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潜艇应急上浮操纵运动分析与控制技术研究

戴余良  
【摘要】: 潜艇是现代海军最重要的威慑力量之一,各国海军争相发展。近年来,世界潜艇频繁出事,其安全问题日益突出,研究潜艇应急情况下的操纵运动规律及控制方法是解决潜艇安全问题的基础性研究工作之一,本文率先对这一课题进行了理论研究与探索。 首先,对潜艇压载水舱高压气吹除系统物理模型进行了合理简化,通过分析高压气吹除主压载水舱的动态过程,根据流体力学、空气动力学和热力学等的基本定理定律,首次建立了潜艇主压载水舱高压气吹除系统供气吹除、停止供气和解除气压(或部分气压)操作过程的完整数学模型;另外,利用动力系统建模与仿真软件MSC.EASY5建立了压载水舱高压气吹除过程模型。两者的仿真结果与实艇操纵情况基本吻合。建立了潜艇舱室破损进水时的附加力计算数学模型,与潜艇大攻角运动时的六自由度运动模型、主压载水舱高压气吹除系统模型一起构成了潜艇应急上浮时的完整数学模型,为研究潜艇应急吹除时的运动规律和操纵控制方法提供了条件。 本文首次将非线性系统运动稳定性与分叉理论及其数值分析方法用于潜艇应急上浮运动的稳态响应及稳定性分析,并通过潜艇大攻角六自由度运动方程数值积分的动态仿真对分析结果进行了验证,两者是一致的。通过深入研究航速、升降舵、方向舵和剩余浮力及其作用位置对潜艇应急上浮运动稳定性的影响,表明潜艇应急上浮运动即使在左右舷对称的情况下,并不总是限于垂直面内,可能出现横滚运动,在某种临界条件下,运动可能失稳,出现分叉现象,对这种现象的机理用奇异性与分叉理论进行了分析,为潜艇应急上浮的操纵与控制方法提供了理论依据。 在潜艇六自由度非线性运动基本方程的基础上,结合舱室破损进水模型和主压载水舱高压气吹除系统模型,对潜艇舱室破损进水时应急上浮的影响因素和操纵与控制方法进行了大量深入的仿真研究,获得了控制潜艇安全应急上浮的操纵方法,对实际操艇有一定的指导意义,为潜艇应急上浮自动控制系统的设计提供了依据。 本文设计了一种新型的滑模模糊控制器,首次成功应用于潜艇应急上浮的自动控制。为了克服舵、主压载水舱的注排水装置及高压气吹除系统等执行机构响应滞后的影响,开发了潜艇应急上浮的灰色预测控制系统。仿真结果表明系统鲁棒性强,控制效果良好。


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