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基于时滞特性的超空泡航行体预测控制
| 论文题名： | 基于时滞特性的超空泡航行体预测控制 |
| 关键词： | 超空泡航行体;时滞特性;预测控制;Lyapunov稳定性;数学模型 |
| 摘要： | 航行体在水下航行速度达到某一值时其表面会产生超空泡。超空泡的产生会极大减小航行体的航行阻力，提高航行速度。由于其强大的减阻特性，使得超空泡技术成为提升水下航行体以及水下武器速度的重要方式。与此同时，航行体与水接触面积的减少导致超空泡航行状态下水动力参数更加复杂多变，这给超空泡航行体的建模以及控制带来了极大的挑战。另外，航行体尾部拍打空泡壁产生的滑行力具有较强的非线性和时滞特性，这增加了超空泡航行体控制器的设计难度。本文针对超空泡航行体纵向平面的运动模型及时滞特性进行预测控制器设计与仿真研究。 首先，研究超空泡航行体纵向平面数学模型的滑行力及时滞特性机理，对超空泡航行体进行了动力学和运动学分析。针对模型非线性问题，将滑行力的非线性部分用时变参数表示。针对超空泡时滞特性，将滑行力线性时滞与线性非时滞状态变量进行了分离，建立超空泡航行体的线性时变(LPV)时滞模型。 其次，针对建立的LPV模型设计模型预测控制器。在有限时域预测控制的基础上，考虑超空泡航行体的时滞特性，建立了航行体时滞预测模型。同时，针对状态空间预测控制的预测模型不易处理参数时变问题，推导出多胞描述的超空泡航行体LPV时滞模型，并以此为基础对状态控制预测模型进行改进，采用二次规划(QP)算法实现LPV时滞模型的预测控制器设计。 再次，为了保证超空泡航行体的稳定性能，在Lyapunov稳定性理论的基础上设计基于多个自由控制变量的预测控制算法。该算法采用具有终端约束的有限时域指标，以变化的Lyapunov函数为基础，在预测控制的基础上引入了超空泡的时滞特性以及多个自由控制变量。通过变化的Lyapunov函数增加系统稳定性，引入自由控制变量扩大系统初始可行域，以此来提高系统的控制性能。 最后，针对预测控制在线求取最优解计算量大以及易受外界干扰等问题，将H∞鲁棒控制与预测控制相结合，使预测控制器能有效抑制外界扰动。同时，在控制器设计过程中引入控制量约束条件，避免了执行器饱和。为了减小在线计算时间，在H∞鲁棒预测控制的基础上设计了能够求解记忆状态反馈控制律的离线算法，通过仿真验证H∞鲁棒预测控制及其离线算法的有效性。 |
| 作者： | 许振 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 韩云涛 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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