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...     

超空泡航行体纵向运动的鲁棒极点配置控制

由于空泡及滑行力的存在,使得超空泡航行体的建模及控制问题变得非常复杂,在其模型简化过程中会产生一定的建模误差,采用鲁棒极点配置算法进行超空泡航行体控制可以有效克服这一缺点.对超空泡航行体所受的流体动力、尤其是滑行力的动态特性进行了分析整理;建立了超空泡航行体纵平面内的动力学模型;最后利用鲁棒极点配置算法设计了控制器.仿真结果表明,该控制系统具有较强的鲁棒性及稳定性.对各控制变量的控制效果进行了对比分析,分析结果表明空化器比尾舵具有更好的控制效果.     

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.     

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.     

水下超空泡航行体流体动力设计原理研究

在对航行体超空泡生成、流型和稳定性水洞模型实验研究的基础上，从航行体运动力学原理出发，研究了超空泡航行体流体动力设计需要解决运动平衡、稳定性与可控制等基本问题．给出了超空泡航行体流体动力设计原理、方法与实现途径；并提出了一种流体动力设计原理方案，设计加工了实验模型，在水洞中进行了验证实验。实验获得的航行体超空泡流型照片和流体动力曲线表明提出的超空泡航行体流体动力设计原理是正确的，方法是可行的。     

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.     

超空泡航行体三相流动演化特性

为研究通气航行体的空泡三相流动演化特性,采用CFD仿真软件Fluent对超空泡航行体通气空泡替代自然空泡的复杂流动过程进行了三维数值模拟研究.本文基于RNG k-ε湍流模型和VOF多相流模型,建立通气超空泡航行体三相流动的数值计算模型,并进行收敛性验证,并通过相关实验与模拟结果进行对比验证本数值方法的有效性;数值模拟了...     

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.     

超空化航行体前部外径对空泡影响的研究

文章基于CFD技术和水洞试验,对超空化航行体通气装置外径尺寸对空化流场的影响进行了研究.数值计算结果表明:航行体的前部外径对航行体超空泡的生成和形态有重要影响,若Rw取值偏大将会使空化流场出现空化不连续现象,甚至改变超空泡的脱体边界.文中以数值计算结果为依据,建立了航行体超空泡可以正常生成的航行体前部外径最大临界值公式.同时设计了三个航行体头部模型在水洞实验室进行了实验研究,实验结果验证了所建立公式的正确性,文中结论为进一步研究人工通气超空化奠定了基础.     

超空泡航行体前部线型对空泡生成速度影响实验研究

基于航行体超空泡理论和格兰威尔线型设计方法,设计了3种具有不同前部线型的航行体模型。并针对所设计的3种模型和具有锥形前部外型的航行体模型在西北工业大学水洞进行了超空泡生成速度的实验研究。结果表明:①航行体前部线型对超空泡生成速度的影响程度与航行体的轴向压力分布和斜率分布有关,模型表面的压力和斜率轴向分布曲线越平坦或变化率越小,越有利于提高航行体超空泡生成速度;②航行体超空泡生成速度与通气流量有关,增大通气流量可以减小航行体超空泡生成时间。文中结果为提高航行体超空泡生成速度提供一条技术途径和研究方法。     

Motion stability and control of supercavitating vehicle with variable cavitation number

Cavitation number and speed are capable of variation during the motion of supercavitating vehicle underwater,for example,under the condition of accelerated motion stage and external disturbance.The dynamic model and control challenge associated with the longitudinal motion of supercavitating vehicle with variable cavitation number and speed have been explored.Based on the principle of cavity expansion independence the properties of cavity and the influence on planning force of body were researched.Calculation formula of efficiency of the fin was presented.Nonlinear dynamics model of variable cavitation number and speed supercavitating vehicle was established.Stabilities of the open-loop systems of different situations were analyzed.The simulations results of open-loop systems show that it is necessary to design a control method to control a supercavitating vehicle.A gain schedule controller with guaranteed H∞ performance was designed to stabilize the dive-plane dynamics of supercavitating vehicle under changing conditions.     

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.     

Robust tracking control design for a flexible air-breathing hypersonic vehicle简

A nonlinear robust controller was presented to improve the tracking control performance of a flexible air-breathing hypersonic vehicle （AHV） which is subjected to system parametric uncertainties and unknown additive time-varying disturbances. The longitudinal dynamic model for the flexible AHV was used for the control development. High-gain observers were designed to compensate for the system uncertainties and additive disturbances. Small gain theorem and Lyapunov based stability analysis were utilized to prove the stability of the closed loop system. Locally uniformly ultimately bounded tracking of the vehicle＇s velocity, altitude and attack angle were achieved under aeroelastic effects, system parametric uncertainties and unknown additive disturbances. Matlab/Simulink simulation results were provided to validate the robustness of the proposed control design. The simulation results demonstrate that the tracking errors stay in a small region around zero.     

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.     

Multi-constrained model predictive control for autonomous ground vehicle trajectory tracking

A multi-constrained model predictive control (MPC) algorithm for trajectory tracking of an autonomous ground vehicle is proposed and tested in this paper. First, to simplify the computation, an active steering linear error model is applied in the MPC controller. Then, a control increment constraint and a relaxing factor are taken into account in the objective function to ensure the smoothness of the trajectory, using a softening constraints technique. In addition, the controller can obtain optimal control sequences which satisfy both the actual kinematic constraints and the actuator constraints. The circular trajectory tracking performance of the proposed method is compared with that of another MPC controller. To verify the trajectory tracking capabilities of the designed controller at different desired speed, the simulation experiments are carried out at the speed of 3m/s, 5m/s and 10m/s. The results demonstrate the MPC controller has a good speed adaptability.     

四旋翼无人飞行器ADRC-GPC控制

针对四旋翼无人飞行器的姿态控制系统,需要研究先进控制策略来达到满意的性能.将自抗扰控制(ADRC)与广义预测控制(GPC)相结合,设计一种新型自抗扰广义预测控制器(ADRC-GPC),利用ADRC中的扩张状态观测器(ESO)来估计和补偿非线性系统的模型不确定性以及外部扰动作用,将原始对象模型转化为积分器形式,然后针对积分器设计广义预测控制器.阶跃响应系数矩阵能被解析地求解出来,可有效地解决广义预测控制计算量大的问题.研究结果表明:所提出的ADRC-GPC控制方法能够对四旋翼无人飞行器姿态系统进行实时控制,可满足控制精度及快速性要求,并能有效地克服系统的外部干扰和多变量耦合作用.自抗扰广义预测控制器能够有效地控制欠驱动非线性多变量系统.     

高速无人驾驶车辆轨迹跟踪和稳定性控制

针对高速无人驾驶车辆运动控制过程中轨迹跟踪精度和稳定性难以同时保障的问题,提出综合前馈-反馈及自抗扰控制(ADRC)补偿相结合的横向控制算法. 通过车速和道路曲率信息计算前馈稳态前轮转向角,将质心侧偏角引入航向偏差,以车辆航向角偏差和侧向偏差作为参考量进行反馈控制,通过前馈-反馈控制提升瞬态轨迹跟踪性能. 设计自抗扰控制器,通过扩张状态观测器对未建模动态和内外界干扰进行估计,通过将后轮侧偏角控制在参考值附近来补偿前轮转角,提升无人驾驶车辆的转向稳定性和控制器的鲁棒性. 不同工况下的仿真结果表明,利用该方法可以保证高速无人驾驶车辆稳定地跟踪期望路径行驶,轨迹跟踪偏差较小,对车辆参数变化和外界干扰具有较强的鲁棒性.     

水下自主航行器垂直面运动的预测控制

针对近水面海浪干扰下水下自主航行器(AUV)的深度跟踪及姿态控制问题,提出一种基于非线性降维状态观测器(ROSO)的预测控制.通过非奇异坐标变换实现AUV垂直面运动非线性模型的状态估计,并将状态估计结果用于预测控制及其预测模型的在线线性化过程中,在仿真实验中对ROSO与全维状态观测器(FOSO)的状态估计结果进行对比,同时也对比了所提出的基于在线线性化的预测控制(PC-NMOL)与现有的非线性预测控制(NPC)的控制效果.仿真结果证明了所提出的方法可以得到精确的状态估计,且具有动态响应快,对外部扰动鲁棒性强的特点.