X舵与十字舵水下航行体水动力系数的对比

为了满足工程上水下航行体X舵水动力构型快速设计需求,需掌握X舵的操纵水动力特性,并建立适用于X舵水下航行体的水动力系数预报方法。本文采用数值模拟的方法,对比研究十字舵和X舵水下航行体的水动力系数和压力分布特性。结果表明,设计参数相同的情况下,有围壳、无围壳2种模型下X舵的动稳定性系数均低于十字舵,围壳对上方向舵和X舵的压力分布影响均在舵板前缘区域,约为舵板弦长的20%,且围壳对十字舵水动力系数和压力分布的影响均大于X舵。在此基础上,通过不同展长方案下十字舵和X舵水下航行体的线性水动力系数数值研究,得到X舵与十字舵水下航行体水动力系数之间的比例系数,从而提出基于十字舵水动力系数和X舵与十字舵水动力系数的比例特性实现X舵水动力系数快速预报的工程方法。

X舵欠驱动AUV凯恩动力学建模

X舵欠驱动AUV结构复杂、舵片与本体之间相互作用力增多,对其进行动力学建模变得非常困难。为了克服相互作用力对建模过程的影响,引入凯恩动力学的相关知识,推导出X舵欠驱动AUV的凯恩动力学模型。以广义坐标为基础,推导出力的作用点处的广义速度、偏速度、偏角速度的计算公式,给出了计算广义主动力和广义惯性力的方法,展示了凯恩动力学的建模步骤。通过水平面和垂直面的仿真结果,验证了该建模方法的有效性。该建模方法可以避免相互作用力的计算,清晰地展示出力对动力学模型的贡献。

基于非线性规划的X舵AUV容错控制

为了充分发挥X舵自主水下航行器(AUV)的容错能力,提出一种面向舵故障的AUV容错运动控制算法,并将其部署在一种X舵AUV原型上。容错运动控制算法由动力学控制和控制分配两部分组成。其中,动力学控制中多闭环增量反馈控制算法的引入可以使输出的虚拟舵角指令平缓且平滑;控制分配算法通过求解以分配误差和控制输出最小化为优化目标,以舵故障、舵角饱和以及其他物理限制为约束条件的非线性规划问题,实现了虚拟舵角向X舵执行机构控制输入的转换,且赋予了X舵AUV容错运动能力。现场试验结果表明,所提出的容错运动控制算法产生的舵角指令是平滑的,且X舵AUV在舵故障后仍保持一定的航行控制能力,这对设计应用于X舵AUV的容错操舵系统具有一定的指导意义。

X舵AUV双模糊控制器的设计与试验

针对X舵AUV水下运动时,深度和航向耦合控制的问题,开展了AUV空间运动控制研究与自航模试验。首先,搭建了X舵AUV的运动模型,分析了首、尾舵升速率操纵响应规律;然后,结合X舵对姿态角的控制权重,设计了“主体模糊控制器+模糊积分控制器”的双模糊控制系统,该控制系统分为“深度-首舵”和“姿态角-尾舵”两部分;最后,通过对AUV变深定向和定深旋回的运动仿真,证明了该控制系统可以很好地将深度和航向稳定在期望值。同样条件下的自航模试验结果表明:X舵AUV变深定向的深度偏差保持在5%以内,航向偏差稳定在3°以下;定深旋回的深度偏差在8.6%左右,旋回时航向变化稳定。

X舵在不同位置时SUBOFF潜艇的水动力特性

为分析X舵在不同纵向位置时现代潜艇的水动力特性,采用计算流体力学进行数值模拟,采用非结构网格研究X舵在3个位置时SUBOFF潜艇在不同来流速度下直航所受总阻力,及在攻角为±5°、±10°下所受纵向力、垂向力和俯仰力矩,研究直航和俯仰运动状态下X舵纵向布局对潜艇水动力性能的影响,及对应的压力云图。对结果进行分析对比可知:X舵位置变化对潜艇所受纵向力的影响较小,但对垂向力和俯仰力矩影响增大;随X舵位置向后移动,潜艇的垂向力增大,俯仰力矩减小,两者均在攻角为±5°时变化最大。

X舵潜艇内外舵水平面回转操纵数值模拟

基于STAR-CCM+软件建立X舵潜艇水平面回转操纵运动三维数值模型,开展潜艇直航阻力数值模拟,并将其与经验公式结果进行对比,验证数值模拟结果的准确性。在此基础上,数值模拟潜艇不同航速下以15°舵角水平面回转,研究X舵内侧舵与外侧舵的回转性能。模拟结果显示:潜艇在不同航速、相同舵角下水平面回转运动时,外侧舵方案回转周期、战术直径、进距及正横距等回转参数均优于内侧舵方案5%以上;潜艇低速回转时,内侧舵定常回转直径优于外侧舵,而高速回转时,外侧舵定常回转直径优于内侧舵5%以上。该方法适用于潜艇性能研究,研究结果可为潜艇实际操纵提供参考。

基于改进二次规划算法的X舵智能水下机器人控制分配

针对具有4个独立舵叶的X舵智能水下机器人(AUV)姿态控制分配精度及其计算效率问题,提出一种改进二次规划算法,在满足分配精度的同时减少计算量.使用Lagrange乘子法替代序列二次规划法所用的光滑牛顿法进行优化求解计算,有效降低了迭代循环计算,同时保留了序列二次规划的计算精度.仿真环境下的X舵AUV运动控制结果表明:改进后的控制分配算法能够减少40%的计算时间,控制分配偏差不大于0.03 N·m,AUV姿态控制效果良好.

潜艇X舵发展概况及其操纵控制特性分析

作为潜艇尾操纵面的一种发展趋势,X舵正在被越来越多的国家海军所接受。介绍了X舵在国外的发展概况,分析了它的操纵和控制特点,给出了X舵舵卡时的操纵措施。针对X舵操纵不直观这一现象,提出了X舵潜艇等效舵角转换装置设计思想,简化了X舵潜艇的操纵复杂度。通过仿真计算。

X舵潜艇掉深挽回决策与控制方法

[目的]为了研究潜艇水下掉深时的挽回策略和控制方法,建立某X舵潜艇六自由度运动模型。[方法]首先,分析X舵的控制规律和潜艇的排水能力,采用多目标模糊控制方法,设计掉深挽回控制系统;其次,对潜艇在大深度航行时遭遇的不同程度掉深险情进行挽回操作仿真,并在控制器和挽回策略这2个方面对挽回控制进行改进;最后,对不同航速条件下的挽回能力进行比较。[结果]结果显示,在控制器方面,引入智能模糊积分环节可提高挽回效率;在挽回策略方面,采用纵倾辅助及提高航速的挽回策略可增强挽回能力。[结论]研究表明,X舵模糊控制系统配合提高航速及纵倾辅助的策略具有较好的掉深挽回效果。

基于横滚稳定性的X舵航行器故障检测方法

文中首先介绍了X舵与普通十字舵操纵规律之间的转换关系,在此基础上分析了X舵水下航行器在舵面分为两组时的横滚稳定性。重点提出了一种基于横滚稳定性的检测方法,用以对舵面故障进行检测。进一步建立了仿真模型,对算法进行了仿真验证。

潜艇X舵的布局优化

为了深入了解X舵的分开角度对潜艇性能的影响,本文对带有20°、30°、45°、60°4种X形尾舵的潜艇模型阻力进行数值模拟,对潜艇的X舵进行了优化,得出了45°X舵潜艇的水动力性能更优良一些的结论。

X舵潜艇等效舵角转换装置设计研究

针对X舵潜艇人工操舵不直观这一现象 ,提出了等效舵角转换设计思想 ,给出了X舵与十字舵等效舵角转换数学模型 ,并对X舵潜艇等效舵角转换装置进行了设计研究。

X舵水下潜航器改进滑模控制策略研究

针对具有4个独立方向舵的X舵水下潜航器的姿态控制问题,设计了一种滑模控制方法。通过改进滑模趋近律,调整运动点不同阶段趋近于滑模面的速度,有效缓解了滑模控制的抖振问题。对X方向舵舵力及控制效率矩阵进行了分析,建立X方向舵控制分配方法。通过仿真验证控制方法的有效性,与未改进滑模和PID控制方法相比,该方法在航向和俯仰控制更有效,且在路径跟踪过程中,方向舵控制输入平滑,可有效减轻滑模控制的抖振。

X舵自主式水下航行器抗横滚控制研究与操纵性试验

[目的]针对一种新型的X舵自主式水下航行器(XAUV)在航行过程中的横滚问题,开展抗横滚近水面定深定向控制研究与系列操纵性试验。[方法]首先,介绍XAUV的系统结构与模式功能,并建立数学模型;其次,基于前期的水池试验经验,分析XAUV在水面航行时的横滚问题;接着,开展开环差动舵横滚控制试验,并结合试验结果设计基于反馈线性化PD控制的横滚与航向动力学控制器、基于增量反馈控制的深度动力学控制器,以及约束非线性控制分配的近水面抗横滚定深定向运动控制器;最后,通过在水池中进行系列操纵性试验,验证所提方法的有效性以及XAUV的操纵性。[结果]试验结果表明,在艇体模型相同的情况下,常规十字舵的回转直径为所设计X舵的1.2倍;基于所提出控制方法,在保证XAUV深度与航向控制效果的同时,当推进器转速为1 680 r/min时,可将XAUV的横滚角有效抑制在2°之内。[结论]研究表明,X舵可提升自主式水下航行器(AUV)的操纵灵活性且具备独特的横滚控制能力,所设计的抗横滚近水面定深定向控制策略能充分发挥XAUV的操纵性优势,在完成深度与航向控制的同时实现横滚角的有效控制。

X舵潜艇空间旋回运动控制系统设计

[目的]为了解决潜艇X舵的空间旋回运动控制问题,采用模糊控制方法设计X舵空间旋回模糊操纵系统。[方法]构造权限模糊系统,以解决旋回过程中X舵对于纵倾、横倾的控制力分配问题。对潜艇水平面定深和空间变深旋回控制进行仿真。[结果]研究表明,设计的潜艇X舵空间旋回模糊控制系统具有较好的控制效果,能实现无纵倾无横倾旋回运动。[结论]验证了X舵空间旋回模糊控制系统的有效性,对于潜艇操纵有一定的参考借鉴价值。

潜艇X舵控制分配器设计和仿真

[目的]为解决X舵潜艇在不同可用舵面条件下的操舵控制问题,开展X舵潜艇的操舵控制分配器设计。[方法]操舵控制系统采用“主控制器—控制分配器”级联控制结构,主控制器采用已有的成熟算法,将舵角控制分配问题转换为受舵角限幅、舵速限幅约束的加权最小二乘法(WLS)问题进行求解,设计受限控制分配算法,并分别在四舵、三舵、双舵条件下进行定深旋回、潜浮运动仿真,以验证控制分配算法的正确性。[结果]仿真结果表明,在给定的舵机配置条件下,随着操舵面的减少,潜浮性能并无差异,转向性能略有降低,横倾振荡及舵角抖动趋于严重。[结论]所提控制分配算法施舵合理,适用于各种舵机配置情况。

X舵与十字舵潜艇水下定深回转特性分析

潜艇操纵性能的预测通常是在已经得到各水动力导数的前提下,利用数学模型来实现,该方法计算效率高但精度有限,无法研究潜艇周围流场分布情况且利用该方法对X舵的研究还不够深入。因此,为了对比研究目前国际上流行的X舵与十字舵两种艉操纵面形式,有必要尝试一种直观准确普适的CFD方法。本文利用现有的技术条件,整合整体动网格技术、六自由度运动方法、虚拟桨盘体积力法以及VOF法,直接模拟潜艇的水平面回转运动,从而更好地了解两种操纵面构型潜艇回转时的操纵性能。结果表明:本方法可以高效地获得回转参数,解决了回转运动模拟受到回流影响达到稳定状态时间长的问题;X舵潜艇的水平面回转灵活性要优于原十字舵潜艇。

十字舵与X舵潜艇的水动力性能数值比较

现代潜艇尾操纵面建筑形式主要选择十字舵与X舵,这2种形式的舵各有其优缺点。在以往关于这2种舵形潜艇操纵性水动力的研究中,有研究者通过编制潜艇六自由度运动仿真程序,对十字舵与X舵在水平面和垂直面的水动力性能进行了综合比较,得出X舵的水动力性能优于十字舵。本文以十字舵和X舵Suboff为研究对象,通过CFD数值方法模拟了潜艇直航运动和垂直面变攻角运动这2种具有典型代表意义的运动情况,分别计算了2种舵形潜艇的操纵性水动力,通过分析计算结果,定量地比较了在舵面积相等的情况下十字舵与X舵潜艇的水动力性能,得出与编程仿真相同的结论:X舵的水动力性能优于十字舵。

X舵与十字舵潜艇稳定性对比分析

诸多潜艇强国对X舵潜艇的应用,说明了其背后巨大的实际应用价值。X舵操纵能力较十字舵更优是公认的,但X舵潜艇在实际研究过程中航向稳定性性能是一直被忽略的问题。为了解X舵潜艇相比于十字舵潜艇的航向稳定性如何,首先利用CFD方法研究SUBOFF标模来验证数值模拟的可行性,然后对某十字舵与X舵潜艇在不同工况下进行数值仿真,计算出与潜艇航向稳定性相关的水动力导数,最后比较研究2种操纵面稳定性差异。对比分析结果表明,原十字舵潜艇方向稳定性指数为0.021 46,新设计的X舵潜艇方向稳定性指数为0.249 03。说明设计的X舵潜艇满足稳定性要求,并有足够的裕度为改进潜艇其他性能提供设计空间。

基于干扰观测器的X舵AUV零纵倾变深控制

针对X舵AUV的零纵倾变深控制问题,提出一种基于非线性干扰观测器的滑模控制方法。该方法首先在AUV垂直面操纵模型的基础上,分别对深度与纵倾通道设计非线性干扰观测器,观测AUV变深时深度与纵倾双通道的耦合干扰以及未建模动态,并对其进行前馈补偿;其次,设计深度与纵倾双通道耦合控制器,通过同时对深度与纵倾进行控制减小变深过程的纵倾变化,实现AUV的零纵倾变深控制;最后,设计X舵的舵角分配算法,实现十字舵向X舵的舵角指令转化。仿真结果表明,本文提出的零纵倾变深控制算法能够有效地控制AUV完成高精度零纵倾变深航行。