水下高速航行体航向控制技术研究

摘要

国内外关于超空泡航行体的纵向控制技术的理论研究已经比较成熟，但航行体的航向控制技术还处于探索研究阶段，相关文献寥寥无几。
　　 超空泡航行体航向控制的主要难点在于，首先，实际航行体的受力环境很复杂，由于航行体在航行过程会产生空泡进而降低阻力提高航行体的速度，但是航行体运行状态的改变会影响到空泡的形态，甚至会使空泡破灭，进而会使航行体尾舵的受力和尾部滑行力受到影响，对航行体的稳定控制很不利。其次，航行体的俯仰运动、横滚运动以及航向运动之间的耦合作用非常明显，导致不能用常规的方法对航行体进行分析与控制。本文通过对航行体动力学模型进行数学处理，得到了线性化的模型，并设计了两种控制器，得到了仿真结果。本文的主要研究内容：
　　 基于相关文献，研究超空泡的基本理论，包括空泡的产生条件和维持方法，以及空泡的形变理论。并参考相关文献，给出了空泡的尺寸和形状计算的经验公式。提出了超空泡航行体的配置方案，即尾舵和双自由度空化器协调控制。并进一步对超空泡航行体进行了力学分析，给出空化器和尾舵上的力的计算公式，并通过分析航行体的尾部滑行力以及重力和推力矢量的影响，得到了超空泡航行体的非线性动力学模型。
　　 参考航行体纵向控制处理动力学模型的方法，本文基于小扰动原理，适当选取稳定平衡点，忽略航行体横滚的影响，将俯仰运动和航向运动的相关耦合项的整体作为小扰动项，得到了关于耦合项的动力学模型的状态空间表达式，并分析了系统的相关特性。
　　 通过分析超空泡航行体航向运动的线性化的动力学模型，设计了LQR控制器和混合灵敏度双回路鲁棒控制器。两种控制器作用下对系统进行仿真，由仿真结果可以看出，空化器在航行体航向控制中起主要的作用，尾舵的控制效果不明显。因此，建议在工程实践中，尽量采用推力矢量法来代替尾舵对超空泡航行体进行控制。