[发明专利]一种水翼船爬浪控制方法

说明书

一种水翼船爬浪控制方法涉及涉及控制策略领域，具体涉及一种水翼船爬浪控制方法。包括以下步骤：(1)建立海浪波高序列模型及预测序列；(2)建立力及力矩平衡非线性方程；(3)测量船体的相对海平面的高度；(4)计算船体跟随海浪的偏差值；(5)判断水翼出水与艇体击水情况；6)设计有限时域最优控制性能指标，选择决策变量，计算控制所需的襟翼偏转角，控制水翼船纵向位移高度；(7)在一个海浪周期内，重复执行整个优化过程。本发明通过预报海浪序列，设计离散分段控制方法，实时更新控制输出，从而使水翼船及时的跟踪高海情的波高变化，减少水翼出水和船体击水。

技术领域

本发明涉及控制策略领域，具体涉及一种水翼船爬浪控制方法。

背景技术

水翼船是一种具有快速性，耐波性，阻力小，适航性等特点的高性能船舶，水流快速通过水翼，从而在水翼上下表面产生压力差将船体拖起，减小船体湿表面积，降低摩擦阻力和兴波阻力，从而使航行阻力大幅下降，解决了一般排水型船舶快速航行时阻力较大的问题，大大减少了海浪对船体的冲击和影响，具有较好的适航性。然而，由于水翼船的船体被完全拖出水面，只有水翼、舵、浆位于水面之下，使得水翼船不能提供一定的恢复力和恢复力矩，自稳性大大降低。

在高海情下，随机海浪波幅及波高变化剧烈，水翼船在海面航行时，易出现水翼出水或艇体击水的现象。船体击水将使船体遭受到的瞬时阻力增加，影响船体航行的稳定性，并且对船体具有一定的磨损，减少水翼船的使用寿命。当水翼出水，会大大降低水翼提供的升力，使得水翼船瞬时垂向速度增加，影响水翼艇的纵向受力和力矩，使得水翼船纵向运动剧烈，并且影响水翼船航行的安全性能。所以研究水翼艇的爬浪控制方法具有重要意义。

目前对于水翼船爬浪控制方法的研究较少，并且多用最优控制策略进行研究，模型简单，不能实时跟踪海浪变化，从而及时调整控制策略。

发明内容

本发明的目的在于提供使水翼船及时的跟踪高海情的波高变化，减少水翼出水和船体击水的一种水翼船爬浪控制方法。

一种水翼船爬浪控制方法，包括以下步骤：

(1)根据根据传感器获得的实际海浪波高，随机理论及海浪能量分布，建立海浪波高序列模型及预测序列；

(2)根据水翼船的运动学与动力学特性建立力及力矩平衡非线性方程；

(3)根据船艏的高度传感器测量船体的相对海平面的高度；

(4)根据预测海浪波高，计算船体跟随海浪的偏差值；

(5)将海浪波高与水翼支柱的长度进行比较，判断水翼出水与艇体击水情况，若出现水翼出水及艇体击水情况，则执行第(6)步、第(7)步，未发生水翼出水及艇体击水，则按原系统稳定控制策略设计；

(6)根据跟随偏差及控制性能要求，设计有限时域最优控制性能指标，选择决策变量，计算控制所需的襟翼偏转角，控制水翼船纵向位移高度；

(7)在一个海浪周期内，重复执行整个优化过程，进行滚动优化，实现海浪的实时预测和跟随。

步骤(4)中，通过公式，计算船体跟随海浪的偏差值，其中e(k+1) 为传感器测得的k+1时刻水翼船实际纵向高度与期望跟踪波高的误差，Z(k+1)为k+1时刻系统的输出，为波高序列k+1时刻的波高值。

步骤(5)中，判断水翼出水与艇体击水情况，满足以下条件：水翼船不发生水翼出水及艇体击水，其中为波高序列k+i时刻的波高值，Z(k+i)为k+i时刻系统的输出，h为翼航时船体底部到静水面垂直距离，l为船体底部到水翼面垂直距离，i为非负整数。