变空化数超空泡航行体智能控制及导引方法研究

发布时间：2020-07-17 23:19

【摘要】：超空泡技术可以从根本上改变水下航行体的阻力特性,使其减少约90%的水下阻力,从而大幅提升水下武器的作战效能,拥有巨大的军事应用价值。与此同时,超空泡航行体在外形结构、流体动力特性等方面与常规水下航行体相比具有鲜明的差异,特别是在加速运动阶段,空泡逐渐发展延长直至覆盖整个航行体表面,使动力学特性更加复杂。这为其动力学建模、控制及导引系统设计等问题的解决带来了极大的难度。本文在超空泡航行体空泡流场特性和受力特性研究的基础上,建立了包含加速段的变空化数超空泡航行体非线性动力学模型,继而基于智能算法对其控制及导引问题进行了深入的研究。主要研究内容及成果如下:开展超空泡航行体加速及巡航过程中的空泡流场演化规律和受力特性研究,建立了非线性动力学模型。首先,考虑了空泡记忆效应、重力作用、空化器偏转等因素对空泡轴线偏移的影响,利用Logvinovich空泡截面独立膨胀原理对非定常超空泡形态进行了预测;在此基础上,根据加速运动过程中被空泡包裹的程度,对超空泡航行体表面进行区域划分,并详细分析了各区域的流体动力;结合基于Rayleigh-Plesset方程的尾部推力计算模型等,建立了变空化数超空泡航行体非线性动力学模型;进而通过超空泡航行体弹道预示仿真分析,给出了无控条件下的弹道及稳定性规律。针对忽略不确定性的变空化数超空泡航行体姿态机动控制问题,采用精确线性化方法对模型进行解耦及线性化处理,进而根据线性系统理论设计了姿态机动最优控制器。仿真结果表明,忽略不确定性的情况下,精确线性化方法可以较好地解决超空泡航行体的姿态机动控制问题。针对考虑不确定性的变空化数超空泡航行体姿态机动控制问题,基于滑模变结构控制理论与模糊控制理论设计了三种鲁棒控制器。第一种,采用反步法设计思想,并利用非线性阻尼技术抵消系统不确定项的干扰,设计了姿态机动滑模控制器。第二种,以滑模切换函数及其导数作为模糊控制的输入,设计了姿态机动模糊控制器。仿真分析了以上两种控制器的性能特点,并针对其在稳定性及鲁棒性等方面的不足,设计了一种间接自适应状态反馈模糊滑模控制器。该控制器以模糊逻辑系统逼近系统未知函数,采用自适应算法对外界干扰及模糊逼近误差进行补偿,通过引入一种新型趋近律有效提高了趋近速度并降低了抖振。在流体动力参数摄动及外界干扰条件下的仿真结果表明,控制系统具有很好的鲁棒性与抗干扰能力,且有效抑制了滑行力的产生。基于尾流气泡数密度梯度信息,研究了以大型水面舰艇为攻击目标的超空泡航行体导引律设计问题。以切换函数作为RBF神经网络的输入,结合自适应算法实时调节网络连接权值,设计了一种自适应RBF神经网络滑模导引律。仿真结果表明,航行体能快速跟踪尾流中心轨迹,脱靶量小且有效减小了追踪距离。基于零化视线角速率,研究了超空泡反鱼雷鱼雷(SATT)导引律设计问题。利用RBF神经网络对目标机动造成的系统不确定性进行自适应补偿,同时根据系统与滑模面间的距离,自适应地调节切换增益以降低抖振,设计了一种RBF神经网络增益自适应滑模导引律,算法中克服了网络权值的未知上界有界(UUB)问题。仿真结果表明,该导引律对机动目标进行拦截时具有很强的鲁棒性,脱靶量小,弹道平滑且导引末端法向过载小。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ6
【图文】：

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哈尔滨工业大学工学博士学位论文触，流体动力特性与常规水下航行体相比有很大的差异。特别是在加速运动阶段，空泡逐渐发展延长直至覆盖整个航行体表面，空化数、沾湿面积等参数变化剧烈，流体动力特性更加复杂。这给超空泡航行体的动力学建模及控制、制导带来了很大的难度。

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将尾部排气注入局部空泡，使之迅速膨胀形成超空泡包裹几乎整个雷体。“暴风”鱼雷最大的优势无疑是超高的航速，基本不给目标预警时间，拥很高的近程命中概率，并且它甚至无需战斗部，仅仅依靠本身的巨大动能就能目标以重创。与此同时，“暴风”也存在不少的缺点，首先是其无法制导，只能直航弹道攻击目标，其次射程较短无法对远程目标实施有效打击，此外由于采火箭发动机推进，其攻击弹道上会留有明显的尾迹，且火箭发动机的工作及空的溃灭均会产生巨大的噪声，这些都容易暴露发射位置，不利于发射平台的隐蔽在第一代“暴风”的基础上，俄罗斯的研发部门对其进行了升级改进。据称新一代的“暴风”对动力装置、空泡产生系统及制导系统均作了相应改进。它配备推力矢量发动机，机动能力大幅提高，并采用线导加声自导的复合制导方导引鱼雷，同时空化器也经过全新的设计，采用更加灵活的空泡产生系统，能超空泡状态与沾湿状态间切换，以适应鱼雷不同的机动状态。鱼雷会以 60 节左的速度对目标进行搜索，并以 300 节以上的高速发动攻击，在新型空泡发生系的配合下，鱼雷可以实现中途减速重新选择攻击目标，同时其航程也将有大幅提高。

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a) 机载快速灭雷系统 b) 自适应水下高速射弹系统a) RAMICS b) AHSUM图 1-3 机载快速灭雷系统与自适应水下高速射弹系统Fig.1-3 RAMICS and AHSUM图 1-4 超空泡射弹Fig.1-4 Supercavitating projectile上述两种超空泡射弹系统已相当成熟，基本接近实战水平。与此同时，美国对超空泡技术在潜艇、钻地炸弹、水面舰艇等方面的应用也进行了深入的研究。美国国防高级研究计划局（DARPA）正与诺斯罗普·格罗曼公司进行有关超空泡潜艇技术的研究，称为“水下快车”计划[5]。该计划旨在研制一种直径 2.43m，质量60t，潜深约 6m，航速可达 100 节的超空泡水下高速运输艇，用于隐蔽、快速地运输高价值军事物资或特种作战小分队。为了提高钻地炸弹的侵彻能力，美国海军水面作战中心（NSWC）与洛克希

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