潜艇近水面航行控制方法研究

摘要

随着世界科技的发展及对能源需求的迅速增长,更多的人将目光投向海洋。潜艇作为海军重要的武器装备之一,已得到各国的大力发展。潜艇本身是个具有高度非线性、强耦合性、参数时变性的复杂系统,近水面运动的强干扰性进一步增加了控制的难度。本文针对潜艇运动的上述特性,应用滑模变结构理论对潜艇航向和深度自动舵设计进行了研究。
　　 目前很多潜艇控制研究仅局限于水平面或竖直面,忽略了平面间的耦合,因此在实际应用中效果差强人意。本文根据美国泰勒海军研究和发展中心(DTNSRDC)推出的潜艇标准运动方程,忽略非主导因素水动力项,建立了适用于仿真的潜艇六自由度运动控制模型,并对模型进行仿真研究讨论其正确性,从而确定潜艇空间运动的特点:对潜艇近水面运动所受海洋干扰力进行了仿真研究并给出了海平面上一阶海浪力的随时间变化的实时值及二阶波浪力各参数随深度、遭遇角变化的趋势。
　　 本文通过分析滑模变结构的基本理论,指出滑模控制系统动态响应与切换函数的关系,讨论了滑模变结构系统常见的抖振问题的成因,理论分析并直观说明了抖振的实质是极限环的存在,并据此针对仿射非线性系统提出了应用模糊趋近率及基于接近角的新型饱和函数的降抖振方法,其中模糊趋近率主要应用于达到阶段,根据切换函数及切换函数导数来选择相应的趋近速度,并在快速逼近滑模面时给予一定补偿,以保证系统的快速性及滑模面上趋近速度为零的有机统一;基于接近角的新型饱和函数主要作用在滑模面附近,以变边界层厚度的方式使系统状态点快速稳定在滑模面上。
　　 本文应用滑模变结构理论及降抖振方法设计了潜艇空间运动的航向自动舵以及深度自动舵,并分别在有海洋扰动和无扰动情况下进行了仿真。通过与传统的PID舵对比可以发现滑模自动舵超调小,动态响应好,后期在航向误差很小时也能迅速消除稳态误差,调节时间短。在存在海洋干扰的情况下,滑模航向自动舵可以综合考虑潜艇各状态变量确定控制量,在舵角变化幅度较小的前提下取得了更好的控制效果,节省能源。而潜艇首、尾升降舵联合操舵系统的设计实现了潜艇双执行机构的联合控制,有效地避免了分别对二者进行设计时的冲突,在静水中无论航向改变时的定深运动还是变深运动均可迅速达到指令值并实现无静差控制。当存在环境干扰时,潜艇也可在二者共同作用下具有较好的动态响应,维持在指令值附近,且首尾升降舵的变化幅度随深度的增加而减小,与所受干扰力随深度成指数衰减的理论相符,取得了较好的控制效果。