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《哈尔滨工业大学》 2010年
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超空泡航行体动力学建模与姿态机动鲁棒控制方法研究

吕瑞  
【摘要】: 物体在水中受到的阻力约比在空气中高1000倍,水的粘性阻力是限制水下航行体速度最重要的因素,超空泡减阻技术的出现可使物体在水中的阻力减少95%左右,对这一技术的研究已引起世界各国的密切关注。然而利用了超空泡技术的超空泡航行体与常规水下航行体相比是有显著不同的,由于空泡的产生,航行体压力中心前移,并减小了附加质量和阻尼力矩,使航行体对外界干扰的响应更加敏感,给其动力学建模、制导与控制等带来了很大的技术难题。本论文结合国家自然科学基金资助项目“超空泡航行体动力学建模与控制研究”(10802026)及高等学校博士学科点专项科研基金资助项目“超空泡航行体运动稳定性与控制策略研究”(20080213003),在理论上对超空泡航行体的动力学建模及姿态机动时的鲁棒性控制问题展开了深入的研究,其主要研究内容及成果包括以下几个方面: 运用鱼雷力学相关理论,对超空泡航行体进行了详细的受力分析,获得了超空泡航行体的非线性动力学模型,为系统动力学动态特性分析及控制器的设计奠定了基础。 根据航行体在垂直面内的运动特征,简化得到了超空泡航行体纵向运动数学模型。针对相关的动力学动态特性分析的结果,利用动态逆理论设计了超空泡航行体纵向模型的最优控制器。仿真表明,利用动态逆设计方法可以解决基于精确模型的超空泡航行体姿态机动控制问题,并且利用LQR方法获得的控制器具有一定的鲁棒性。 由于超空泡航行体本身存在着建模误差、系统参数不确定性等诸多不确定因素,同时尾部还存在未知外界干扰作用,针对上述因素满足匹配条件时,设计了基于变结构理论的姿态机动控制器。利用Backstepping法设计了新型的滑动模态面,针对空泡形态及空化数摄动时,采用自适应辨识技术与滑模变结构控制设计相结合的思路来为超空泡航行体纵向运动模型设计强鲁棒控制器;针对存在快时变不确定性及干扰作用时,基于Lyapunov方法给出了指数渐近稳定的超空泡航行体控制器的设计方法,并进一步设计了无需控制器范数上界的改进型控制器;为了避免确定未知不确定性及外界干扰范数上界的困难,提出自适应变结构控制器设计方案;最后对比研究了无记忆效应控制器的可行性,得到了在航行体的弱机动及稳定控制时,可以利用无记忆效应的滑行力模型补偿的结论。 针对一类具有非匹配不确定性的非线性系统,基于Lyapunov方法设计了具有保代价的鲁棒性滑动模态面,并给出了该滑动模态面存在的充分条件,提出了指数渐近稳定的变结构控制器及对应的自适应变结构控制器设计方案,然后将该方法应用于超空泡航行体的姿态控制。针对更为一般的非匹配不确定性,基于Backstepping法设计了超空泡航行体的姿态跟踪控制器。仿真结果验证了上述两种方法可以保证航行体的鲁棒性能。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:U661.1

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