超空泡航行体的控制研究

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1、博士学位论文超空泡航行体的控制研究SUPERCAVITINGVEHICLECONTROL庞爱平哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：TP273学校代码：10213国际图书分类号：681.52密级：公开工学博士学位论文超空泡航行体的控制研究博士研究生：庞爱平导师：何朕教授申请学位：工学博士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期：2017年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP273U.D.C:681.52DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSUPERCAVITINGVEHICLECO

2、NTROLCandidate：PangAipingSupervisor：Prof.HeZhenAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要超空泡技术可以大幅减小水下航行体的阻力，提高水下武器的速度及战斗力，因此对超空泡航行体的

3、研究具有重要的战略意义和军事应用价值。超空泡技术在减小阻力的同时，也使航行体因为空泡的包裹而失去水的浮力作用，其动力学特性极其复杂，超空泡航行体的运动方程是一个具有强动态耦合的弱阻尼系统，任何小的扰动都会使它“漂走”，在无控制力的作用下，超空泡航行体在水中会一直下沉。所以一定要配有反馈控制才能工作。本文分析了高速超空泡航行体纵向平面上空化器、尾翼控制面的动力及其尾部滑行力，根据纵平面基本动力学方程，对超空泡航行体的控制设计展开研究，具体的工作和取得的成果如下：针对超空泡航行体的弱阻尼和强耦合特性，提出了采用内外回路的思想来处理状态反馈的问题。设计时先用俯仰角反馈来对弱阻尼的动态特性

4、进行镇定，并与运动学进行解耦。再根据深度信号作为输出，对以运动学方程为主的主回路进行设计。对所设计的系统用Nyquist法进行了理论分析，这种用回路和带宽来确定反馈增益的做法，既能满足深度控制的良好性能要求，又能保证姿态回路的稳定性。设计过程中的每一步都有明确的物理解释，为状态反馈设计提供了一种新的思路，也为超空泡航行体经典控制律给出了完美的注释。针对超空泡航形体尾部与空泡壁碰撞产生扰动，提出了采用H控制的方法，将对象的滑行力通道也考虑到控制设计中，保证航行体在持续的滑行力扰动下具有良好的性能。结合空化器偏转和尾翼的两输入特性，并根据超空泡航行体的特殊稳定性要求，从Riccati

5、方程的病态问题，低频特性的要求，和姿态稳定性等多方面综合考虑，对H加权系数的选择作出了详尽的分析讨论，给出了满足了多方面的要求的H状态反馈控制器。针对超空泡的时滞效应，分析了滑行力的时滞特性，对比研究了时滞特性对超空泡航行体控制性能的影响。指出时滞特性对超空泡航行体的控制性能没有根本性的影响。注意到带时滞的滑行力是一个多变量的非线性函数，为简化分析，提出控制设计时可先采用非时滞的标准模型进行设计，然后再采用时滞模型进行仿真验证。针对当前超空泡航行体尾部与空泡壁周期性碰撞的典型运行模式，探讨了避免拍打的控制设计方案，提出了采用扰动观测器来补偿和消除常值扰动的影响。推导了扰动观测器

6、方程，给出了补偿器设计方案。消除了航行体前进中周期性拍打空泡壁的现象，并避免执行机构行程过大的问题。分析了前人在直接-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文补偿问题上的不成功的案例，为今后超空泡航行体消除拍打的控制设计提供了一个可行的方案。关键词：超空泡航行体；滑行力；时滞；状态反馈；H控制；扰动观测器-II-AbstractAbstractSupercavitationcansignificantlyreducedragofunderwatertorpedo,whichenablingadramaticincreaseofvelocityandattackpowerforunder

7、waterweapons.Therefore,studyoftheunderwaterhigh-speedsupercavitatingvehicle(HSSV)havegreatstrategicsignificanceandmilitaryapplicationvalue.BecausetheHSSVisalmostentireenvelopedbyasupercavity,thehydrodynamicproblemsoftheHSSViscomplex.The