时滞效应超空泡航行体多航行阶段LPV融合控制研究

In this project, it takes nonlinear control problem of supercavitating vehicle with cavitation time-delay as the research background. As for the affection that Time-delay effect of cavitation acts on the cavitation morphology and tail of vehicle nonlinear gliding force, and a serious uncertainty problem in the model, there is a robust control strategy and method which can inhibit uncertain interference and ensure the control accuracy of supercavitating vehicle. The controller smooth switching strategy in different action phases and blending control in full navigational phase are its focused research. Firstly, supercavitating vehicle motion model with cavitation time-delay effect is established; Secondly, in order to solve the uncertainty of supercavitating vehicle motion trajectory model, a non-matching uncertainty nonlinear robust control method for trajectory tracking is raise to meet the needs of high-precision trajectory control; Thirdly, for a wide range of attitude maneuver control problem for supercavitating vehicle, multi-phase sailing blending control based on linear parameter varying(LPV) control strategy and method are proposed. It uses the switching strategy based on overlap regions to avoid chattering and satisfy the requirements of accuracy and robustness of the attitude control system, thus, to achieve precision and high reliability control in all sailing phase; Finally, it’s based on the control program and method to build supercavitating vehicle nonlinear simulation system with the cavitation time-delay effect, then simulation.

本项目以空泡时间迟滞效应下超空泡航行体非线性控制问题为研究背景。针对空泡时滞效应对空泡形态和尾部非线性滑行力等影响以及系统模型存在严重不确定性问题，提出一种能够有效抑制不确定性干扰并保证超空泡航行体控制精度的鲁棒控制策略和方法。重点研究不同航行阶段控制器平滑切换策略以及全航行阶段融合控制。首先，针对空泡时滞效应的影响，研究建立空泡时滞效应下超空泡航行体模型；其次，对超空泡航行体轨迹运动模型不确定性问题，提出一类具有非匹配不确定性的轨迹跟踪非线性鲁棒控制方法，以满足高精度轨迹控制需求；然后，对大范围机动的超空泡航行体姿态控制问题，提出LPV控制的多航行阶段融合控制策略和方法，采用重叠区域滞后切换策略抑制切换面附近控制器的切换抖动，以满足姿控系统的高精度及强鲁棒性要求，实现全航行阶段的高精度、高可靠控制；最后，基于上述控制方案和方法构建空泡时滞效应下超空泡航行体非线性仿真系统，并进行仿真验证。

本项目以考虑空泡时滞效应的超空泡航行体控制问题为研究背景，主要完成了以下研究内容：.（1）首先，基于经典Logvinovich模型，研究了空泡截面形态与空化器运行轨迹之间存在的时延特性，引入空泡偏移量修正模型以及空泡时滞特性模型，建立了有效的空泡形态预测模型；其次，依据Hassan理论，将空泡的滑行近似为一个圆柱形自由流表面，引入沾湿深度和沾湿角两个变量，进而建立滑行力数学模型；第三，分析尾舵受力情况，引入沾湿率，建立尾舵力学模型；第四，分析空化器受力情况，建立空化器力学模型；最后，基于超空泡航行体在空泡内滑行的稳定模式，分别建立空泡完全包裹以及非完全包裹两种情况的超空泡航行体数学模型。.（2）针对超空泡航行体运动过程中水动力参数变化剧烈、空泡预测模型不精确、姿态机动时存在时间迟滞效应以及非线性滑行力等因素，产生较大的建模误差，通道耦合作用严重，使得模型本身存在较强的非线性这一需求，本项目综合自适应控制方法以及反步递归(Backstepping)技术，研究了能够逼近传统Backstepping控制方法中虚拟控制器各阶导数的迭代算法，设计了误差补偿系统补偿迭代算法带来的逼近误差，结合自适应辨识技术与传统Backstepping设计思想，完成了超空泡航行体自适应Backstepping轨迹跟踪控制算法设计，证明了其稳定性，并通过数值仿真证明了其控制器的有效性和良好的鲁棒性。.（3）考虑超空泡航行体运动存在的完全包裹和非完全包裹两种空泡形态，对超空泡航行体大姿态机动控制问题，提出了LPV控制的多航行阶段融合控制策略和方法，所设计的控制器可以满足姿控系统的高精度及强鲁棒性要求，实现全航行阶段的高精度、高可靠性控制。.通过以上研究，形成了一套完整的超空泡航行体多航行阶段融合控制方法，所设计的控制系统具有良好的抗扰性、鲁棒性和控制品质。该研究成果为超空泡航行体非线性时滞控制系统提供了一种新理论和新方法，可为我国超空泡航行体控制技术的研究奠定一定的理论基础。