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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。


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