水下超空泡航行体非线性动力学分析与稳定控制研究

The supercavitation which originates from the vaporization of surrounding liquid of the high-speed underwater vehicle can significantly reduce the navigation resistance and greatly increase the vehicle movement speed and distance. This project will aim at the complex nonlinear sliding force between the vehicle tail and the supercavitation for the underwater supercavitation vehicle, a dynamical model for the supercavitating vehicle is constructed. discuss the nonlinear physical phenomena with the variations of the parameters, and reveal the stability conditions of the underwater supercavitation vehicle. Furthermore, by introducing memristor synapsis as an element of a control system, a memristor neural network method will be proposed to solve model inaccuracy,complex nonlinearity, and multivariable control in the stability control of the underwater supercavitation vehicle. Therefore, the research content includes three aspects: (1) nonlinear dynamic features of supercavitation vehicle will be analyzed based on the several tools, such as, bifurcation diagram, Lyapunov exponents and phase space trajectory; (2) stability of supercavitation vehicle will be systematically discussed, and stability parameter ranges will be determined; and (3) an adapted control method based on the memristor neural network will be constructed to solve the nonlinearity and inaccuracy of the supercavitation vehicle dynamic model. The results can provide theoretical foundation for the stability control technology on the supercavitation vehicle in the practical engineering application.

航行体在水下高速航行时，周围液体汽化，从而产生覆盖航行体大部分表面的超空泡，可以显著减少航行体的阻力，大大提高航行体的运动速度和距离。本课题以水下超空泡航行体为研究对象，针对航行体尾翼与空泡之间碰撞产生复杂非线性滑行力的问题，探讨系统随参数变化所产生的非线性物理学现象，揭示航行体运动稳定性的条件，引入忆阻突触作为控制系统的元件，提出基于忆阻神经网络的控制方法，解决航行体稳定控制中存在的模型不精确性、复杂非线性、多变量控制等难题。研究三个方面内容：1.基于分岔图、Lyapunov指数谱、相轨图等工具，分析超空泡航行体参数对系统非线性动力学特性的影响。2.探讨系统参数对超空泡航行体运动稳定性的影响，确定航行体稳定运动的系统参数区域范围。3. 针对超空泡航行体动力学模型的非线性和不精确性，建立基于忆阻神经网络的自适应控制方法。研究结果为超空泡航行体运动稳定性控制技术在工程中的应用提供理论依据。

本项目主要针对超空泡航行体的非线性动力学特性以及稳定性控制进行了详细的分析，利用相空间轨迹、分岔分析、Lyapunov 指数和吸引域等动力学分析方法，研究不同空化数、空化器偏转角、尾翼偏转角等系统参数以及航行体发射的初始深度、初始垂直速度、初始俯仰角、初始角速度变化时，产生的非线性物理现象。结果表明超空泡航行体的运动具有强烈的非线性，随着参数的变化，系统出现混沌、分岔、周期窗等非线性行为；随着初始条件的变化，系统还具有多种共存吸引子等非线性现象。. 从原理上定性地解释了超空泡系统往往受入水状态及系统参数的影响而运动失稳的原因。进而基于吸引域进行了鲁棒性分析，并基于Lyapunov稳定性理论对分段线性系统进行了控制器设计。解决了超空泡稳定控制中存在的模型不精确性、复杂非线性、多变量控制等问题。保证超空泡航行体的稳定航行。. 本项目的研究内容：. (1)分析了空化数、空化器偏转角、尾翼偏转角等系统参数对超空泡航行体运动非线性动力学特性的影响；. (2)分析不同系统参数对超空泡航行体运动稳定性的影响，确定超空泡航行体稳定运动的区域范围；. (3)分析初始入水条件对航行体运动稳定性的影响，验证多种多稳态现象的存在，并用吸引域刻画了超空泡航行体发射的初始条件与运动状态的对应关系；. (4)通过控制航行体头部空化器的偏转设计控制器，保证超空泡航行体在纵向平面内的稳定运动。