水下超高速航行体动力学建模与控制研究

论文摘要

水下超高速航行体以其低流体阻力突破了水下运动的速度瓶颈,获得了极高的水下航行速度,将成为新一代的高速水下武器,能够凭借其速度优势打击、拦截陆海空各种军事目标,并以远程攻击、高速、隐蔽等优越的作战效能克敌制胜。本文以国防基础科研项目“水下超高速运动的基础理论与相关技术研究”的研制任务为背景,对水下超高速航行体的动力学建模及纵向运动控制问题进行了深入研究,主要工作如下:运用刚体动力学原理和船舶运动建模理论,对有尾舵与无尾舵的超高速航行体运动模型进行受力分析与整理,尤其对航行体尾部产生的滑行力进行仿真计算,分析其产生的原因及过程,最后建立了超空泡航行体的非线性动力学模型,为系统动力学特性分析及控制系统的设计奠定了基础。提出运用小扰动原理对非线性运动方程组进行线性化处理,推导了无尾舵运动模型与有尾舵模型的线性运动微分方程组;对于有尾舵模型提出采用空化器偏转及尾舵偏转为控制变量,推出了其状态空间表达式;对于无尾舵模型,以空化器偏转、航行体冲角及推力矢量偏转为控制变量,推出了无尾舵模型的状态空间表达式,并对有尾舵控制模型及无尾舵控制模型的可控性及可观性进行了分析。由于水下超高速航行体本身的复杂性,航行体对象本身存在建模误差、系统参数不确定或动态特性不能完全确定的诸多不确定因素,对于有尾舵模型以空化器偏转及尾舵偏转为控制量,采用鲁棒极点配置算法设计控制器,仿真结果表明该方法可以有效地改进模型的动态稳定性;对于无尾舵模型,以空化器偏转、航行体冲角及推力矢量为控制变量,首先采用LQR方法为航行体设计控制器,由于该方法法设计的控制系统抗干扰能力较弱,而后又采用了H_∞混合灵敏度方法及μ综合方法为航行体设计控制器,仿真结果表明所设计的控制系统具有较强的鲁棒性。在理论研究超空泡航行体动力学特性及控制策略的基础上,提出了超高速水下航行体机动控制系统硬件实现等技术难点及关键问题,并对突变理论在空化问题中的应用进行了探讨,最后针对超空泡问题的研究重点进行了分析和展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 国外超空化技术研究进展
• 1.2.2 国内超空化技术发展现状
• 1.3 水下超空泡航行体控制技术研究进展
• 1.4 论文的主要工作
• 第2章 超空泡的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 超空泡形成的基本机理
• 2.3 超空泡航行体的组成及若干关键技术
• 2.3.1 超空泡航行体的组成
• 2.3.2 超空泡问题若干关键技术
• 2.4 超空泡形态计算模型
• 2.4.1 定常轴对称超空泡形态特性分析
• 2.4.2 非轴对称超空泡形态特性
• 2.4.3 非定常超空泡形态特性理论分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 超空泡航行体动力学建模
• 3.1 引言
• 3.2 坐标系定义
• 3.2.1 固定坐标系
• 3.2.2 航行体运动坐标系
• 3.2.3 空化器及尾舵坐标系
• 3.2.4 速度坐标系
• 3.2.5 坐标之间的转换关系
• 3.3 航行体垂直面内受力分析
• 3.3.1 超空泡航行体简化模型的建立
• 3.3.2 空化器受力
• 3.3.3 重力
• 3.3.4 推力
• 3.3.5 尾舵受力
• 3.3.6 滑行力
• 3.4 超高速航行体的动力学方程
• 3.5 本章小结
• 第4章 纵向运动模型的线性化及动力学特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 小扰动理论线性化方法
• 4.3 平衡控制量的获取
• 4.3.1 模型A平衡控制量的获取
• 4.3.2 模型B平衡控制量的获取
• 4.4 纵向运动状态空间方程的建立
• 4.4.1 模型A的状态空间方程
• 4.4.2 模型B的状态空间方程
• 4.5 状态空间模型的特性分析
• 4.5.1 模型A的特性分析
• 4.5.2 模型B的特性分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 超空泡航行体纵向运动控制策略设计
• 5.1 引言
• 5.2 超空泡航行体控制方案
• 5.3 鲁棒极点配置方法
• 5.3.1 问题的描述
• 5.3.2 鲁棒极点配置算法
• 5.3.3 仿真结果分析
• 5.4 LQR最优控制方法
• 5.4.1 控制系统设计
• 5.4.2 LQR最优控制理论
• 5.4.3 控制效果分析
• 5.5 鲁棒控制方法
• 5.5.1 鲁棒控制理论
• 5.5.2 纵向运动控制系统设计
• 5.5.3 仿真研究
• 5.6 本章小结
• 第6章 超空泡航行体机动控制的技术难点分析
• 6.1 引言
• 6.2 超空泡航行体机动控制的技术难点分析
• 6.2.1 德国梭鱼超空泡水下导弹
• 6.2.2 带机动控制的超空泡航行体技术难点分析
• 6.3 突变理论在空化问题中的应用分析
• 6.3.1 突变原理的概念与应用
• 6.3.2 尖点突变
• 6.3.3 空化问题中的突变现象分析
• 6.3.4 空泡溃灭问题
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢