超空泡航行体运动控制中的空泡形态估计研究

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1、分类号：密级：ＵＤＣ：：编号＿＿＿＿＿＿专业硕士学位论文（工程硕士）超空泡航行体运动控制中的空泡形态估计研究？硕士研究生：王冠指导教师：白涛企业导师：王孟军教授工程领域：控制工程论文主审人：李光春研究员哈尔滨工程大学２０１８年３月分类号：密级：UDC：编号：专业硕士学位论文（工程硕士）超空泡航行体运动控制中的空泡形态估计研究硕士研究生：王冠指导教师：白涛学位级别：工学硕士工程领域：控制工程所在单位：自动化学院论文提交日期：2017年12月论文答辩日期：2018年03月学位授予单位：哈尔滨工程

2、大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheProfessionalDegreeofMaster（MasterofEngineering）ResearchonEstimationofSupercavitationMorphologyinMotionControlofSupercavitatingVehiclesCandidate:WangGuanSupervisor:BaiTaoAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringEngineeringField:C

3、ontrolEngineeringDateofSubmission:Dec.2017DateofOralExamination:Mar.2018University:HarbinEngineeringUniversity超空泡航行体运动控制中的空泡形态估计研究摘要当航行体在水中高速航行时，航行体表面压力会下降到此时的饱和压力，水会汽化形成空泡。超空泡的形成可以大幅地提高水下航行体的速度，但空泡的产生和溃灭引起的力学效应对航行体的稳定航行会产生重要影响，特别是由于空泡形态的变化使超空泡航行体受力产生强非线性关系，使得超空泡航行体控制研究具有很大

4、难度，因此超空泡形态的估计成为超空泡航行体运动控制中的关键问题之一。本文将以超空泡航行体的缩比模型的水洞实验为依据，通过在水流中控制空化器的攻角变化，来模拟水下航行体在实际应用环境中的运动控制，继而使用强跟踪卡尔曼滤波算法对超空泡的形态进行估计问题研究，并使用仿真手段验证了估计算法的正确性及此种算法能够满足某种实际环境中的超空泡航行体控制的需要。论文的主要研究内容如下：首先，利用已有的理论知识建立超空泡航行体的数学模型。由于作用在空化器上的流体动力以及航行体尾部与空泡壁作用产生的滑行力都容易受到外部干扰而产生强非线性特性，且对于此类条件的建模

5、目前没有成熟的方案，因此文中在此部分首先在理想条件下建立超空泡航行体数学模型，然后以后续的实验数据为基础，研究实际噪声对模型的扰动，从而对模型进行完善。其次，利用搭建好的重力式水洞实验平台，完成实验相关的内容。文中介绍了实验相关设备的安装和调试等工作流程，其中包括实验平台的搭建；航行体模型的安装；伺服电机控制系统的结构及功能；加压通气设备的功能；流量及压力检测设备的安装及调试；记录空化过程的高速摄像机的调试等，并将记录下来的实验数据根据超空泡形态研究的需要进行初步处理。再次，以空化器在运动过程中的超空泡内、外压力和形态数据为基础，并根据传感器

6、的测量范围和实际情况对测量数据进行野值剔除，然后使用强跟踪卡尔曼滤波算法对超空泡形态进行估计，完善超空泡航行体的数学模型。最后，对超空泡航行体模型在Matlab环境下进行控制仿真，仿真结果表明，本文设计的超空泡形态估计算法能够在实际噪声干扰环境中对超空泡的形态进行较为准确的估计，估计误差在超空泡航行体控制器的允许范围内，不会对超空泡航行体的运动稳定性造成影响，证实本文设计的超空泡形态估计算法的正确性。关键词：超空泡航行体；水洞实验；空泡形态估计；强跟踪卡尔曼滤波算法；仿真验证超空泡航行体运动控制中的空泡形态估计研究ABSTRACTWhenth

7、evehiclemovesinthewaterwithhigh-speed,thepressureofvehicle’ssurfacewilldroptothesaturationpressureatthesametime,thewaterwillbevaporizedtoformabubble.Theformationofsupercavitationcangreatlyimprovethespeedofunderwatervehicles,buttheformationandcollapseofthesupercavitationcaus

8、edthemechanicaleffectswhichwillhaveanimportantimpactonthestabilityofthenavigation,