非全包裹超空泡航行体动力学分析与姿轨控制研究

发布时间：2020-06-18 03:09

【摘要】：超空泡减阻是目前一种较为行之有效的提高水下航行体速度的技术,已先后被各个军事强国列为水下高速武器规划重点项目之一。采用高性能推进技术,可形成自然空泡或人工通气空泡,实现由空泡包裹航行体,从而达到降低航行阻力的目的。特别地,非全包裹超空泡航行体因其空泡包裹部分航行体的特殊性,吸引了越来越多的关注。与此同时,空泡的部分包裹也给航行体的控制系统设计带来相当大的挑战,航行体的动力学特性也因空泡的非全包裹形态而变得更加复杂。因此,开展对于非全包裹超空泡航行体(Incomplete Encapsulated Supercavitating Vehicle,IESV)的控制系统研究,对于揭示非全包裹超空泡航行体的复杂动力学特性,提高超空泡航行体的机动性能,以及促进超空泡技术的工程应用,均具有重要的理论价值和实践意义。本文针对超空泡航行体在非全包裹状态下的动力学特性进行分析并建模,并在此基础上研究航行体的姿轨控制问题。论文的主要工作和研究成果如下:(1)非全包裹超空泡航行体(IESV)的动力学特性分析与建模研究以非全包裹超空泡航行体作为研究对象,从空泡轮廓的预测模型出发,分析了航行体在该状态下的受力特性,并在此基础上建立了非全包裹超空泡航行体的动力学模型,进一步处理得到航行体纵平面内的二自由度动力学模型。仿真分析了航行体的纵向动力学特性及动态性能,为后续控制系统的研究奠定了基础。(2)尾部压差经验值效率不确定下的IESV控制器设计针对非全包裹超空泡航行体受力分析中的尾部压差经验值效率不确定的问题,将该效率参数考虑为系统中的未知参数,设计了以空化器及尾部直接侧向力作为控制输入的反演变结构控制器,并对该未知的效率参数设计了参数自适应律。对于系统模型中存在的范数有界的未知外界干扰项,设计了扩展状态观测器对其进行估计和补偿。通过理论证明和仿真分析,验证了该方法对于系统中存在未知单一参数时的控制有效性,并进一步仿真分析了空泡长度对控制性能的影响。(3)存在模型不确定性下的IESV控制器设计首先,针对非全包裹超空泡航行体的空泡包裹长度、尾部最大受力面积、气泡干扰等因素难以测量而导致的模型不确定性问题,利用反演控制方法设计了一种非全包裹超空泡航行体姿轨控制器,将上述未知元素连同状态变量构成多个未知项,同时针对模型中的未知项,利用径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络进行逼近并补偿,由基于Lyapunov稳定理论设计的自适应方法计算神经网络的权重,并给出了稳定性证明。其次,考虑模型不确定性的一种简化情况,即许多工程应用中虽然系统参数可知,但是由经验公式给出,不能保证其准确性。针对此类问题,提出了一种计算力矩控制器来实现非全包裹超空泡航行体姿轨控制,在考虑模型已知但存在模型误差的情况下,通过RBF神经网络估计模型误差,有效降低了模型误差对于控制器性能的影响。理论证明和仿真结果均验证了所提出的控制算法的有效性。(4)考虑执行器饱和特性的IESV控制方法研究针对非全包裹超空泡航行体姿轨机动时可能出现的执行器非光滑性饱和问题,开展抗饱和控制器设计。基于高斯误差函数设计了连续可微非对称光滑饱和模型,用于解决常规非光滑饱和执行器的非线性问题。提出了一种自适应RBF神经网络控制器来估计系统中的未知项,并且通过反演法设计了姿轨控制器。最后基于Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统中所有的状态变量均为一致最终有界,且跟踪误差可收敛到零值较小的邻域内。仿真结果证实了所提出的控制器的有效性。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U661.1;TJ6
【图文】：

超空泡,运动物体

超空泡形成后，运动物体完全或几乎完全被空泡包围，这样，运动物体逡逑接触的介质就由水变成空气，物体类似于在空气中运动，利用超空泡技术可以使水逡逑下物体的阻力减少７５％以上Ｗ邋（如图１－１所示）。逡逑ＬＪ｜＾逡逑图１－１超空泡航行体逡逑１逡逑

反鱼雷鱼雷,梭鱼,超空泡

姆侨鄊丬Y超空泡航行体动力学分析与姿轨控制研究逡逑图１－４邋“暴风”．超．空泡鱼雷逡逑悉，德国在２００７年成功试验的“梭鱼”（ＢＡＲＲＡＣＵＤＡ）超空泡反鱼雷鱼雷，如逡逑图１－５所示。主要作战对象为敌方来袭鱼雷，速度达到１２０ｍ／ｓ，旋回角速率大亍逡逑１００°／ｓ，转弯半径小于６０ｍ，转弯３６０°所用时间低于３．６ｓ。此外，“梭鱼”超空泡逡逑反鱼雷鱼雷还解决了超空泡鱼雷的制导问题，该鱼雷上所携带的声纳可捕获２００ｍ以逡逑外的目标。其作战模式为首先在发射前由发射平台探测得到拦截点具体位置，再由逡逑惯性制导系统将鱼雷导引至拦截点，最后切换到自导模式，通过声自导方式命中目逡逑标据外媒报道，德国对于水下超空泡武器的未来发展计划仍然集中在制导、控逡逑制和发射等关键技术上。“梭鱼”超空泡反鱼雷鱼雷的成功研制为其下一步的发展逡逑奠定了基础

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