超空泡航行体非线性动力学建模与控制设计

摘要

超空泡航行体是新一代的水下超高速武器，合理利用超空泡技术可使航行体在水中的阻力减少90％左右。超空泡航行体利用高速航行时自然形成或人工通气形成的覆盖物体大部分表面或全部表面的超空泡的减阻特性，使水下鱼雷航速提
　　超空泡航行体在具有高速特性的同时，与传统水下航行体的特性相比也有着显著的区别，由于航行体大部分表面被气体覆盖而引起的浮力缺失问题给动力学建模与控制方面带来了极大的挑战。本文针对超空泡航行体的非线性动力学建模与控制问题开展了深入的研究，具体研究内容如下：
　　基于空泡独立膨胀原理分析了空泡的记忆效应及其对空泡形态的影响，考虑了空化器的定向效应、空泡尾部的上飘变形及尾翼效率的变化，详细分析了超空泡航行体所受的流体动力，建立了超空泡航行体的非线性动力学模型，为系统的动力学特性分析和控制策略设计奠定了基础。
　　将超空泡航行体非线性动力学模型简化为纵向运动的动力学模型，得到了不同初始条件下动力学模型的无控仿真结果，分析了空化器和尾翼对超空泡航行体稳定性的影响；研究了初始扰动对滑行力的影响，结果表明随着初始扰动的增大而增大，在不同空化数条件下系统具有相似的动力学响应。
　　针对超空泡航行体的深度跟踪问题，设计了基于输入/输出精确线性化的深度跟踪控制器，仿真结果表明控制器深度跟踪效果较好，但容易出现调节器饱和问题；在其基础上，进一步设计了避免滑行力出现的预测控制方法，对该控制方法进行了仿真分析，仿真结果表明：通过约束航行体尾部和空泡壁的距离使尾部不与空泡壁相接触，设计的预测控制方法成功地避免了滑行力的出现，提高了超空泡航行体的运动稳定性。
　　在超空泡航行体的加速运动阶段，超空泡航行体的运动速度不断增大，从而导致空化数不断减小，空泡尺寸不断增大，航行体的动力学特性随之不断发生变化。在针对水动力参数摄动设计鲁棒控制器的基础上，设计了超空泡航行体速度和空化数变化时的增益调度控制策略，仿真结果表明控制器在初始扰动和空化数存在不确定情况下也可以镇定系统。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 超空泡减阻技术国内外研究概况

1.3本文研究的主要内容

第2章 超空泡航行体非线性动力学模型

2.1引言

2.2 超空泡航行体结构

2.3 坐标系与坐标变换

2.4 空泡形态特性

2.5 超空泡航行体非线性流体动力

2.6 运动学方程

2.7 动力学方程

2.8 本章小结

第3章 超空泡航行体动力学仿真

3.1 引言

3.2 纵向运动的非线性动力学模型建立

3.3仿真分析

3.4本章小结

第4章 超空泡航行体深度跟踪的控制策略设计

4.1 引言

4.2超空泡航行体深度跟踪

4.3超空泡航行体深度跟踪的预测控制设计

4.4 本章小结

第5章 超空泡航行体加速运动阶段控制研究

5.1 引言

5.2 超空泡航行体深度跟踪鲁棒控制设计

5.3 超空泡航行体加速运动阶段控制设计

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

声明

致谢

个人简历