超空泡航行体加速段控制设计
第４８卷一第８期２０１６年８月一
哈一尔一滨一工一业一大一学一学一报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＡＲＢＩＮＩＮＳＴＩＴＵＴＥＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
一
Ｖｏｌ ４８Ｎｏ ８Ａｕｇ．２０１６
一一一一一一
ｄｏｉ：１０．１１９１８／ｊ．ｉｓｓｎ．０３６７?６２３４．２０１６．０８．０２５
超空泡航行体加速段控制设计
陈超倩，曹一伟，王一聪，魏英杰
（哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨１５０００１）
摘一要：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二重力二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．
关键词：超空泡；加速段；滑行力；精确线性化；非线性中图分类号：ＴＪ６３０．１
文献标志码：Ａ
文章编号：０３６７－６２３４（２０１６）０８－０１４７－０７
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ＣＨＥＮＣｈａｏｑｉａｎ，ＣＡＯＷｅｉ，ＷＡＮＧＣｏｎｇ，ＷＥＩＹｉｎｇｊｉｅ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒｃａｖｉｔａｔｉｏｎ；ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｔａｇｅ；ｐｌａｎｉｎｇｆｏｒｃｅ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒ收稿日期：２０１４－１２－２３
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金（ＨＩＴ．ＮＳＲＩＦ．２０１３０３３）作者简介：陈超倩（１９８７ ），男，博士研究生；
王一聪（１９６６ ），男，教授，博士生导师；魏英杰（１９７５ ），男，教授，博士生导师
通信作者：王一聪，ａｌａｎｗａｎｇ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
一一超空泡技术能极大降低水下航行体的摩擦阻力，使其获得巨大的速度优势，因此受到世界各海军强国的广泛关注［１－２］．然而超空泡航行体的流体动力特性与常规水下航行体相比有着显著不同，沾湿面积的减少二浮力的损失二空泡与航行体间强烈的非线性作用等复杂因素给其动力学建模二机动及稳定控制带来了极大的困难［２－３］．超空泡航行体的运动大致可分为加速段及巡航段三在巡航阶段，由于速度二空化数保持恒定，空泡完全包裹整个航行体，仅有尾部由于航行体摆动等原因浸入水中，因此航行体流体动力特性相对稳定；与巡航段不同，在加速阶段航行
体的运动特性更加复杂，空泡尺寸二沾湿面积二空化数等参数变化剧烈．国内外目前有关超空泡航行体控制问题的研究一般都着眼于其巡航阶段．如文献［４］对超空泡航行体纵平面内控制的基准问题进行了研究，该文献中提出的二自由度动力学模型被广泛采用；文献［５］基于文献［４］的模型，采用反步法设计了状态反馈控制器，实现了对超空泡航行体的稳定控制；文献［６］改进了文献［４］的模型，并基于保代价控制理论设计了自适应滑模控制器；文献［７］对文献［４］中的模型进行了修正，考虑了空泡记忆效应的影响，设计了双闭环控制系统．上述文献的研究均主要针对巡航阶段，而关于加速阶段的研究鲜有报道．
本文主要针对超空泡航行体加速运动阶段的动力学及控制问题进行了研究．利用细长体理论详细计算了航行体加速过程中各区域流体动力，进而建立了更加精确的非线性动力学模型，并基于精确线