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水下高速超空泡射弹建模与最优控制

陈云  
【摘要】:当物体在水下高速运动时,随着航行速度的提高,物体表面局部压力减小,接触面液体气化从而形成空泡。实验证明,当物体被大量空泡包裹,形成包络时,其所受流体阻力将大大减小,从而使水下运动体的速度产生质的飞跃,进而对未来水下战局的分布产生重大影响。本文的研究基于“XX基金项目”,在国内外现有实验研究的基础上,建立了完整的水下超空泡高速射弹的六自由度控制模型,分析了系统的稳定性,并设计了稳定的反馈控制率,主要工作如下: 根据导弹飞行力学与鱼雷飞行力学原理,定义建立水下高速超空泡射弹常用坐标系与特殊坐标系及其转换矩阵;分析空泡产生的原理,以及产生稳定空泡的途径,为超空泡射弹的稳定控制奠定基础;分析探讨了两种常用的空泡外形计算公式,并对比于本文所用的简化公式,得出本文控制所需空泡体的外形公式和轴线飘移公式。 运用刚体动力学知识,建立水下高速超空泡射弹的六自由度运动学方程以及动力学方程。对弹体所受空化器力、尾舵力、以及滑行力产生原因,推导方式进行了全面的介绍,并得出了弹体主要受力以及力矩的计算公式,仿真分析了空化器力与力矩、尾舵力与力矩在弹体坐标系的分量随相应角度的变化关系。 运用Matlab仿真软件,将超空泡射弹的主要受力及力矩用M函数的方式表达出来,通过函数调用,建立了完整的弹体六自由度仿真模型;对非线性弹体模型进行了稳定性分析,以及开环测试仿真;针对模型参数的可变性,在一定范围了测试了参数变化对开环系统稳定性的影响;在系统直航运动平衡点附近进行模型的线性化,得到了系统的状态空间方程,用相同的控制输入比较测试了线性模型与非线性模型的匹配性问题,并对系统的可控性可观测性进行了分析。 设计以尾舵偏转加空化器偏转的控制方式,在状态空间方程的基础上设计了系统的线性二次型最优控制,并测试了系统在给定输入下的稳定性,仿真比较了该控制方法在线性系统以及非线性系统的匹配性问题;运用遗传算法进行优化,求解出系统最优控制率,并测试了优化后的控制系统的稳定性,仿真结果表明,运用遗传算法得到的最优解,具有更佳的控制稳定性,且提高了系统的响应速度;仿真分析了利用遗传算法优化后的闭环系统的特性。


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