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水下二级拖曳系统动力学建模与控制方法研究
| 论文题名： | 水下二级拖曳系统动力学建模与控制方法研究 |
| 关键词： | 潜艇;动力学建模;通信浮标;隐蔽性;二级拖曳系统 |
| 摘要： | 信息化时代，良好的水下通信能力是潜艇威慑力的重要保障，但由于水介质的阻碍，潜艇难以在水下进行隐蔽高速通讯。为解决这一问题，浮标通信技术被提出，潜艇可以在正常深度下保持航行状态通过拖曳通信浮标与卫星或者岸站进行高速通讯，但常规拖曳通信浮标露出水面的部分容易被雷达侦测到并且通信浮标在被拖曳时会产生尾迹，导致其隐蔽性不足。 为解决常规拖曳通信浮标隐蔽性不足的问题，本文将折叠通讯天线与具有深度和姿态调节能力的拖体相结合来代替常规拖曳通信浮标。在拖曳过程中拖体能够与波浪表面保持一定深度并维持自身姿态的稳定，从而在保证自身隐蔽性的同时满足通讯天线露出水面一定高度的工作条件。为测试拖体的运动性能，本文利用二级拖曳系统来模拟拖体被拖曳时潜艇的运动。 二级拖曳系统由多个部分组成，结构复杂，在拖曳过程中二级拖曳系统在深度与长度方向跨度较大，受力复杂，并且在执行通讯任务时拖体搭载的折叠通讯天线需要升起，这一升起动作会改变二级拖体的重心和转动惯量，因此本文在建立二级拖曳系统动力学模型的过程中充分考虑了各部分之间的耦合作用、波浪与海流对拖体的非线性干扰、拖缆的柔性以及天线升起对二级拖曳系统的影响。 海洋状况变化无常，为使拖体能够在多种海况下正常工作，本文对拖体的深度与姿态控制策略进行研究。根据通讯天线的工作条件可知，拖体需要与波浪表面保持一定深度，为适应不同海况下的波浪条件，本文采用能够自整定参数的模糊PID算法来控制二级拖体的深度。在拖曳过程中，拖体的姿态只需要保持稳定，无需适应多种波浪条件，所以采用PD算法来控制拖体的姿态。 为得到拖体准确的水动力特性，本文结合拖曳试验与流体仿真对拖体的水动力学系数进行研究。 基于上述工作，本文对拖体在多种海况下的控制性能进行了仿真研究，研究结果表明在二级、四级和六级海况下，拖体相对于波浪表面的深度变化幅度相较于未对其施加控制时，缩小了80%以上；在拖曳过程中折叠通讯天线的升起动作对拖体的深度控制性能基本不造成影响。本文提出的控制策略使拖体能够在二级和四级海况下满足通讯天线的工作条件，此外，在拖曳过程中二级拖曳系统能够有效抵抗波浪等海洋环境因素的干扰，并能够很好地模拟拖体被拖曳时潜艇的运动。 |
| 作者： | 冯欢 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 王建军;魏五星 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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