基于水洞实验的通气超空泡航行体的控制研究

摘要

水下航行体运动时，随着航行速度的增加，其表面受到的水的黏性阻力迅速增加，最终会成为限制航行体速度提高的最主要因素。近年来，超空泡减阻技术的迅速发展证明可以很好地解决这一难题。超空泡主要有自然超空泡和通气超空泡两种，两类空泡的特征基本相同。而当航行体与水流的相对速度不高时，不能形成完整的自然空泡。因而此次水洞实验中主要针对通气超空泡的特性进行控制研究，并设计LPV反演控制算法进行仿真验证。主要研究内容如下:
　　首先，利用现有的理论知识建立数学模型，但无论是空化器上的水动力还是航行体尾部与空泡间的相互作用力，其所受的力和力矩系数都是非定常的，这使得超空泡航行体的动力学建模比较困难，国内外相关技术也不完全成熟，所以我们预先建立一个较为理想情况下的控制模型。
　　其次，构建重力式水洞实验平台，完成相关实验设备的制造、设备的安装和设备的编程或调试等工作。其中实验设备的制造包括水洞盖板、航行体模型及电机固定装置的制造;设备的安装包括伺服电机、驱动器及控制器电路的焊接安装，加压通气设备的安装，流量及压力检测设备的安装;设备的编程调试包括与驱动器和控制器相关的上位机软件的编程调试，流量及压力检测设备的调试，记录空化过程的高速摄像机的调试等。
　　然后，针对上述水洞实验所得的相关实验数据进行分析，根据分析所得结论对最初建立的理论模型进行改进，在改进后的模型基础上，把系统转化成子系统级联的形式，通过对滑行力的建模，将原来的非线性系统转化为系统矩阵仿射依赖于可测时变参数的LPV系统。结合LPV系统自身的特点设计反演控制算法，并且其控制器均以线性矩阵不等式即LMI的形式给出，可方便地解算各参数。
　　最后，在Matlab环境进行仿真验证，结合仿真结果和实验完成情况进一步讨论完善所得结论。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 超空泡武器研究现状及关键技术

1．2．1 超空泡武器研究现状

1．2．2 超空泡武器关键技术

1．3 超空泡航行体建模及控制技术研究进展

1．4 论文的主要内容

第2章 超空泡航行体及水洞实验的基本理论

2．1 超空泡航行体的工作原理和结构

2．1．1 超空泡航行体的工作原理

2．1．2 超空泡航行体的结构

2．2 超空泡形成原理及特性

2．2．1 超空泡的形成与相关概念

2．2．2 超空泡的形态计算

2．3 水洞及水洞实验相关理论

2．3．1 水洞的基本概念及类型

2．3．2 国内相关水洞实验进展

2．4 本章小结

第3章 超空泡航行体动力学建模

3．1 基本假设及体坐标系建立

3．2 超空泡航行体的受力分析

3．2．1 空化器受力和力矩

3．2．2 尾部滑行力和力矩

3．2．3 尾舵受力和力矩

3．2．4 重力和力矩

3．3 动力学方程建立及参数设置

3．4 本章小结

第4章 水洞实验过程及数据分析

4．1 水洞实验整体设计

4．2 水洞实验过程

4．2．1 重力式水洞实验平台

4．2．2 超空泡航行体模型构建

4．2．3 伺服电机控制系统

4．2．4 加压通气系统设计

4．2．5 流量检测控制系统

4．2．6 压力检测系统

4．2．7 高速摄像机记录系统

4．3 水洞实验数据分析

4．3．1 松弛量问题分析

4．3．2 空化数的确定

4．3．3 浸入深度的确定

4．4 本章小结

第5章 超空泡航行体控制算法设计

5．1 控制系统知识准备

5．1．1 LMI理论知识

5．1．2 LPV系统理论

5．1．3 Schur补引理

5．2 控制模型的改进

5．3 LPV反演控制算法设计

5．3．1 控制模型分析

5．3．2 系统模型变换

5．3．3 控制器的设计

5．4 控制算法仿真验证

5．5 本章小结

第6章 讨论与分析

6．1 控制器设计的进一步讨论

6．2 水洞实验效果的进一步讨论

6．3 待改进之处

6．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢