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超空泡航行体纵向运动鲁棒控制研究
| 论文题名： | 超空泡航行体纵向运动鲁棒控制研究 |
| 关键词： | 水下航行体;航行阻力;超空泡技术;流体力学 |
| 摘要： | 在水下航行体所受到的阻力远远大于在空气中受到的阻力，这严重制约着航行体速度的提高。超空泡技术作为水下航行体的有效减阻方法，近年来吸引了越来越多学者的兴趣。在超空泡航行体的研制过程中，其数学建模和控制技术一直都是最为关键的部分。当航行体包裹于空泡中时，一方面航行体遇到的阻力急剧降低，高速航行成为可能，另一方面航行体受到的流体动力及其力矩平衡方式也随之改变，这些都使超空泡航行体的动力学建模和控制变得极为难度。因此研究超空泡航行体的数学模型及其机动控制方法具有重要的理论和现实意义。本文重点对超空泡航行体纵向运动的数学模型进行了分析，在此基础上完成了航行体纵向运动的控制方法设计与仿真分析。 本文首先建立了航行体的体坐标系，在该坐标系下分析了航行体在水中运动时受到的力和力矩，包括重力、空化器受力、尾舵受力、滑行力以及这些力对应的力矩。重点分析了航行体与空泡壁相互作用产生的滑行力的两种建模方法。在受力分析以及力矩分析的基础上，最终建立了航行体纵向运动的非线性的运动学方程以及动力学方程。其次完成了基于频域绝对稳定方法的超空泡航行体非线性控制研究：将系统模型变换为线性部分与非线性环节反馈连接的形式，在此基础上运用圆判据设计了非线性状态反馈控制器，对滑行力的建模不确定性和参数不确定性情况下控制器的控制品质进行了仿真分析。然后在分析航行体数学模型特点的基础上，设计了基于圆判据的反演控制器，对该控制器的控制效果进行仿真分析，并且对比了反演控制器与前文所述非线性控制器的控制效果。再次完成了超空泡航行体时域绝对稳定控制器的设计：将滑行力的非线性特性表示成扇形区域条件，结合Lyapunov方法设计了状态反馈控制器。所设计的控制器是以线性矩阵不等式(LMI)的形式给出的，可以方便的解算控制器的参数。针对系统处于噪声干扰情况下的控制器的控制品质进行了仿真分析。最后完成了超空泡航行体线性参数变化(LPV)控制器设计：通过将滑行力建模为时变参数与状态变量乘积的形式，将原系统表示为系统矩阵仿射依赖于时变参数的LPV模型，在此基础上运用Lyapunov方法设计了状态反馈控制器和增益调度控制器以及基于LPV的反演控制器，在仿真分析中对这三种控制器的控制品质进行了对比。 |
| 作者： | 强宝琛 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 孙尧 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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