發(fā)布時(shí)間：2020-10-28 15:06

　　 艦載機(jī)攔阻著艦具有多參數(shù)、高耦合、精度要求高等特征,其完成的優(yōu)劣直接影響航母戰(zhàn)斗群的整體作戰(zhàn)效能�，F(xiàn)有的著艦動(dòng)力學(xué)研究方法,因忽略多種非線性擾動(dòng)因素及多體耦合特性,造成最終搭建的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際物理過程之間存在偏差;而針對(duì)艦載機(jī)著艦安全的研究,則因強(qiáng)振蕩氣動(dòng)特性的缺失及控制理論性能的制約,導(dǎo)致按照線性控制理論所得的輸出信號(hào)難以達(dá)到理想的控制效果;同時(shí),由于缺乏對(duì)著艦安全飛行狀態(tài)空間的研究,導(dǎo)致駕駛員難以依據(jù)著艦參數(shù)直觀判定當(dāng)前狀態(tài)是否安全�；谝陨显�,現(xiàn)階段的攔阻著艦研究很難進(jìn)一步提高仿真精度和著艦安全性。針對(duì)艦載機(jī)攔阻著艦研究中存在的主要問題,本文對(duì)全量非線性著艦動(dòng)力學(xué)建模方法、線性及非線性控制方法、著艦參數(shù)適配算法、著艦安全集求解及飛行安全邊界控制方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了以下研究:(1)考慮多種非線性擾動(dòng)因素對(duì)攔阻鉤反彈特性及攔阻力輸出特性的影響,改進(jìn)了攔阻鉤模塊及攔阻裝置模塊的數(shù)學(xué)模型,并依據(jù)攔阻著艦動(dòng)力學(xué)特性,系統(tǒng)地研究了艦載機(jī)、航母、起落架與攔阻裝置等模塊之間耦合特性。隨后,結(jié)合艦船運(yùn)動(dòng)模型及艦尾流模型,提出了一套全量非線性著艦動(dòng)力學(xué)模型的搭建方法。最后,針對(duì)不同的著艦參數(shù)及外部環(huán)境,系統(tǒng)地進(jìn)行艦載機(jī)著艦動(dòng)態(tài)響應(yīng)的定性分析。仿真結(jié)果表明,改進(jìn)后的全量非線性著艦動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)可更好地模擬出各模塊作用力(力矩)和空間方位之間的耦合關(guān)系,更為全面、精確地體現(xiàn)出不同工況下艦載機(jī)的著艦動(dòng)力學(xué)特性。(2)將高階非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成為常系數(shù)線性微分方程組,分析了艦載機(jī)固有模態(tài)特性,并進(jìn)行常規(guī)線性自動(dòng)著艦控制方法的研究�？紤]到載機(jī)著艦對(duì)控制系統(tǒng)魯棒性及控制精度的要求,以能量反饋理論為基礎(chǔ),結(jié)合自動(dòng)增穩(wěn)系統(tǒng)及自動(dòng)油門補(bǔ)償系統(tǒng)構(gòu)造出對(duì)受控模型精度要求低且具有較強(qiáng)魯棒性的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)。隨后,利用改進(jìn)后的總能量控制理論進(jìn)行引導(dǎo)控制系統(tǒng)搭建,提出一套基于能量反饋理論/總能量控制理論的自動(dòng)著艦控制方法,并使用粒子群算法完成著艦參數(shù)整定。仿真結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)著艦控制系統(tǒng)在具有較強(qiáng)魯棒性的基礎(chǔ)上,能夠完成艦載機(jī)進(jìn)艦速度與高度之間的解耦控制,可以更為理想地抑制不同因素對(duì)艦載機(jī)姿態(tài)及下滑航跡帶來(lái)的干擾,有效提高艦載機(jī)著艦精度。(3)考慮系統(tǒng)的不確定性,以艦載機(jī)非線性動(dòng)力學(xué)模型的仿射形式為研究對(duì)象,使用線性二次性能指標(biāo)最優(yōu)控制算法求解初始控制解析式,結(jié)合Galerkin逐步逼近算法進(jìn)行HJB偏微分方程的迭代求解,并最終計(jì)算出非線性著艦最優(yōu)控制律。以此為基礎(chǔ),完成非線性最優(yōu)著艦控制系統(tǒng)的搭建,并對(duì)比分析不同階數(shù)的基函數(shù)完備集對(duì)系統(tǒng)控制精度的影響。然后在非線性最優(yōu)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入擾動(dòng)輸入量,通過截取改進(jìn)后Galerkin算法的有限次迭代結(jié)果,得到了非線性魯棒H?控制系統(tǒng)的次優(yōu)控制律。仿真結(jié)果表明,基于L2增益的非線性次優(yōu)控制系統(tǒng)具有更為優(yōu)良的魯棒性,能夠在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下有效降低艦尾流等擾動(dòng)因素對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。(4)考慮進(jìn)近艦階段與攔阻滑跑階段多項(xiàng)著艦安全準(zhǔn)則的約束,通過推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程得到各準(zhǔn)則下的著艦參數(shù)適配解析式,并求解出相應(yīng)的著艦參數(shù)適配曲線。隨后,以各條曲線限定的適配區(qū)域?yàn)橐罁?jù),分析各安全準(zhǔn)則對(duì)于參數(shù)適配研究的必要性,篩選合適的條款提出一套艦載機(jī)進(jìn)艦速度和著艦質(zhì)量適配關(guān)系的分析方法。最終,求解出滿足所有著艦安全準(zhǔn)則約束的載機(jī)著艦狀態(tài)空間,并選取典型的著艦工況驗(yàn)證所求空間的有效性,分析不同著艦參數(shù)對(duì)于著艦關(guān)鍵參數(shù)適配區(qū)域的影響。仿真結(jié)果表明,本文提出的分析方法可以有效、快速、直觀地進(jìn)行不同著艦工況中進(jìn)艦速度與著艦質(zhì)量之間適配區(qū)域的求解。(5)考慮著艦安全準(zhǔn)則與載機(jī)動(dòng)力學(xué)特性的約束,進(jìn)行艦載機(jī)著艦安全控制包線的研究。通過對(duì)不變集與可達(dá)域的相關(guān)理論進(jìn)行擴(kuò)展,引申出了艦載機(jī)著艦安全集(最大可控不變集)的概念。以載機(jī)本體氣動(dòng)特性及控制效能為基礎(chǔ),結(jié)合水平集理論及艦載機(jī)著艦參數(shù)適配范圍求解出滿足仿射非線性系統(tǒng)所有約束的最大可控飛行狀態(tài)空間,并分析了不同著艦工況對(duì)于安全集范圍的影響。隨后,利用最優(yōu)控制理論及水平集邊界理論構(gòu)建出全狀態(tài)安全邊界保護(hù)控制系統(tǒng),用以確保整個(gè)著艦過程所有參數(shù)都位于飛行安全集范圍內(nèi)。在此過程中,引入控制舵面的偏轉(zhuǎn)角速度作為狀態(tài)輸入量來(lái)模擬舵機(jī)真實(shí)時(shí)滯特性。仿真結(jié)果表明,著艦安全集能夠有效反映各種約束對(duì)載機(jī)飛行狀態(tài)的影響,并且改進(jìn)后的安全邊界保護(hù)系統(tǒng)可以有效消除舵機(jī)的非連續(xù)性振顫現(xiàn)象,減緩艦載機(jī)各關(guān)鍵狀態(tài)在受控過程中的變化幅度,提高系統(tǒng)的工程應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：E926.392
【部分圖文】：

第一章 緒論1.1 研究背景我國(guó)擁有長(zhǎng)達(dá) 18000 公里的海岸線，占國(guó)土面積五分之一的大陸架，6500多個(gè)島嶼以及 300 萬(wàn)平方千米的海洋經(jīng)濟(jì)區(qū)。由于復(fù)雜的周邊海洋安全環(huán)境導(dǎo)致我國(guó)海洋利益不斷受到侵害，因此迫切的需要我國(guó)擁有強(qiáng)大的海軍力量用以保衛(wèi)領(lǐng)土、領(lǐng)海及巨大的海洋資源。作為�；娇樟α康挠行аa(bǔ)充，航母及其搭載的艦載機(jī)的出現(xiàn)可滿足日趨多樣化的任務(wù)需求，大大增強(qiáng)海軍的作戰(zhàn)能力。自 1918 年英國(guó)將一艘巡洋艦改裝成為世界上第一艘航母后，其便成為海戰(zhàn)奪取制空權(quán)的主要輔助平臺(tái)。由此開始，海戰(zhàn)便由傳統(tǒng)平面對(duì)抗進(jìn)化為立體作戰(zhàn)，開創(chuàng)了真正意義上的全維海戰(zhàn)。在歷經(jīng)了將近百年的發(fā)展后，航母已成為各海軍強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略核心。除了常規(guī)自衛(wèi)武器外，航母的主要戰(zhàn)力來(lái)自于其搭載的各種型號(hào)的艦載飛機(jī)以滿足多樣化的任務(wù)需要，其作戰(zhàn)效能的優(yōu)劣是衡量航母作戰(zhàn)能力的一個(gè)重要指標(biāo)[1]。

西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文的低可見度環(huán)境下的著艦事故率為同等環(huán)境下路基飛機(jī)著艦的 4 倍[6]。而艦載機(jī)進(jìn)場(chǎng)末端所產(chǎn)生的事故中，40%都是由于動(dòng)力學(xué)問題導(dǎo)致的[7]�？傮w而言，載機(jī)進(jìn)近艦過程分為平槳進(jìn)艦方式和噴氣式進(jìn)艦方式[8]。平槳式進(jìn)艦起源于美海軍“蘭利”號(hào)航母，主要用于早期螺旋槳式艦載機(jī)在直線甲板上的載機(jī)回收，其完成的好壞直接依賴于著艦信號(hào)官的指揮水平，難以滿足現(xiàn)代載機(jī)的著艦安全需求。因此自 1948 年以來(lái)，噴氣式進(jìn)艦方式變逐步成為了艦載機(jī)著艦的主要回收方式，相關(guān)著艦程序如下圖所示：

會(huì)對(duì)載機(jī)起落架、攔阻鉤等機(jī)構(gòu)造成較大的沖擊。相關(guān)研究表明，外界環(huán)境擾動(dòng)對(duì)于載機(jī)著艦成功率的影響更為嚴(yán)重。由于尾流及艦船運(yùn)動(dòng)具有非定常、非線性、高隨機(jī)性的特點(diǎn)，因此難以對(duì)其進(jìn)行全寸模擬[32]。目前，確定艦尾流及艦船運(yùn)動(dòng)特性的方法主要有：計(jì)算流體力學(xué)法[33-36]、風(fēng)洞船模試驗(yàn)[37-39]以及工程化的方法[40-42]。但是前兩種方法分別具有算代價(jià)大及實(shí)際測(cè)量難度高的缺點(diǎn)，現(xiàn)階段主要采用工程法對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行數(shù)建模，取得了良好的仿真效果。通過載機(jī)航跡角、下沉率以及其他著艦參數(shù)的態(tài)響應(yīng)可以體現(xiàn)出其對(duì)載機(jī)著艦的影響[43-45]。1.2.2 線性自動(dòng)著艦控制系統(tǒng)自主著艦系統(tǒng)(ACLS)旨在抑制由于大氣擾動(dòng)、甲板運(yùn)動(dòng)、低能見度及駕員飛行疲勞所誘發(fā)的不利因素，其是集高自動(dòng)化、高可靠性、高精度于一身的艦輔助系統(tǒng)。如圖 1-3 所示，通常情況下自主著艦系統(tǒng)是由艦載設(shè)備和機(jī)載設(shè)兩部分組成，艦載設(shè)備包括艦載雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈編碼發(fā)射器、顯示臺(tái)、甲板運(yùn)動(dòng)感器、高速計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)鏈監(jiān)控器等部件組成；機(jī)載設(shè)備包括數(shù)據(jù)鏈譯碼接收機(jī)飛控耦合器、機(jī)載雷達(dá)以及自動(dòng)飛控系統(tǒng)構(gòu)成[46]。
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7 王海東;楊炳恒;畢玉泉;黃葵;;MK7-3型攔阻裝置緩沖系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析[J];艦船科學(xué)技術(shù);2011年03期

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10 ;[J];;年期

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本文編號(hào)：2860252