超空泡航行体尾部滑行力实验研究

超空泡航行体尾部沾湿滑行水动力对其水下运动特性具有重要影响。本文建立了圆柱后体在空泡内动态摆动滑行力水洞实验方法,开展了圆柱后体静态不同攻角和动态不同摆动角速度滑行水动力测量实验,获得了不同工况下滑行面几何特性和滑行力特性,并基于实验数据提出了滑行升力估算的经验公式。与理论公式比较表明,滑行力随浸没角、浸没深度变化的规律一致,Hassan模型预估值比实验值大,Paryshev模型预估值比Hassan模型更大些。

超空泡航行器滑行力模型分析与改进

Dzielski基准模型和扩展模型被广泛应用于超空泡航行器控制问题的研究,但对此类模型之间的差异性与合理性的综合分析较少。针对此,文中首先通过数值仿真得到Dzielski基准模型和扩展模型的状态响应与滑行力变化曲线,对比分析了此类模型间的差异性与合理性。仿真结果表明,空泡记忆效应会引起滑行力峰值的降低,空泡偏移会轻微影响空泡与航行器的碰撞时间和滑行力的大小。其次,对Balas模型中不合理的滑行力计算公式进行了改进。最后,在Mao模型的基础上,提出了一种新的模型,并仿真验证了所提模型的合理性。文中研究可为后续超空泡航行器控制系统设计提供参考。

滑行艇波浪中纵向运动理论预报的新方法

分析了现有滑行艇纵向运动理论预报方法的不足;根据滑行艇的艇型特点以及模型静水阻力试验和规则波、不规则波的试验结果,提出了滑行艇纵向运动的基本假设;建立了计及浮性和滑行力、滑行力矩影响的滑行艇纵向运动基本方程,提出了预报滑行艇纵向运动的实用计算方法(滑航法)并编制了理论预报程序;比较了忽略浮态变化的全排水量法、只考虑浮态变化的浮航法、同时考虑浮态变化和滑行力、滑行力矩影响的滑航法的计算值和实验值的差别,指出在预报滑行艇纵向运动时,低速宜采用全排水量法或浮航法,中高速时宜采用滑航法。

水下超空泡航行体非线性动力学与控制

利用超空泡可以大幅地提高水下航行体的速度,由于在超空泡状态下航行体几乎完全被空泡包裹,超空泡航行体的流体动力和稳定性和以往全沾湿航行体完全不同,同时航行体尾部与空泡壁作用产生的非线性滑行力的出现,这些都对水下超空泡航行体的动力学建模和控制策略提出了很大的挑战。分析了超空泡状态下航行体各部分所受的流体动力,提出了航行过程中尾翼效率的计算方法,建立了超空泡航行体非线性动力学模型,设计了非线性切换控制策略。

超空泡高速航行体动力学建模与控制设计

为了研究超空泡航行体的动力学建模和控制问题,根据空泡膨胀独立性原理,研究了空泡的记忆效应及其对空泡形态的影响,详细计算了超空泡航行体各部分所受的流体动力,计算过程中还考虑了空化器的定向效应和空泡尾部的上飘变形,研究了航行过程中尾翼效率变化规律,建立了超空泡航行体非线性动力学模型.设计了基于输入输出精确线性化的鲁棒极点配置控制器,深度跟踪性能较好,不足之处是控制输入饱和问题和滑行力的不利影响.为解决输入饱和问题,设计了预测控制方法并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,避免了滑行力的出现,有利于减少摩擦阻力,提高了航行体的运动稳定性.

超空泡航行器流体动力仿真

利用超空泡技术来突破水下航行器的速度屏障。超空泡航行器在水下运动时,其大部分表面被超空泡包裹,构成了一种新的流体动力布局,运动模式完全不同于常规航行器,其受力状态也极其复杂。为了进一步分析超空泡流场中航行器受力特性,先描述了超空泡形态,分析影响超空泡变形的主要因素,然后对超空泡流场中的航行器出现的流体动力进行分析,并且对流体动力进行线性处理。本研究结果有利于航行器运动特性分析。

超空泡航行器尾部滑行流场特性数值仿真与试验

超空泡航行器尾部滑行升力对运动姿态具有重要影响。文中基于流体体积(VOF)多相流模型,开展了不同后体攻角下超空泡航行器尾部在空泡内滑行过程的数值仿真,通过与试验数据对比验证了数值仿真的有效性,并在此基础上分析了空泡形态及尾部流场压力的变化规律。研究结果表明:空泡在沾湿面附近由于压差作用会向航行器表面卷曲,并引起向上的飞溅流动,沾湿面压力沿空泡轮廓线方向的衰减速度比沿航行器下缘的衰减速度更快。研究结果可为滑行力建模提供参考。

超空泡航行器流体动力仿真分析

超空泡航行器在水下运动时,其大部分表面被超空泡包裹,构成了一种新的流体动力布局,运动模式完全不同于常规航行器,其受力状态也极其复杂,这种新的流体动力是非线性的。为了进一步分析超空泡流场中航行器的受力特性,需要对其流体动力进行线性化处理。本文描述了超空泡形态,讨论了影响超空泡变形的主要因素,对超空泡流场中航行器的滑行力和空化器升力做了分析和线性化处理。仿真结果表明,滑行力和空化器升力在一定范围内是线性的,利用经线性化的力可进一步分析航行器的运动特性。

超空泡航行体深度跟踪串级控制策略

针对空泡与航行体之间非线性滑行力导致的超空泡航行体稳定性问题,提出了基于圆判据理论和Nelder-Mead算法的超空泡航行体深度跟踪串级控制方法。介绍了超空泡航行体数学模型以及圆判据定理基础知识。结合模型特性推导了超空泡航行体串级误差状态方程,利用圆判据定理研究了内环绝对稳定性。通过Nelder-Mead算法对内环反馈参数进一步优化。仿真分析结果表明:所提控制方法便于反馈参数整定,可以充分利用超空泡航行体的控制量实现深度跟踪。

基于空泡记忆效应的水下超空泡航行体建模与控制

利用超空泡可以大幅地提高水下航行体的速度,为了研究超空泡航行体的动力学建模和控制问题,根据空泡膨胀独立性原理,研究了空泡的记忆效应及其对空泡形态的影响,详细计算了超空泡航行体各部分所受的流体动力,计算过程中还考虑了空化器定向效应和空泡上飘变形,研究了航行过程中尾翼效率变化规律,建立了一种更精细的超空泡航行体非线性动力学模型。设计了基于输入输出精确线性化的鲁棒极点配置控制器,仿真结果表明实现了系统在一定初始扰动下的稳定控制。

超空泡航行体加速段控制设计

为研究超空泡航行体在加速阶段动力学建模及稳定控制设计问题,根据空泡截面独立膨胀原理研究了空泡形态及其轴线的偏移,并考虑了空泡记忆效应、重力、空化器定向效应及航行体攻角的影响.采用细长体理论计算了超空泡航行体各区域的流体动力,建立超空泡航行体加速段纵平面内运动数学模型,设计了基于输入输出精确线性化的深度跟踪控制器,并对此进行数学仿真.仿真结果表明:控制器跟踪效果良好;滑行力在极短时间内变为零,有利于提高航行体的稳定性及减小部分沾湿区的摩擦阻力.

超空泡航行体最优控制建模与仿真

基于空泡独立膨胀原理分析了超空泡航行体在小机动条件下空泡轴线的偏移,详细计算了航行体各部分流体动力,建立了超空泡航行体纵向运动非线性动力学模型.针对该模型存在严重的动态耦合与操纵耦合,利用精确线性化方法进行了解耦处理,进而设计了最优控制器,实现了对航行深度的渐进跟踪控制.仿真结果表明:该控制系统能够有效地跟踪深度信号,具有良好的控制品质;航行体能稳定在空泡内而不与空泡壁面接触.

超空泡航行器稳定性分析及其非线性切换控制

超空泡航行器在航行过程中绝大部分被超空泡包裹,必然面临着航行器与空泡剧烈非线性作用力带来的稳定控制困难.针对超空泡航行器的控制问题,本文以Dzielski提出的航行器模型为研究对象,首先通过一系列系统变换使其成为线性系统环节和非线性环节反馈连接的形式,运用圆判据定理利用系统Nyquist曲线给出了系统绝对稳定的充分条件;而后结合工程实际,分析了极点约束对系统性能的影响,为进一步改善系统性能,提出了加入非线性激励来削弱系统固有非线性特性的切换控制策略.仿真结果表明,超空化航行器在极点约束情况下完全可以通过非线性切换控制达到系统对所有非线性特性的绝对稳定,且对于滑行力存在不确定性的情况切换控制依然有效.

基于LPV的超空泡航行体H_∞抗饱和控制

针对超空泡航行体在运动过程中面临的执行器饱和问题,提出一种基于线性变参数(linear parameter varing,LPV)的抗饱和控制方法。首先在航行体动力学模型基础上考虑执行器饱和非线性因素,将滑行力和执行器分别建模为时变参数的仿射函数,最终得到系统矩阵仿射依赖于时变参数的LPV模型,同时,该模型也考虑了噪声干扰条件下控制器的鲁棒性。基于该LPV模型,运用多面体理论和Lyapunov方法设计了不依赖于时变参数的静态状态反馈控制器。仿真结果表明,所设计的控制器可以保证航行体在执行器发生饱和时仍能渐近跟踪给定深度指令,且在零初始条件下具有对噪声的H_∞抑制性能。

水下超空泡航行体纵向机动运动控制研究

针对超空泡水下航行体机动很难控制的问题,通过对滑水力、尾翼受力的分析,完善了超空泡航行体模型,使用反馈精确线性化方法对非线性系统模型进行线性化处理,使用多输入多输出极点配置法为航行体设计控制器,采用空化器和尾翼分段延时控制的方法,对超空泡航行体在纵平面内的航行深度进行控制.仿真证明,改进的水下超空泡航行体的模型符合实际运动规律,设计的控制器能够在纵平面内实现对水下超空泡航行体机动运动的稳定控制.

超空泡航行体纵向运动的鲁棒极点配置控制

由于空泡及滑行力的存在,使得超空泡航行体的建模及控制问题变得非常复杂,在其模型简化过程中会产生一定的建模误差,采用鲁棒极点配置算法进行超空泡航行体控制可以有效克服这一缺点.对超空泡航行体所受的流体动力、尤其是滑行力的动态特性进行了分析整理;建立了超空泡航行体纵平面内的动力学模型;最后利用鲁棒极点配置算法设计了控制器.仿真结果表明,该控制系统具有较强的鲁棒性及稳定性.对各控制变量的控制效果进行了对比分析,分析结果表明空化器比尾舵具有更好的控制效果.

超空化航行器稳定性分析及最优控制设计

针对超空化航行器与超空泡之间的非线性滑行力带来的稳定控制困难问题,提出了基于圆判据的超空化航行器稳定性分析方法及其最优控制设计.以Dzielski提出的航行器模型为研究对象,通过一系列系统变换使其成为线性系统环节和非线性环节反馈连接的形式.运用圆判据定理得出系统绝对稳定的充分条件,使超空化航行器系统绝对稳定性与其Nyquist曲线的位置直接联系起来,简捷地解决了Dzielski模型系统稳定性的判定问题.针对实际工程中控制量约束条件下激励饱和造成的系统失稳问题,设计了最优控制策略.经仿真验证,该策略实现了在控制量约束范围内对航行器的稳定控制.

超空泡航行体的反馈控制设计

针对超空泡航行体的弱阻尼和耦合特性,提出采用内外回路的设计思想。用俯仰角反馈来对弱阻尼的动态特性进行镇定,并与运动学进行解耦。再根据深度信号作为输出,对以运动学方程为主的主回路进行设计。对所设计的系统用Nyquist法进行了理论分析,结论是这种用回路和带宽来确定反馈增益的做法是很有效的,既能满足深度控制的良好性能要求,又能保证姿态回路的稳定性。通过在扰动作用下的仿真对这个结论进行了验证。所提出的这种设计的每一步都有明确的物理解释,为状态反馈设计提供了一种新的思路,具有推广价值。

超空泡航行体的变结构控制器设计

超空泡航行体由于浮力缺失以及尾部滑行力的出现,使航行体具有了尾拍、结构振动和非线性等复杂的运动特征,给超空泡航行体的运动稳定控制设计造成了极大的困难。通过分析作用在超空泡航行体上的流体动力,推导出了超空泡下潜—俯仰面运动数学模型。依据对该模型开环时的系统特性分析,针对开环系统的不稳定性,设计了基于改进型指数趋近率的变结构控制器,并进行了数学仿真。仿真结果表明,该闭环系统响应快速,具有良好的稳定性能。

水下超高速航行体双模态控制研究

水下航行体在高速运动时,其全部或大部分表面被空泡包裹。由于水动力和周围环境扰动使航行体尾部与空泡壁相互作用产生滑行力,滑行力的存在使系统具有较强的非线性并导致不稳定的航行状态。针对航行体纵向运动数学模型可以描述为无滑行力的线性模型和存在滑行力的非线性模型,设计了基于状态的切换控制策略并设计了双模态控制器,对于线性模型采用状态反馈控制,对于非线性模型采用基于微分几何的反馈线性化方法。仿真结果表明,基于状态切换的双模态控制器减小了滑行力,对于初始状态扰动具有鲁棒性。