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水下高速航行体制导与控制一体化研究
| 论文题名： | 水下高速航行体制导与控制一体化研究 |
| 关键词： | 水下高速航行体;动力学模型;反馈线性化;制导控制一体化 |
| 摘要： | 水下高速航行体被空泡所包裹，在水中的航行阻力迅速减小，运动速度实现了质的提升，像空中的导弹一样在水中“飞行”。然而，超空泡技术为水下航行体的减阻带来巨大变革的同时，却给水下航行体的制导与控制造成了很大的困难。因航行体被空泡包裹，其流体动力特性发生了复杂的变化，对控制策略提出了更为严格的要求；又因水下高速航行体的机动性能较差，但随着现在海洋战争的发展，水下目标变得日趋复杂，航行体的机动和制导性能要求也越来越高。因此，本文对一种主动寻的式水下高速航行体制导与控制方法设计进行了研究和分析。主要研究内容如下： 首先，研究了水下高速航行体的动力学模型。为描述水下高速航行体的运动规律，定义相关坐标系，选取运动参数，并推导坐标系之间的转换关系；确定航行体的几何模型和航行体在水中的稳定航行方案；选取空泡模型方程，并对影响空泡形态的因素进行分析；分析计算航行体各部分的流体动力及力矩，最终建立水下高速航行体六自由度的动力学与运动学方程。 其次，分析了水下高速航行体纵向平面内传统制导律和控制律。在纵向平面模型的建立过程中，依据相关化简准则，对模型方程进行简化处理，并对模型的开环动态耦合特性进行仿真分析；在传统设计中，针对水下高速航行体弹道笔直的特点，制导律分别采用传统比例导引法和自适应滑模制导律，并进行了仿真对比分析；控制器的设计，先是根据反馈线性化方法对纵向模型进行线性化与解耦处理，然后分别采用滑模变结构控制与极点配置控制对航行体进行定深控制，并进行了仿真对比分析。 再次，为了弥补传统设计的不足，提出了水下高速航行体制导与控制一体化设计。利用航行体与目标相对运动关系，将制导信息量引入航行体纵向平面运动模型中，以此建立航行体纵向平面一体化模型；针对此模型设计无状态约束的有限时间LQR控制器，为减弱无状态约束时状态变量的振荡现象，利用经典欧拉法求解出一种带有状态约束的有限时间 LQR控制器，又基于古典增益调度思想，提出一种无限时间LQR控制器，提高了一体化系统的自适应能力；根据给定的初始参数，给出三种控制器的仿真对比结果，结果验证所建立的模型和设计的控制器的正确性和有效性。 最后，给出水下高速航行体制导与控制一体化设计和传统设计的仿真对比分析。仿真结果表明，对比传统设计方法，一体化的设计可提升水下高速航行体自身潜在的机动性能以及使航行体自身状态有更好的稳定性。 |
| 作者： | 高浩楠 |
| 专业： | 控制工程 |
| 导师： | 韩云涛;包玖红 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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