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.     

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...     

基于圆判据的超空化航行器状态反馈控制研究

超空化航行器由于航行过程中大部分被空泡包裹,必然面临着航行器与空泡剧烈非线性滑行力带来的稳定控制困难.适当设计的线性控制律一般可得到航行器高频有限振幅振荡运动或阻尼振荡运动的控制结果;而在反馈中引入非线性,虽控制结果理想,但要求对滑行力精确可知,这在实际情况下很难做到.针对以上问题,文章以Dzielski提出的超空化航行器模型为研究对象,基于圆判据定理通过线性状态反馈方法,使航行器系统对所有非线性滑行力特性达到全局绝对稳定.文中首先对原模型进行变换和局部抽取,使之适用于圆判据定理的应用条件;接着给出了通过极点配置方法构建线性状态反馈控制律而达到系统绝对稳定的条件;最后结合系统参数,分析了系统局部和全局绝对稳定情况下稳定域的估计,并给出了仿真验证.     

水下超高速航行体的动力学建模及控制问题研究

水下超高速航行体的全部或大部分表面被空泡包裹,只有小部分与水接触.空泡的包裹一方面使航行体的阻力显著降低以达到高速航行的目的,另一方面又改变了航行体所受流体动力及其力矩的平衡方式,给超高速水下航行体的建模和控制带来了很大难度.该文采用空化器和尾部控制面联合控制方法,建立了水下超高速航行体纵向运动的动力学及控制模型.利用鲁棒性极点配置算法设计控制器并对该系统进行了仿真分析.分析结果表明,该控制方法能够明显改善超高速航行体系统的动态稳定性和可控品质,为进一步研究水下超高速航行体的动力学控制问题提供了一定的理论依据.     

超空泡航行体鲁棒H_∞绝对稳定控制

针对超空泡航行体(HSSV)在巡航阶段会受到强非线性滑行力,且伴随噪声干扰等问题,提出一种基于时域绝对稳定性的鲁棒H∞绝对稳定控制器的综合方法。利用backstepping方法,将原系统转化成子系统级联形式的跟踪模型,并在其基础上分析了滑行力的扇形区域条件。考虑系统中存在噪声干扰的情况,利用Lyapunov理论结合滑行力的扇形区域条件,给出了线性矩阵不等式(LMI)约束形式的鲁棒H∞绝对稳定控制器综合方法。仿真结果表明,所设计的鲁棒H∞绝对稳定控制器可以实现闭环系统的绝对稳定,同时在零初始条件下具有给定的H∞性能。     

超空泡航行体控制效果的视景仿真研究

为了逼真地模拟超空泡航行体的航行状态及控制效果,采用虚拟现实技术开展了超空泡航行体控制效果的可视化仿真研究,开发了相应的仿真软件平台.在超空泡航行体动力学模型及空泡复杂形态计算的基础上,选择合适的控制器,结合虚拟现实技术对超空泡航行体控制效果进行了三维立体视景仿真.研究结果表明,该视景仿真系统能够模拟超空泡航行体的水下运行环境、空泡的生成过程、航行体航行姿态的动态变化过程等,有利于获得超空泡航行体控制效果的清晰、直观的认识,为超空泡航行体控制问题的研究提供了一种便捷有效的研究途径.     

双电极气体保护焊系统的鲁棒自适应控制仿真

针对双电极气体保护金属极电弧焊系统,建立了一个双输入双输出的非线性模型,并基于梯度算法和极点配置自校正设计了鲁棒自适应控制器.仿真结果表明,该鲁棒自适应控制器具有良好的控制效果.     

超空泡航行体的自适应变结构控制设计

针对航行体在实际巡航时存在的流体动力系数摄动及尾部流体未知干扰等不确定性问题,改进了目前普遍采用的超空泡航行体的数学模型,利用自适应算法对不确定因素进行了估计,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:该控制器在稳定控制过程中具有很好的性能,调整时间小于1 s;系统的稳态误差小于1%,表明其应用到超空泡航行体上是完全可行的.     

超空泡航行体典型弹道特性仿真研究

针对超空泡航行体的弹道及操纵特性进行研究,建立了超空泡航行体在纵平面内的简化运动方程,编制了相应的弹道仿真程序,并对其在90 m/s左右速度区段内的典型弹道特性进行了仿真分析.仿真结果表明,通过对雷顶舵进行典型操舵控制,超空泡航行体可以在无反馈控制的情况下,实现定深直航,以及变航向、变深度等典型弹道机动,可见超空泡航行体的操纵特性良好.     

随机激励下随机参数超空泡结构的动力可靠度

针对具有随机参数的超空泡结构在随机激励下的动力可靠性问题,使用八节点超参数壳单元对超空泡航行体建模,将超空泡尾部受到的冲击载荷及滑行力简化成2个存在某一相位差的平稳随机过程,利用虚拟激励法将双随机问题精确地转化为单随机问题.应用Newmark法结合虚拟激励摄动法计算出随机结构的应力响应,进而求出随机参数超空泡结构动力可靠性所需的全部数字特征.由首次超越破坏准则的动力可靠度公式,求出随机参数超空泡结构动力可靠度的均值和方差的计算公式,解决了具有随机参数超空泡结构的动力可靠性问题.通过算例与Monte Carlo方法结果的比较,验证文中方法的可行性和有效性.     

Adaptive robust controller for supercavitating vehicle using guaranteed cost theory

Regarding to the problems that supercavitating vehicles have special characteristics from traditional underwater vehicles,robust control problem was studied in this paper for the supercavitating vehicles with mismatched uncertainties.The nonlinear dynamic model was improved.For mismatched uncertainties,the robust sliding mode function was proposed based on guaranteed cost theory,and sufficient condition for the existence was given in terms of linear matrix inequality (LMI).Continuous sliding mode controller was designed,with an adaptive technology which was used to estimate the unknown upper bound of mismatched uncertainties.Meanwhile,upper bound of parameter uncertainties was not required.Simulation results demonstrated that the system responds rapidly and has good robust stability.Due to application of guaranteed cost theory,the controlled plant is not only stable but also guarantees an adequate level of performance.Therefore,it provides theoretical references for further study on control problems of supercavitating vehicles.     

自然超空泡航行体弹道稳定性分析

针对空化数实时变化的自然超空泡航行体的弹道稳定性问题,建立了纵平面内的简化运动方程,完成了弹道仿真程序的改进和完善,并仿真分析了其在110 m/s速度下的弹道特性.仿真结果表明,由于空化数变化使航行体受力失衡,航行体的姿态与受力互相影响,使航行体在超空泡壁面附近做规律性的振荡.     

随机车辆跟随系统的鲁棒控制

基于车辆系统建模中忽略的随机因素,根据伊藤随机微分方程建立随机车辆动力学模型,运用滑模控制研究了具有鲁棒性的随机车辆纵向跟随控制。假设参数有界,设计了一类随机车辆跟随系统的变结构鲁棒控制规律。运用随机车辆跟随系统的稳定性判据分析了控制系统的稳定性,得到控制系统收敛的充分条件。数值仿真表明,根据所设计的鲁棒控制策略,既能达到满意的跟踪性能,又可以有效减弱控制抖动。     

基于风险预测的自动驾驶车辆行为决策模型

为了解决人工与自动驾驶汽车混行环境下无信号交叉口的通行权分配问题,提出基于驾驶员行为预测的自动驾驶汽车行为决策模型. 利用模糊逻辑方法构建驾驶员的风险感知模型. 基于风险均衡理论,结合可接受风险区间,预测人工驾驶汽车的行为选择策略. 构建自动驾驶汽车的综合效用函数,利用博弈论求解最优行为策略组合,实现无信号交叉口车辆协同控制. 仿真结果表明,面对异质驾驶员,自动驾驶汽车能够有效避免碰撞事故发生并提高自动驾驶汽车通过无信号交叉口的效率,保证驾驶员风险感知值处于可接受范围. 在15组实验中,有93.3%的实验组能够保证车辆通过冲突点的时间差大于可接受的安全通行间隔时间,不同情景下自动驾驶汽车的通行时间是自由流状态的1.07~2.43倍. 与无预测自私博弈模型的对比实验表明,所提模型能够显著提升自动驾驶汽车的通行效率.     

Structure buckling and non-probabilistic reliability analysis of supercavitating vehicles

To perform structure buckling and reliability analysis on supercavitating vehicles with high velocity in the submarine,supercavitating vehicles were simplified as variable cross section beam firstly.Then structural buckling analysis of supercavitating vehicles with or without engine thrust was conducted,and the structural buckling safety margin equation of supercavitating vehicles was established.The indefinite information was described by interval set and the structure reliability analysis was performed by using non-probabilistic reliability method.Considering interval variables as random variables which satisfy uniform distribution,the Monte-Carlo method was used to calculate the non-probabilistic failure degree.Numerical examples of supercavitating vehicles were presented.Under different ratios of base diameter to cavitator diameter,the change tendency of non-probabilistic failure degree of structural buckling of supercavitating vehicles with or without engine thrust was studied along with the variety of speed.     

超空泡运动体强度与稳定性的非概率可靠性分析

超空泡运动体在水下高速运动时,所受的轴向力非常大.考虑到结构自身参数的不确定性,有必要对运动体结构进行强度和稳定性可靠性分析.给出运动体圆柱薄壳结构强度和失稳安全余量方程,并将结构的可靠性分析由强度和稳定性两失效模式组成的串联系统来模拟.针对运用结构非概率集合可靠性模型计算非概率失效度时的复杂性,提出运用Monte-Carlo法计算多维非线性安全余量方程及串联系统的失效度.分析了不同空化器锥角时的圆柱薄壳结构强度、稳定性和串联系统非概率失效度随速度的变化趋势及它们三者之间的关系,并且验证了在结构样本数据缺乏的情况下,非概率区间可靠性算法所得的结果要比概率可靠性的结果安全.