其它智能解耦算法，具有结构简单，思 路清晰，结果明显等特点。最重要的是，它不依赖系统精确的数学模型，可以利用状态观测 器对系统的扰动进行估计并加以补偿，大大增加了其应用的范围。另外，自抗扰算法是一 PID调节器为基础改进而来的，更容易为工程人员接受。
【附图说明】
[0027] 图1气垫船航向与横倾的解耦控制装置原理框图。
[0028] 图2气垫船航向与横倾的解耦控制方法流程图。
[0029] 图3a_图3d是气垫船航向控制与航向-横倾解耦控制仿真曲线，其中图3a是艏 向角变化曲线；图3b是回转率变化曲线；图3c是侧滑角变化曲线；图3d是横倾角变化曲 线。
[0030] 图4a_图4b是气垫船舵角与艏喷管角仿真曲线，其中图4a是舵角变化曲线；图4b 是艏喷管角变化曲线。
【具体实施方式】
[0031] 下面举例对本发明做更详细的描述。
[0032] 结合图1，本发明的应用于气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制装置，主要包括 微分跟踪器、扩张状态观测器、比较器、航向控制器、横倾控制器和解算模块。
[0033] 1、微分跟