超空泡航行體的數(shù)學(xué)建模與控制方法研究.pdf

1、近年來，隨著超空泡現(xiàn)象被證明可以大幅減小水下航行體的航行阻力，使超空泡航行體獲取超高速性能，對(duì)超空泡技術(shù)的研究成為各海軍強(qiáng)國的新寵。本論文以國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目的研制任務(wù)為背景，依據(jù)國內(nèi)外已經(jīng)公布的研究資料并結(jié)合已掌握的知識(shí)對(duì)超空泡航行體的特性進(jìn)行了詳細(xì)地分析，建立了超空泡航行體的非線性數(shù)學(xué)模型，并重點(diǎn)對(duì)超空泡航行體的控制方法進(jìn)行了研究，其主要工作和成果如下： 首先，研究了超空泡航行體的總體配置，針對(duì)超空泡航行體的尾舵自身產(chǎn)生空化的

2、不足，提出了采用空化器作為超空泡航行體執(zhí)行機(jī)構(gòu)的無尾舵配置方案，對(duì)超空泡航行體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制；鑒于超空泡航行體的航行環(huán)境獨(dú)特，其表面絕大部分被空泡包裹，所受到的流體力比較特殊，依據(jù)航行體的航行速度，列出了4種穩(wěn)定模式，并建立了穩(wěn)定模式下超空泡的動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)了作用在航行體尾部上的滑行力和力矩；結(jié)合對(duì)超空泡航行體詳細(xì)的受力分析，應(yīng)用牛頓定律及相關(guān)的動(dòng)力學(xué)理論，建立了超空泡航行體的非線性數(shù)學(xué)模型，最后對(duì)超空泡航行體的非線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了線性

3、化處理。 其次，根據(jù)超空泡航行體巡航段的特性，論文進(jìn)行了超空泡航行體的魯棒H∞控制研究，應(yīng)用混合靈敏度方法設(shè)計(jì)了超空泡航行體的魯棒H∞定深控制器。分析了干擾和模型的不確定性，提出將超空泡航行體受到的重力看作常值干擾，合理地選擇了加權(quán)函數(shù)，建立了超空泡航行體廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，得到了低階次的簡單易于物理實(shí)現(xiàn)的控制器，并對(duì)控制器的性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的控制器在系統(tǒng)性能和系統(tǒng)魯棒性方面均滿足要求。并針對(duì)航行體水動(dòng)力參數(shù)具有攝動(dòng)的情況

4、，對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，在具有干擾和水動(dòng)力參數(shù)攝動(dòng)的情況下時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能依然良好。 最后，鑒于設(shè)計(jì)的魯棒H∞定深控制器不宜進(jìn)行大范圍的深度調(diào)整，論文對(duì)超空泡航行體的非線性H∞控制進(jìn)行了研究。通過研究非線性H∞控制和系統(tǒng)耗散性的關(guān)系可知，對(duì)于滿足一定條件的非線性系統(tǒng)，系統(tǒng)具有非負(fù)函數(shù)V(x)滿足HJI(Hamilton—Jacobi—Isaacs)不等式，系統(tǒng)的γ耗散性和系統(tǒng)的L2增益不大于γ這三者之間具有

5、等價(jià)關(guān)系。對(duì)于控制輸入和干擾輸入滿足匹配關(guān)系的非線性系統(tǒng)，研究了非線性H∞控制的構(gòu)造解法，并給出了保證非線性系統(tǒng)L2增益條件，即非線性H∞控制問題有解的充分條件，避免了復(fù)雜的HJI不等式求解。針對(duì)超空泡航行體的性質(zhì)，應(yīng)用反步遞推的方法，直接構(gòu)造儲(chǔ)能函數(shù)，設(shè)計(jì)了超空泡航行體縱平面內(nèi)俯仰角的非線性H∞控制器，并對(duì)所設(shè)計(jì)的非線性H∞控制器進(jìn)行仿真，仿真表明設(shè)計(jì)的非線性H∞控制器對(duì)超空泡航行體的俯仰角具有良好的控制效果。最后結(jié)合設(shè)計(jì)的定深控制器