超空泡航行體縱向運(yùn)動魯棒控制研究.pdf

1、在水下航行體所受到的阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在空氣中受到的阻力，這嚴(yán)重制約著航行體速度的提高。超空泡技術(shù)作為水下航行體的有效減阻方法，近年來吸引了越來越多學(xué)者的興趣。在超空泡航行體的研制過程中，其數(shù)學(xué)建模和控制技術(shù)一直都是最為關(guān)鍵的部分。當(dāng)航行體包裹于空泡中時，一方面航行體遇到的阻力急劇降低，高速航行成為可能，另一方面航行體受到的流體動力及其力矩平衡方式也隨之改變，這些都使超空泡航行體的動力學(xué)建模和控制變得極為難度。因此研究超空泡航行體的數(shù)學(xué)模型及

2、其機(jī)動控制方法具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本文重點(diǎn)對超空泡航行體縱向運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上完成了航行體縱向運(yùn)動的控制方法設(shè)計(jì)與仿真分析。
　　本文首先建立了航行體的體坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系下分析了航行體在水中運(yùn)動時受到的力和力矩，包括重力、空化器受力、尾舵受力、滑行力以及這些力對應(yīng)的力矩。重點(diǎn)分析了航行體與空泡壁相互作用產(chǎn)生的滑行力的兩種建模方法。在受力分析以及力矩分析的基礎(chǔ)上，最終建立了航行體縱向運(yùn)動的非線性的運(yùn)動學(xué)方程

3、以及動力學(xué)方程。其次完成了基于頻域絕對穩(wěn)定方法的超空泡航行體非線性控制研究：將系統(tǒng)模型變換為線性部分與非線性環(huán)節(jié)反饋連接的形式，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用圓判據(jù)設(shè)計(jì)了非線性狀態(tài)反饋控制器，對滑行力的建模不確定性和參數(shù)不確定性情況下控制器的控制品質(zhì)進(jìn)行了仿真分析。然后在分析航行體數(shù)學(xué)模型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于圓判據(jù)的反演控制器，對該控制器的控制效果進(jìn)行仿真分析，并且對比了反演控制器與前文所述非線性控制器的控制效果。再次完成了超空泡航行體時域絕對穩(wěn)定

4、控制器的設(shè)計(jì)：將滑行力的非線性特性表示成扇形區(qū)域條件，結(jié)合Lyapunov方法設(shè)計(jì)了狀態(tài)反饋控制器。所設(shè)計(jì)的控制器是以線性矩陣不等式(LMI)的形式給出的，可以方便的解算控制器的參數(shù)。針對系統(tǒng)處于噪聲干擾情況下的控制器的控制品質(zhì)進(jìn)行了仿真分析。最后完成了超空泡航行體線性參數(shù)變化(LPV)控制器設(shè)計(jì)：通過將滑行力建模為時變參數(shù)與狀態(tài)變量乘積的形式，將原系統(tǒng)表示為系統(tǒng)矩陣仿射依賴于時變參數(shù)的LPV模型，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用Lyapunov方法設(shè)計(jì)