【摘要】：超空泡技術(shù)可以大幅減小水下航行體的阻力,提高水下武器的速度及戰(zhàn)斗力,因此對超空泡航行體的研究具有重要的戰(zhàn)略意義和軍事應(yīng)用價值。超空泡技術(shù)在減小阻力的同時,也使航行體因為空泡的包裹而失去水的浮力作用,其動力學(xué)特性極其復(fù)雜,超空泡航行體的運(yùn)動方程是一個具有強(qiáng)動態(tài)耦合的弱阻尼系統(tǒng),任何小的擾動都會使它“漂走”,在無控制力的作用下,超空泡航行體在水中會一直下沉。所以一定要配有反饋控制才能工作。本文分析了高速超空泡航行體縱向平面上空化器、尾翼控制面的動力及其尾部滑行力,根據(jù)縱平面基本動力學(xué)方程,對超空泡航行體的控制設(shè)計展開研究,具體的工作和取得的成果如下:針對超空泡航行體的弱阻尼和強(qiáng)耦合特性,提出了采用內(nèi)外回路的思想來處理狀態(tài)反饋的問題。設(shè)計時先用俯仰角反饋來對弱阻尼的動態(tài)特性進(jìn)行鎮(zhèn)定,并與運(yùn)動學(xué)進(jìn)行解耦。再根據(jù)深度信號作為輸出,對以運(yùn)動學(xué)方程為主的主回路進(jìn)行設(shè)計。對所設(shè)計的系統(tǒng)用Nyquist法進(jìn)行了理論分析,這種用回路和帶寬來確定反饋增益的做法,既能滿足深度控制的良好性能要求,又能保證姿態(tài)回路的穩(wěn)定性。設(shè)計過程中的每一步都有明確的物理解釋,為狀態(tài)反饋設(shè)計提供了一種新的思路,也為超空泡航行體經(jīng)典控制律給出了完美的注釋。針對超空泡航形體尾部與空泡壁碰撞產(chǎn)生擾動,提出了采用H?控制的方法,將對象的滑行力通道也考慮到控制設(shè)計中,保證航行體在持續(xù)的滑行力擾動下具有良好的性能。結(jié)合空化器偏轉(zhuǎn)和尾翼的兩輸入特性,并根據(jù)超空泡航行體的特殊穩(wěn)定性要求,從Riccati方程的病態(tài)問題,低頻特性的要求,和姿態(tài)穩(wěn)定性等多方面綜合考慮,對H?加權(quán)系數(shù)的選擇作出了詳盡的分析討論,給出了滿足了多方面的要求的H?狀態(tài)反饋控制器。針對超空泡的時滯效應(yīng),分析了滑行力的時滯特性,對比研究了時滯特性對超空泡航行體控制性能的影響。指出時滯特性對超空泡航行體的控制性能沒有根本性的影響。注意到帶時滯的滑行力是一個多變量的非線性函數(shù),為簡化分析,提出控制設(shè)計時可先采用非時滯的標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行設(shè)計,然后再采用時滯模型進(jìn)行仿真驗證。針對當(dāng)前超空泡航行體尾部與空泡壁周期性碰撞的典型運(yùn)行模式,探討了避免拍打的控制設(shè)計方案,提出了采用擾動觀測器來補(bǔ)償和消除常值擾動的影響。推導(dǎo)了擾動觀測器方程,給出了補(bǔ)償器設(shè)計方案。消除了航行體前進(jìn)中周期性拍打空泡壁的現(xiàn)象,并避免執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程過大的問題。分析了前人在直接補(bǔ)償問題上的不成功的案例,為今后超空泡航行體消除拍打的控制設(shè)計提供了一個可行的方案。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TJ6
【圖文】：

超空泡魚雷示意圖

圖 2-1 標(biāo)準(zhǔn)超空泡航行體的示意圖Fig.2-1 Banchmark supercavitating vehicle體的頭部有一圓盤形空化器，空化器不但能夠用以產(chǎn)生和維持與水接觸產(chǎn)生一定的流體動力，可通過調(diào)整空化器的偏轉(zhuǎn)角改

圖 2-2 體坐標(biāo)系下的超空泡航行體參數(shù)示意圖Fig.2-2 Parameters of supercavitating vehicle in the body coordinate system在大地坐標(biāo)系下O xyz，航行體頭部的深度記為 z ；沿航形體中心線方向的水平速度記為u ，沿航行體垂直方向的速度記為 w；航行體的合速度即

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