潜载随动系统的扰动特征与复合轴补偿机理研究

当潜艇在水下高速行进时,海水会在潜艇表面形成脱体边界层和分离涡,大尺度分离涡的生成和脱体会引起潜艇力与力矩的大幅度波动,从而影响潜载激光武器随动系统的跟瞄精度与毁伤效能。以潜载激光武器粗精复合轴跟瞄系统为研究对象,分析了潜艇流噪声对粗、精两级跟踪输出误差的影响。基于流体力学基本控制方程,通过层次结构网格下的有限体积法分析了1×107雷诺数下6°偏航角潜艇的流体动力学特性,并通过坐标解算将流体对艇体的扰动转化到光轴坐标系;获得了粗、精复合轴随动系统的传递函数,搭建了闭环控制器,获得了粗、精通道对特征输入信号的时域响应特性;分析了粗、精复合轴随动系统对潜艇流场扰动输出误差的补偿效果,并从流场演化和压力矩脉动层面分析了大尺度分离涡对跟瞄输出误差的影响。研究结果表明:粗、精复合轴随动控制系统可以有效补偿潜艇扰动带来的光轴输出误差,方位角、俯仰角的波动和跟瞄输出误差主要由围壳端面产生大尺度分离的梢涡引起的压力矩脉动造成,艇身扰动因其周期较长而对输出误差没有特别的影响。

卡尔曼滤波补偿在潜载光电跟瞄中的应用

为了提高潜载光电设备的跟踪精度,提出了一种针对扰动误差进行补偿的前馈控制策略,主要方法分为3步:将大地坐标系转化为甲板坐标系;利用Singer模型的卡尔曼滤波对经过变换的光轴坐标系下的扰动量进行滤波;将滤波后的速度反馈到速度回路上,再结合脱靶量信息构成完整的速度环控制。仿真表明,在未加入补偿算法之前粗跟踪最大误差为0.004 rad,加入反馈之后最大误差为0.0018 rad,说明采用的方法能够有效减小跟踪误差。