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《哈尔滨工程大学》 2008年
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水下超高速航行体动力学建模与控制研究

赵新华  
【摘要】: 水下超高速航行体以其低流体阻力突破了水下运动的速度瓶颈,获得了极高的水下航行速度,将成为新一代的高速水下武器,能够凭借其速度优势打击、拦截陆海空各种军事目标,并以远程攻击、高速、隐蔽等优越的作战效能克敌制胜。本文以国防基础科研项目“水下超高速运动的基础理论与相关技术研究”的研制任务为背景,对水下超高速航行体的动力学建模及纵向运动控制问题进行了深入研究,主要工作如下: 运用刚体动力学原理和船舶运动建模理论,对有尾舵与无尾舵的超高速航行体运动模型进行受力分析与整理,尤其对航行体尾部产生的滑行力进行仿真计算,分析其产生的原因及过程,最后建立了超空泡航行体的非线性动力学模型,为系统动力学特性分析及控制系统的设计奠定了基础。 提出运用小扰动原理对非线性运动方程组进行线性化处理,推导了无尾舵运动模型与有尾舵模型的线性运动微分方程组;对于有尾舵模型提出采用空化器偏转及尾舵偏转为控制变量,推出了其状态空间表达式;对于无尾舵模型,以空化器偏转、航行体冲角及推力矢量偏转为控制变量,推出了无尾舵模型的状态空间表达式,并对有尾舵控制模型及无尾舵控制模型的可控性及可观性进行了分析。 由于水下超高速航行体本身的复杂性,航行体对象本身存在建模误差、系统参数不确定或动态特性不能完全确定的诸多不确定因素,对于有尾舵模型以空化器偏转及尾舵偏转为控制量,采用鲁棒极点配置算法设计控制器,仿真结果表明该方法可以有效地改进模型的动态稳定性;对于无尾舵模型,以空化器偏转、航行体冲角及推力矢量为控制变量,首先采用LQR方法为航行体设计控制器,由于该方法法设计的控制系统抗干扰能力较弱,而后又采用了H_∞混合灵敏度方法及μ综合方法为航行体设计控制器,仿真结果表明所设计的控制系统具有较强的鲁棒性。 在理论研究超空泡航行体动力学特性及控制策略的基础上,提出了超高速水下航行体机动控制系统硬件实现等技术难点及关键问题,并对突变理论在空化问题中的应用进行了探讨,最后针对超空泡问题的研究重点进行了分析和展望。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:U661.1

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 李雪莲;水下超高速航行体微惯性测量组合设计及其相关技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
2 吕瑞;超空泡航行体动力学建模与姿态机动鲁棒控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 林健;水下高速航行体结构振动可靠性分析[D];哈尔滨工程大学;2011年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 顾建农,张志宏,高永琪,郑学龄;充气头型对超空泡轴对称体阻力特性影响的试验研究[J];兵工学报;2004年06期
2 王国强,杨晨俊;空泡螺旋桨升力面理论设计方法[J];船舶力学;2002年01期
3 傅慧萍,鲁传敬,冯学梅;超空泡武器技术中的几个水动力学问题[J];船舶力学;2003年05期
4 冯光,颜开;超空泡航行体水下弹道的数值计算[J];船舶力学;2005年02期
5 颜开;褚学森;许晟;冯光;;超空泡流体动力学研究进展[J];船舶力学;2006年04期
6 陈兢;新概念武器——超空泡水下高速武器[J];飞航导弹;2004年10期
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10 隗喜斌;魏英杰;黄庆新;于开平;张学伟;黄文虎;;通气超空泡临界通气率的水洞试验分析[J];哈尔滨工业大学学报;2007年05期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 曹平;朱宝龙;陈强;;基于突变理论的土质边坡非线性演化分析[J];四川建筑科学研究;2009年06期
2 胡建平;刘亚莲;周翠英;;土石坝失稳的尖点突变模型与临界条件[J];四川建筑科学研究;2011年05期
3 袁辉;重大突发事件及其应急决策研究[J];安全;1996年02期
4 黄玉洁,赵晓杰;双线性系统的含义及其特性[J];鞍山师范学院学报;2005年02期
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6 邹建成;赵占军;;基于突变理论的图像匹配[J];北方工业大学学报;2010年01期
7 李云峰;;突变理论在电力企业经营绩效评价中的应用研究[J];北方经济;2011年12期
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9 李是良;张炜;朱慧;王春华;周星;;水冲压发动机用金属燃料的研究进展[J];火炸药学报;2006年06期
10 王根平,张玉润,周春晖;卡尔曼滤波器在最优控制器设计中的应用[J];兵工自动化;1998年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 周火凤;马保离;;离轴式拖车移动机器人的路径跟踪控制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
2 黄洪艺;彭侠夫;;一类非仿射非线性系统的H_∞控制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
3 黄琳;段志生;杨莹;;现代飞行器控制的几个科学问题[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
4 赵林坤;樊绍胜;;基于闭环增益成形的风力发电转速鲁棒控制[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
5 谢海斌;林龙信;沈林成;;仿生水下机器人仿真系统设计与实现[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
6 张赫;庞永杰;唐旭东;秦再白;;基于VC和Vega联合开发的智能水下机器人仿真系统[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
7 戴余良;俞科云;王世明;苗海;;潜艇水下运动的分叉特性分析[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
8 闫士杰;王旭;;基于H∞性能的微型燃机自适应模糊控制[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
9 熊华胜;严浙平;;水下机器人水动力系数估计及其在航向鲁棒控制中的应用[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
10 高亚辉;杨刚;臧军;;航空发动机液压执行机构模型时域辨识方法研究[A];中国自动化学会控制理论专业委员会B卷[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 侯婷;离散时间Markov跳变系统的稳定性与鲁棒H_2/H_∞控制[D];山东科技大学;2010年
2 戚增坤;突变控制机制及其在船舶非线性横摇运动中的应用研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 母丽华;煤矿安全预警系统的方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 丁国强;惯性导航系统传递对准技术关键问题研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 朱怡;潜艇航行训练模拟器模型简化与参数优化研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
6 贺克羽;新型控制棒水力驱动系统研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
7 刘文海;水下被动目标瞬态特征检测技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 毛宇峰;水下机器人系统体系结构及避障控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 田广平;超空泡运动体壳体结构稳定可靠性分析与优化[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 许爱德;开关磁阻电机在船舶电力推进中的应用研究[D];大连海事大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 武文宾;冲击地压的非线性岩梁混沌动力学分析[D];山东科技大学;2010年
2 刘桂海;基于突变理论的煤层底板突水预测评价方法研究[D];山东科技大学;2010年
3 乔晓国;深水浮式结构动力定位能力动态分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 姜婵娟;遥控式水下机器人PID运动控制算法优化研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 袁瑞琴;嵌入式动力定位控制器的设计与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 张杰;近水面作业的机器人综合减摇机理研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 张家飞;机器人群体协同任务规划与协调避碰[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 王允峰;船舶纵横摇和升沉运动预报方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 王云龙;潜艇抗沉智能决策系统的设计与仿真[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 李建民;AUV水下回收预测与协调控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 安伟光;顾永维;安海;;初偏心影响下的水下高速运动体的抗弯稳定性及可靠性分析[J];兵工学报;2008年07期
2 王新龙;马闪;;光纤陀螺随机漂移误差补偿适用性方法[J];北京航空航天大学学报;2008年06期
3 傅慧萍,鲁传敬,冯学梅;超空泡武器技术中的几个水动力学问题[J];船舶力学;2003年05期
4 冯光,颜开;超空泡航行体水下弹道的数值计算[J];船舶力学;2005年02期
5 颜开;褚学森;许晟;冯光;;超空泡流体动力学研究进展[J];船舶力学;2006年04期
6 姬伟;李奇;;光纤陀螺信号误差分析与滤波算法的研究[J];传感技术学报;2007年04期
7 吉训生;王寿荣;;硅微陀螺漂移数据滤波方法研究[J];传感技术学报;2008年02期
8 张怡;贾民平;;自适应窗长方差估计在多传感器数据融合中的应用[J];传感技术学报;2008年08期
9 涂国平,叶素萍;一种传感器数据的融合算法[J];传感器技术;2003年03期
10 万彦辉,裴听国,戴世荣;数字滤波器在微机械陀螺系统中的应用[J];传感器技术;2003年09期
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 田广平;超空泡运动体壳体结构稳定可靠性分析与优化[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 胡庆雷;挠性航天器姿态机动的主动振动控制[D];哈尔滨工业大学;2006年
3 胡太彬;随机结构动力分析与动力可靠性优化设计[D];西安电子科技大学;2005年
4 何昆鹏;MEMS惯性器件参数辨识及系统误差补偿技术[D];哈尔滨工程大学;2009年
5 王茂励;超空泡航行体的数学建模与控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 刘付强;基于MEMS器件的捷联姿态测量系统技术研究[D];哈尔滨工程大学;2007年
2 刘金峰;无陀螺微惯性测量单元的配置方式研究[D];哈尔滨工程大学;2007年
3 朱荣荣;水下高速运动体超空泡及可靠性研究[D];哈尔滨工程大学;2007年
4 黄艳辉;MTi中微机械陀螺误差测试、建模及补偿研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 宋建国;基于反馈线性化的超空泡航行体控制研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 贾力平;魏英杰;张嘉钟;王聪;于开平;;通气超空泡研究中的几个问题[J];船舶工程;2006年05期
2 颜开;气核对空化的影响──法国的研究进展[J];船舶力学;1998年02期
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5 袁绪龙,张宇文,杨武刚;高速超空化航行体典型空化器多相流CFD分析[J];弹箭与制导学报;2005年01期
6 陈兢;新概念武器——超空泡水下高速武器[J];飞航导弹;2004年10期
7 顾建农,张志宏,郑学龄,金连宝;弹体入水弹道研究综述[J];海军工程大学学报;2000年01期
8 顾建农,高永琪,张志宏,郑学龄;系列头型空泡特征及其对细长体阻力特性影响的试验研究[J];海军工程大学学报;2003年04期
9 王鹏,王树宗;应用在鱼雷上的超空泡技术分析[J];舰船科学技术;2005年02期
10 许辉,邹早建;基于FLUENT软件的小水线面双体船粘性流数值模拟[J];武汉理工大学学报(交通科学与工程版);2004年01期
【相似文献】
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3 卢宏亮;袁世鹰;;永磁直线同步电动机垂直提升系统的鲁棒H_∞控制[J];矿山机械;2010年13期
4 王青,陈新海;一种不确定性线性大系统的分散变结构鲁棒控制新方法[J];西北工业大学学报;1996年01期
5 蒋教恒;现代鲁棒控制及其数学基础[J];华北电力大学学报;2000年04期
6 毕贞福,刘岩!250002;鲁棒控制与H_∞最优化简述[J];山东电力技术;2000年01期
7 苏身榜;张友安;杨华东;;一种空空导弹控制系统一体化设计方案[J];战术导弹控制技术;2002年01期
8 聂大陆;一个新的持续信号鲁棒H_∞控制范数及性质[J];黑龙江工程学院学报;2005年02期
9 周武能,苏宏业,褚健;不确定时滞系统α-鲁棒输出反馈控制[J];浙江大学学报(工学版);2005年09期
10 赵晓凯;姜长生;朱亮;;基于干扰观测器的空天无人飞行器鲁棒飞行逆控制器设计[J];弹箭与制导学报;2005年SD期
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1 董文杰;贾英民;;H_2/H_∞混合控制的凸最优化设计[A];1996年中国控制会议论文集[C];1996年
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3 叶庆凯;;鲁棒控制工具箱的研制[A];1995年中国控制会议论文集(上)[C];1995年
4 韩京清;张文革;高志强;;模型配置自抗扰控制器[A];1998年中国控制会议论文集[C];1998年
5 李响;郝继飞;苗见阳;;MIMO系统的广义误差反馈控制[A];1998中国控制与决策学术年会论文集[C];1998年
6 徐道义;钟守铭;;大系统分散控制与鲁棒控制的几个结果[A];1994年中国控制会议论文集[C];1994年
7 刘建军;何玉敖;;基于人工神经网络(ANNs)的结构振动鲁棒控制[A];第十二届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ册[C];2003年
8 赵林坤;樊绍胜;;基于闭环增益成形的风力发电转速鲁棒控制[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
9 周东涛;兰维瑶;陈亚陵;;球形贮液箱液体晃动的H_∞控制器设计[A];1999中国控制与决策学术年会论文集[C];1999年
10 李树荣;田学民;张利洲;;热炉系统鲁棒控制器的设计[A];1997年中国控制会议论文集[C];1997年
中国重要报纸全文数据库 前8条
1 陈可;鲁棒控制理论及航天应用成果丰硕[N];科技日报;2006年
2 姜恩 记者 张丽辉;燕山大学关新平教授获2006年度高校自然科学一等奖[N];河北日报;2007年
3 ;我校获2008年度国家科技奖成果简介[N];新清华;2009年
4 本报记者 王素艳;丹青难写是精神[N];秦皇岛日报;2006年
5 王勤 顾永红;中国自控领域的著名学者——冯纯伯[N];光明日报;2002年
6 沈阳建筑工程学院 吴成东 高峰;我国智能建筑走向何方?[N];中华建筑报;2000年
7 本报记者  张蕾;干科学事业 绘精彩人生[N];光明日报;2006年
8 陈静 周海洋;省科技厅来潭检查重点项目[N];湘潭日报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 赵新华;水下超高速航行体动力学建模与控制研究[D];哈尔滨工程大学;2008年
2 黄自元;扫描探针显微镜智能自动化策略研究及应用[D];上海大学;2004年
3 丰保民;自由漂浮空间机器人轨迹规划与轨迹跟踪问题研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
4 王茂励;超空泡航行体的数学建模与控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2008年
5 蓝益鹏;永磁直线电机伺服系统鲁棒控制的研究[D];沈阳工业大学;2007年
6 刘大亮;一种球形移动机器人的运动分析与控制技术的研究[D];北京邮电大学;2009年
7 丛佩超;空间机械臂抓取目标的碰撞前构型规划与控制问题研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
8 冯伟;超小型无人直升机飞行姿态的鲁棒控制研究[D];上海大学;2009年
9 常胜;半挂汽车列车动态特性分析与鲁棒控制[D];吉林大学;2011年
10 姜培刚;不确定时变时延系统的鲁棒控制及其在网络通信系统中的应用[D];清华大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王莹;新型汽车主动悬架系统及其鲁棒控制研究[D];广东工业大学;2005年
2 卜劭华;液压伺服驱动位置系统的鲁棒控制[D];燕山大学;2002年
3 秦岭;具有区域极点约束的不确定系统鲁棒控制[D];武汉科技大学;2003年
4 邹治军;基于模糊控制的Smith预估器的改进研究和设计[D];合肥工业大学;2005年
5 李勇;基于观测器的非线性系统鲁棒自适应模糊控制[D];大连理工大学;2006年
6 许巍丽;全方位移动机器人鲁棒控制[D];沈阳工业大学;2006年
7 薛鹏;永磁同步伺服电动机二自由度控制[D];沈阳工业大学;2006年
8 林安辉;切换系统的鲁棒控制研究[D];厦门大学;2007年
9 安明伟;机床用磁悬浮系统悬浮高度的鲁棒控制研究[D];沈阳工业大学;2010年
10 陆磊;电动轮椅的建模与轨迹控制的仿真研究[D];上海交通大学;2010年
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