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基于反馈线性化的超空泡航行体控制研究

宋建国  
【摘要】:水下超空泡航行体在空泡的包裹下,其所受阻力大幅度减小,航行速度实现质的飞跃,超空泡技术可使鱼雷像导弹一样在水中“飞行”。然而,超空泡技术在水下航行体减阻方面取得巨大成果的同时,也给超空泡航行体的稳定与控制带来严峻的挑战。因航行体被空泡包裹,其流体动力特性发生了深刻的变化,对控制策略提出了更为严格的要求。本论文就是在对超空泡航行体进行受力分析的基础上,根据动量定理与动量矩定理完成运动方程组的建立,并据此完成对超空泡航行体的机动控制,主要研究内容如下: 完成超空泡航行体的动力学建模。为描述超空泡航行体的运动规律定义了相关坐标系,选取运动参数,并推导坐标系之间的转换关系;对超空泡航行体在水中的稳定航行方案进行比对分析,并确定航行体尾部在空泡内壁稳定滑行方案;选取空泡模型方程,并对空泡形态的影响因素进行研究;确定航行体的几何模型,对航行体各部分的流体动力及力矩进行分析计算;最终建立了超空泡航行体六自由度的动力学与运动学方程。 建立超空泡航行体纵向运动模型与侧向无横滚运动模型,并对模型的开环特性、动态耦合特性、操纵耦合特性进行分析。在模型的建立过程中,依据相关化简准则,对运动模型进行简化处理。在侧向运动模型的建立过程中,考虑到横滚角对纵向运动与侧向运动的交连,选择在横滚得到有效控制的情况下,建立侧向无横滚运动模型。 完成超空泡航行体的非线性控制。在超空泡航行体动力学建模与动态特性分析的基础上,分别采用滑模变结构控制理论与LQR最优控制理论实现对超空泡航行体的定深控制、俯仰控制、侧移控制与偏航控制。基于模型本身的非线性与动态耦合、操纵耦合严重的特点,采取反馈线性化方法分别对纵向模型与侧向无横滚模型进行线性化与解耦处理。最后对滑模控制与LQR最优控制的控制效果进行比对分析。


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