时滞超空泡行体突变特性及转弯机动机理研究

Supercavitating vehicle as a kind of underwater high-speed vehicle, only a single degree of freedom in maneuvering is not enough, which needs strongly maneuvering ability to realize long-range strike. Due to the special force balance and movement way, stability and control problem of the cavity and vehicle is more outstanding in strongly maneuvering process, and it becomes basic question for the engineering application of supercavitating vehicle. This project taking the key scientific problems as purpose, taking the basic theory research as center, taking the half physical simulation as the means, research on catastrophe characteristic and advanced control method for delay supercavitating vehicle. Including: The delay effect and catastrophe characteristic of cavity are carried out by experiments and theoretical analysis, and the delay supercavitating vehicle 6DOF dynamic model is established, the coupling characteristic of the model is analyzed and the decoupling is conduced; the pitch channel, yaw-roll channel double channels turn maneuvering is built, the stability is analyzed and the parameters are optimization; Combining with the characteristic of the double channel model, the robust controller is designed. In the end, through semi-physical simulation experiments, the control effect of the control method is tested.

超空泡航行体作为一种水下高速航行体，仅仅进行单自由度的弱机动航行是不够的，需要具有远程打击的机动能力。由于超空泡航行体独特的力系平衡及运动方式，使其在机动航行时，空泡及航行体稳定性及控制问题更为突出，成为其工程应用的基础问题。本项目以解决此关键科学问题为宗旨，以基础理论研究为中心，以半实物仿真为手段，研究时滞超空泡航行体机动航行时突变特性及稳定控制方法。包括：试验验证及理论分析空泡时滞效应及突变特性，建立时滞超空泡航行体六自由度动力学模型，分析模型中的耦合特性并进行解耦；建立俯仰、偏航-横滚双通道转弯机动模型，分析转弯机动模型的稳定性并优化模型参数；结合双通道模型的特点，设计鲁棒性较强的控制器。最后，进行半实物仿真实验，验证控制方法的控制效果。

超空泡航行体由于空泡的包裹，进而减小了航行体流体阻力，因此，航行速度可以达到100m/s以上，但空泡的存在也使得航行体所受的流体动力与常规水下航行体不同，即航行体的动力学模型及控制方式区别于常规水下航行体，因此有必要对超空泡航行体的动力学特性及稳定控制进行研究。目前对超空泡航行体控制问题的研究主要集中在纵平面内的弱机动控制，针对超空泡航行体转弯机动航行控制问题的研究成果较少。本项目围绕机动时滞超空泡航行体的突变特性及转弯机动机理，研究机动过程中通气超空泡的突变不稳定性，在通气率和泄气率不相等的情况下，获得了通气空泡出现分支突变的临界条件；研究六自由度时滞超空泡航行体动力学模型的建立, 模型的非线性特性研究及多自由度相互耦合分析，解耦，建立了超空泡航行体的纵向时滞运动模型，侧向运动模型及侧向时滞运动模型，在侧向运动模型建立的过程中分析了纵向姿态与侧向姿态的耦合关系，对于纵向时滞运动模型采用了LMI鲁棒控制、预测等控制方法进行控制器设计；对于侧向运动模型进行了解耦和轨迹跟踪控制；时滞超空泡航行体倾斜转弯机动模型的建立，时滞参数对稳定性影响分析，优化模型参数；联立超空泡航行体的纵向通道运动模型和侧向通道运动模型，获得倾斜转弯的模型，对时滞参数的影响进行了仿真；研究时滞超空泡航行体转弯机动非线性系统稳定控制，对于转弯机动模型的非线性特性进行研究，主要对非线性滑行力的纵向分量和侧向分量进行研究处理，建立机动转弯的突变模型，获得转弯模型突变的临界点集。时滞超空泡航行体的动力学模型为时滞控制中的中立型时滞问题，并且含有非线性项，本项目对该时滞控制问题采用了有效的控制方法，另外，对超空泡航行体的侧向运动，转弯机动进行建模和控制，能够为后续超空泡航行体的轨迹跟踪问题提供重要的理论依据。