超空泡航行体的增益自适应变结构控制设计

针对超空泡航行体在实际巡航时具有其独特的运动特性,同时存在流体动力系数的摄动及尾部流体未知干扰等问题,提出了增益自适应变结构的控制方法。首先改进了目前普遍采用的超空泡航行体的数学模型,借鉴Backstepping思想设计了滑动模态面;采用增益自适应算法对干扰未知上界进行了估计,最后设计了基于变结构理论的控制器,并进行了数学仿真。仿真结果表明:该系统响应快速,具有很好的鲁棒稳定性能。     

基于反演设计的超空泡航行体滑模控制

超空泡航行体是一个具有非线性滑行力、系统参数不确定性的多变量系统。文中以Dzielski提出的航行体模型作为基础,分析了超空泡航行体在运动中,由于空泡形态、尾部湍流等因素引起的不确定性及外界干扰力。利用反演法设计了超空泡航行体的滑模控制器,并在控制器设计中加入自适应律,估计不确定项的上界。仿真结果表明,设计的控制器能够有效的调整超空泡航行体的纵向状态,并对设计的标准弹道表现出良好的跟踪性能。     

超空泡航行体的变结构控制器设计

超空泡航行体由于浮力缺失以及尾部滑行力的出现，使航行体具有了尾拍、结构振动和非线性等复杂的运动特征，给超空泡航行体的运动稳定控制设计造成了极大的困难。通过分析作用在超空泡航行体上的流体动力，推导出了超空泡下潜一俯仰面运动数学模型。依据对该模型开环时的系统特性分析，针对开环系统的不稳定性，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，该闭环系统响应快速，具有良好的稳定性能。     

基于混合扩展卡尔曼滤波的超空泡航行体变深运动控制研究

为解决测量和环境噪声导致的超空泡航行体在变深运动中的失稳问题,提出一种基于混合扩展卡尔曼滤波算法的控制方法。进行水洞实验获取超空泡航行体模型在控制过程中的测量和环境噪声,采用这些数据改进了超空泡航行体的纵向运动数学模型;基于混合扩展卡尔曼滤波算法改进了超空泡航行体变深运动控制器。仿真结果表明,混合扩展卡尔曼滤波算法能够有效地提高超空泡航行体变深运动的稳定性。     

基于二维分岔的超空泡航行体非线性动力学特性分析

基于二维分岔图,利用相轨图、时域仿真图、Lyapunov指数谱等动力学分析工具分析了超空泡航行体复杂的动力学行为,探讨了超空泡航行体运动状态随尾翼偏转角反馈控制增益及空化数的变化规律,确定了航行体稳定运动的条件和参数范围。结果表明:随着参数的变化,超空泡航行体的动力学行为中存在分岔、混沌、周期窗等丰富的非线性物理现象; 合理调整尾翼偏转角,能够有效抑制航行体的振荡与冲击。研究结果对超空泡航行体控制器的设计具有重要的指导意义。     

混合H2/H∞鲁棒控制在飞行器控制中的应用

利用混合H2／H∞。鲁棒控制技术设计了某型飞行器运动控制系统。用小扰动方法对飞行器非线性运动控制系统进行线性化，之后建立了混合H2／H∞。鲁棒控制问题的系统模型，设计了H2／H∞鲁棒控制器，使飞行器运动系统有较大的鲁棒稳定性同时满足一定的鲁棒性能要求。仿真结果表明，系统具有满意的鲁棒稳定性和闭环噪声抑制性能。     

基于无迹卡尔曼滤波的超空泡航行体最优控制研究

针对超空泡航行体运动过程中环境噪声和测量噪声带来的不利影响,提出一种基于无迹卡尔曼滤波器（UKF）的最优控制算法。通过超空泡航行体动力学建模,建立含有环境噪声和测量噪声的状态方程,分别在无滤波器和含有UKF情况下的最优控制器进行了仿真分析。研究结果表明：在环境噪声和测量噪声干扰下,超空泡航行体跟踪误差较大,运动极其不稳定,处于失稳状态;在UKF作用下,超空泡航行体跟踪误差明显减小,在较短时间内达到全包裹状态,有较好的信号处理效果。     

水下超空泡航行器巡航段稳定控制

为研究水下超空泡航行器巡航段稳定控制,保证弹道的可靠性,提出了对超空泡航行器的纵平面、水平面和横滚进行稳定控制.从超空泡航行器流体动力产生的机理出发,提出了一种适应于稳定控制的流体动力布局,建立了航行器空间运动模型,采用空化器首舵对航行器巡航段进行控制,利用极限操舵的控制模式降低了三通道之间的耦合.针对超空泡航行器稳定控制进行了系统动态特性仿真.仿真结果表明弹道航向稳定、深度偏差小、横滚振荡幅度可控;航行器运动参数可迅速达到期望值,过滤过程和稳定性满足系统要求,鲁棒性强.     

μ-synthisis方法在结构一声耦合系统鲁棒控制中的应用

以在工程中普遍存在的封闭空间结构一声耦合系统为对象，基于鲁棒结构奇异值理论，建立了结构一声耦合系统鲁棒主动控制模型，提出了设计鲁棒μ-synthesis。控制器的方法：通过引入虚拟的不确定块，将耦合系统响应性能的问题转化为广义系统的稳定鲁棒性问题，采用标准D-K迭代法求解该增量系统的稳定鲁棒控制器。封闭空间结构一声耦合系统的控制仿真表明，同鲁棒H∞控制结果相比，μ-synthesis方法对模型不确定性具有良好的稳定鲁棒性和性能鲁棒性。同以往的研究相比，新意在于应用μ-synthesis方法设计了结构一声耦含系统鲁棒控制器，以克服H∞控制器的不足。     

不同尾部超空泡航行体阻力特性数值模拟研究

为了研究在不同的后体模型情况下，通气超空泡的形态及航行体的形状阻力特性，利用商业CFD软件Fluent6．0，对无后体和四种不同后体模型的航行体进行了通气超空泡数值模拟研究．获得了不同后体模型下，通气超空泡航行体的形状阻力系数变化规律及超空泡形态变化规律，同时获得了速度和通气压力的变化对各种后体模型通气超空泡航行体形状阻力系数及超空泡形态的影响，对开展不同后体模型航行体的通气超空泡试验研究具有指导意义．     

非定常人工通气超空泡数学仿真与分析

针对人工通气超空泡涉及因素多、时变特性强、实现难度大、成本代价高的复杂工程问题,开展了非定常人工通气超空泡数学仿真研究.根据Logvinovich的空泡截面扩展独立性原理,建立了非定常通气超空泡形态模型,给出了仿真计算方法,对影响超空泡形态的因素进行了动态仿真计算,得到了不同充气参数和运动参数下空泡形态变化规律以及与航行体表面的相对位置关系,提出了满足航行体高速运动稳定的空泡闭合位置要求.研究结果对水下高速航行体的通气系统设计和航行性能设计均具有重要的参考价值,并可为工程应用研究提供理论基础.     

超空泡水下航行器尾喷温度对空泡形态的影响

为了满足超空泡水下航行体稳定航行的流体动力条件,在航行体上闭合的空泡必须具有特定的形态,形成必要的流体动力布局,来平衡航行体自身的重力以及所受的力矩。该文采用计算流体动力（CFD）方法对2D模型通气超空泡及尾部喷流进行一体化数值仿真研究。在模型处于零攻角时,对不同尾喷温度下的通气超空化流场进行数值分析,得出了超空泡形态随尾部喷流温度的变化规律,与试验所得规律一致,为超空泡航行体的流体动力特性与动力布局研究提供了参考。     

基于伯努利方程与边界层理论的水下航行体减阻特性分析

针对超空泡航行体减阻特性,基于伯努利方程与边界层理论,分析航行体在超空泡状态下相比于全沾湿状态和局部空化状态下的减阻特性,并讨论航行体的头部圆锥半角、长径比与尾部外形对航阻的影响。仿真结果表明:超空泡航行体具有明显的减阻效果;在同样的航行体长径比约束下,减小长度相比于减小直径其增阻效果更趋明显;圆台尾部相比于圆柱尾部的减阻效果随着空泡腔体的增大而渐趋弱化。     

浅水区串联航行体超空泡流动特性研究

为了研究浅水区串联航行体超空泡流动特性,采用VOF多相流模型建立了空气、水、水蒸气的混合相的连续性方程和动量方程,对串联航行体在浅水区形成的超空泡流场进行了数值模拟,研究了水深和航行体间距对超空泡流动的影响。研究结果表明:前后串联航行体在运动过程中均会形成超空泡,且空泡的初始形态、轮廓近似,并在自由面激起先导波浪; 在浅水区,会有上方空气卷入超空泡内,但是随着水深的增加,上方空气不再卷入空泡内; 随着航行体间距的增大,充分发展阶段的超空泡轮廓变得越加平缓,当间距大于5倍的航行体长度时,不同间距下的串联航行体超空泡轮廓无明显差异。     

超空泡运动体通气加速阶段非定常过程研究

依据空泡不同闭合形式的气体泄漏规则和通气系统,建立了空泡内气体的平衡方程.给出用于计算运动体姿态的动力学方程,分析了局部空泡及超空泡航行状态的受力特性.综合考虑了空泡内气体平衡、空泡的发展及运动体姿态的耦合方程,给出通气加速阶段数值求解的方法.获得通气加速阶段通气量、助推推力、运动体姿态及航行弹道的关系.随着推力的增加,依靠推力加快加速过程的优势越来越不明显,且对通气系统的性能要求逐渐增加.     

水下超空泡航行体减阻能力的数值研究

采用计算流体力学的方法研究了超空泡水下航行体在高速发射以后的运动规律.采用动态网格,实现了全数值模拟超空泡航行体在水中的运动过程及空泡的生成规律.比较了航行体周围是否产生空泡与航行体是否有推力4种情况,计算结果表明超空泡具有非常好的水下减阻能力.利用超空泡技术可以在不大的推力下使水下航行体的航行速度提高3倍,超空泡航行体应采用火箭发动机动力装置.     

2D楔型舵的空泡流场特性研究

水下航行体的航行性能直接受其操纵舵的影响，为确保航行体在全沾湿以及超空泡航行状态时均具有良好的稳定性，该文采用理论数值方法详细分析比较了2种典型楔型舵翼型在不同航行状态下的空泡形态及其升／阻力系数的变化规律，研究结果表明，随着来流攻角的增大，阻力系数呈现先减小后增大的趋势，且大空泡数条件下2种楔型舵的舵效相当，但有平行后体时的楔型舵在小空泡数条件下具有较高的舵效，需合理选择楔型舵以确保航行体具有稳定的航行性能。     

超空泡航行器流体动力仿真分析

超空泡航行器在水下运动时，其大部分表面被超空泡包裹，构成了一种新的流体动力布局，运动模式完全不同于常规航行器，其受力状态也极其复杂，这种新的流体动力是非线性的。为了进一步分析超空泡流场中航行器的受力特性，需要对其流体动力进行线性化处理。本文描述了超空泡形态，讨论了影响超空泡变形的主要因素，对超空泡流场中航行器的滑行力和空化器升力做了分析和线性化处理。仿真结果表明，滑行力和空化器升力在一定范围内是线性的，利用经线性化的力可进一步分析航行器的运动特性。     

超空泡航行体外形设计及航程分析

航行体形状及长细比等参数对超空泡航行体的阻力特性及运动稳定性有着直接的影响,并最终决定航程大小.基于Fluent6.2中的空泡模型对一定速度范围内的超空泡航行体的两相流流场进行了数值模拟,比较了4种不同外形的超空泡形态及阻力特性,并对其航程进行了分析,为给定初速下航程最大的超空泡航行体外形设计提供了理论依据.     

超空泡航行体锥段结构对其尾拍运动影响的数值研究

超空泡航行体的外形设计关乎其尾拍运动特性。为获得航行体的锥段结构对其尾拍运动特性的影响规律,采用动网格技术结合流体体积多相流模型、SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对4种不同锥段结构的航行体尾拍运动特性开展数值模拟研究,分析超空泡航行体的尾拍运动过程及弹道特性。研究结果表明：在一定俯仰角速度扰动下,航行体锥段结构变化对其尾拍稳定性的影响体现出非线性特点,锥段部分过长或过短均会导致航行体的肩部沾湿而形成二次空泡,二次空泡的发展会抑制航行体尾部沾湿,从而回转力矩无法促使俯仰角减小,导致尾拍运动失稳,弹道稳定性较差。该研究成果可为超空泡航行体外形设计提供一定的理论指导。