水下潜器控制飞行器的水动力特性

水下潜器控制飞行器的水动力特性

1ccv用于其他水生动植物的设计控制态势（ccv）由控制决定外观，即控制布局中的飞机或驾驶员控制优先的飞机。这是国外航空业在20世纪70年代初提出的一种新飞机设计方法。改变了传统的飞机设计方法和飞机力学。首先，我们必须设计飞机，然后必须设计控制系统。相反，在飞机设计初级之前，它强调了控制系统的作用，并根据控制系统的外观设计了飞机的形状结构。由于强调系统地在飞机设计中的作用，根据该方法设计的飞机控制性能非常灵活，飞机的机动性大大增强。它实现了直接升力控制、直接侧力控制、上、下、左、右振控制等不规则机动性，使飞机在战争中处于有利地位。水下潜器这些年的发展仅仅停留在续航力,速度,下潜深度,电子及武备的改善上,而对潜器的机动性无多大改善,考虑到水下潜器与空中飞行器的相似性,如果能成功地把CCV技术引入到水下潜器(包括鱼雷,诱饵,水下机器人,水下微型载人潜艇)的设计上去,将使水下潜艇的机动性有一个质的提高.2ccv的外观和数学模型2.1螺旋浆分离器+x-p-n-pb-由图1可以看出CCV潜器的外型为较钝的纺锤体,艇体上有前后对称分布的耦合水平舵和耦合垂直舵,为了尽量避免运动过程中控制舵之间的耦合干扰,水平舵和垂直舵在艇体水平姿态时呈“十字”型对称分布而不是“X型”分布.为研究的方便,假设所有的8个耦合舵的控制舵面均有相同尺寸和水动力特性,螺旋浆推进器安装在艇体中轴线处,为了尽量减少水动力对航行的干扰,整个艇体呈中心对称的旋转体,以获良好的水动力学特性.2.2ccv潜水器的数学模型2.2.1供应链面坐标系这里讨论的静止坐标系和艇体坐标系都是右手系,图2所示为静止坐标系,以地球上一点为坐标原点,垂直向下为ze轴,在水平面内与潮流速度矢量uc相反的方向为xe轴.艇体坐标系以船体的中心为坐标原点,欧拉角的定义如图3所示,从静止坐标系向艇体坐标系变换公式为通过对时间积分可得到CCV的空间位置,另外欧拉角与角速度之间的关系由下式表示.[˙φ˙θ˙Ψ]=[1sinφtanθcosφtanθ0cosφ-sinφ0sinφsecθcosφsecθ][pqr]2.2.2参数x的定义轴向力m[˙u-vr+YGpq+-XG(q2+r2)+ΖGpr+ΖG˙q-YG˙r]=12ρl4(Xppp2+Xqqq2+Xrrr2+Xprpr)+12ρl3(X˙u˙u+Xwqwq+Xvpvp+Xvrvr+Xuqδuqδ+Xurδurδ)+12ρl2(Xvvv2+Xwww2+Xpropu2+Xuwδuwδ+Xuvδuvδ+Xuuδu2δ2)-(W-B)sinθ+12ρl2Xpropu2+fp横向力m[˙v-ur+wp+XG(pq+˙r)-YG(p2+r2)+ΖG(qr-˙p)]=12ρl4(Y˙p˙p+Y˙r˙r+Ypqpq+Yqrqr+Xprpr)+12ρl3(Y˙v˙v+Ypup+Yrur+Yvqvq+Ywpwp+Ywrwr)+12ρl2(Yvuv+Yvwvw)+12ρ∫XnoseXtail[Cdyh(x)(v+xr)2+Cdzb(x)(w-xq)2]⋅(v+xr)Ucf(x)dx+(W-B)cosθsinφ+Yδfu+Yδfb+Yδru+Yδrb垂向力m[˙w-uq+vp+XG(pr-˙q)+YG(qr+˙p)-ΖG(p2+q2)]=12ρl4(Ζ˙q˙q+Ζppp2+Ζprpr+Ζrrr2)+12ρl3(Ζ˙w˙w+Ζquq+Ζvpvp+Ζvrvr)+12ρl2(Ζwuw+Ζvvv2)+12ρ∫XnoseXtail[Cdyh(x)(v+xr)2+Cdzb(x)(w-xq)2](w-xq)Ucf(x)dx+(W-B)cosθ⋅cosφ+12ρl3(Ζqnuq+Ζwnuw)∈(n)-Ζδfl-Ζδfr-Ζδrl-Ζδrr滚转力矩Ιx˙p+(Ιz-Ιy)qr+Ιxy(qr-˙p)-Ιyz(q2-r2)-Ιxz(˙r+pq)+m[YG(˙w-uq+vp)-ΖG(˙v+ur-wp)]=12ρl5(Κ˙p˙p+Κ˙r˙r+Κpqpq+Κqrqr)+12ρl4(Κ˙v˙v+Κpup+Κrur+Κvqvq+Κwpwp+Κwrwr)+12ρl3(Κvuv+Κvwvw)+YG(W-B)cosθcosφ-ΖG(W-B)cosθsinφ+(YGW-YBB)cosθcosφ+12ρl4Κpnup∈(n)12ρl3Κpropu2+Sδfl-Sδfr+Sδrl-Sδrr+Sδfu-Sδfb+Sδru-Sδrb纵摇力矩Ιy˙q+(Ιx-Ιz)pr-Ιxy(qr+˙p)+Ιyz(pq+˙r)+Ιxz(p2-r2)-m[XG(˙w-uq+vp)-ΖG(˙u-vr+wq)]=12ρl5(Μ˙q˙q+Μppp2+Μprpr+Μrrr2)+12ρl4(Μ˙w˙w+Μuquq+Μvpvp+Μvrvr)+12ρl3(Μuwuw+Μvvv2)-12ρ∫XnoseXtail[Cdyh(x)(v+xr)2+Cdzb(x)(w-xq)2](w+xq)Ucf(x)xdx-(ΖGW-ΖBB)sinθ+12ρl3(Μqnuql+Μwnuw)∈(n)+Μδfl+Μδfr-Μδrl-Μδrr首摇力矩Ιz˙r+(Ιy-Ιx)pq-Ιxy(p2-q2)-Ιyz(pr-˙q)+Ιxz(qr-˙p)+m[XG(˙v+ur-wp)-YG(˙u-vr+wq)]=12ρl5(Ν˙p˙p+Ν˙r˙r+Νpqpq+Νqrqr)+12ρl4(Μ˙v˙v+Νpup+Νrur+Νvqvq+Νwpwp+Νwrwr)+12ρl3(Νvuv+Νvwvw)-12ρ⋅∫XnoseXtail[Cdyh(x)(v+xr)2+Cdzb(x)(w-xq)2](v+xr)Ucf(x)xdx+(XGW-XBB)⋅cosθsinφ+YG(W-B)sinθ12ρl3Νpropu2+Νδfu+Νδfb-Νδru-Νδrb式中所有参数的定义详见文献.3ccv潜器的控制器设计CCV潜器强调的是机动性优先,潜器的机动性能主要取决于控制系统的品质,我们又知道,CCV潜器在水下有六个自由度需要控制,而潜器本身是一个时变的非线性系统,某些参数是根本无法确定的,又由于内外界的干扰,使设计控制器的难度加大,再加上CCV潜器所特有的对控制器的强依赖性,工程上又要求设计出来的控制器简单可靠,因此如何找到一种简便有效的控制器设计方法是本文所要重点讨论的问题.变结构控制系统是将一个高阶系统分解为两个低阶的系统.如果假设控制系统是n阶系统,取m阶切换函数S(x,t),可以将系统分解为两个子系统,一个是m阶的,状态变量就是S,另一个是n-m维的滑动模态方程,而且这样的子系统还有自己独特的简单性质,如滑动模态方程可以解耦出来,形成独立的n-m维动力学,与控制无关.以S为状态的m阶系统,可视为大系统中的积接系统,无需解一个微分方程组,仅仅需要确定控制Ui(i=1,2,…,m),使得S满足条件,即S˙S<0,这里仅需判定符号而不是求解代数或微分方程.可以说变结构控制将一个复杂的高阶系统归结成两个低阶的比较简单的问题.变结构控制的另一大优点是其滑动模态对加给系统的干扰和系统的摄动具有完全自适应性,这里系统的摄动可以作很广泛的理解与处理,除了参数摄动外,非线性项和不确定项都可以视为摄动,因此变结构控制作为一种控制系统的综合方法,它不但适用于线性定常系统,线性非定常系统,也适用于非线性系统.考虑到变结构控制以上的优点,下面给出两种用变结构控制的方法来设计CCV潜器的控制系统.3.1潜器的前向速度解耦法是从CCV潜器的动力学方程入手,把潜器的前向速度,水平平面和垂直平面的状态看成是自然解耦的,从而把系统化为三个彼此独立的子系统分别加以研究.3.1.1sgt型螺旋桨推进器的控制方程为˙u(t)=αu(t)|u(t)|+(αβ)n(t)|n(t)|选择滑动平面为S=C(u-uc)其中:C是滑动平面系数阵,同时选择非线性趋近率为˙S=-ξ2sgn(S)-ΚS速度控制方程为n(t)|n(t)|=-(Cαβ)-1(Cαu(t)|u(t)|-C˙uc+ξ2sgn(S)+ΚS)3.1.2[flfrrr]的变结构控制方程描述水平平面的状态方程[˙Ψ˙v˙r]=[0010a11ua12u0a21ua22u][Ψvr]+[0000b11u2b11u2b12u2b12u2b21u2b21u2b22u2b22u2][δflδfrδrlδrr]其中:Ψ—水平航向角,v—横荡速度,r—横倾角速度,[δflδfrδrlδrr]为前上垂舵、前下垂舵、后上垂舵、后下垂舵的舵角.写成标准形式为X˙=AX+BU根据变结构控制理论知道,系统可以分解为两个子系统,其中滑动模态为1维的,因此选择滑动平面为S=CX选择非线性趋近率为S˙=-δξ2sgn(S)-ΚS变结构控制方程为U=-(CB)-1(CAX+ξ2sgn(S)+ΚS)=Κ1Ψ+Κ2v+Κ3r-(CB)-1(ξ2sgn(S)+ΚS)由于CB∈R1×4,因此取CB的广义逆(CB)+,则控制方程为U=-(CB)+(CAX+ξ2sgn(S)+ΚS)=Κ1Ψ+Κ2v+Κ3r-(CB)+(ξ2sgn(S)+ΚS)3.1.3变结构控制方程同水平平面的方程相类似,垂直平面的线性化方程为:[θ˙w˙q˙]=[001a13zGBa11ua12ua23zGBa21ua22u][θwq]+[0000b11u2b11u2b12u2b12u2b21u2b21u2b22u2b22u2][δfuδfbδruδrb]其中:θ—纵倾角,w—垂荡速度,q—纵摇角速度,[δfuδfbδruδrb]—前左舵、前右舵、后左舵、后右舵的舵角.变结构控制方程为U=-(CB)+(CAX+ξ2sgn(S)+ΚS)=Κ1θ+Κ2w+Κ3q-(CB)+(ξ2sgn(S)+ΚS)因此,通过分别对前向速度,水平平面和垂直平面三个独立子系统的设计,完成了除对φ(横倾角)以外的五个自由度的控制,仿真结果也非常理想,然而这种方法并不实用,原因在于它一方面对系统过于线性化了,并且它的另一个弱点在于它是假设系统在自然解耦的条件下进行的,因此按这种方法设计出来的控制器并不能完全满足实际的要求.3.2非线性反馈控制方法考虑到我们需要控制的六个自由度的被控变量为[uyzφθΨ],它们除前进速度以外分别为静止坐标系内的侧向位移、深度,横倾角、纵倾角、水平方向角,而控制量为[δfuδfbδruδrbδflδfrδrlδrrfp]分别对应于艇体坐标系内的前左舵、前右舵、后左舵、后右舵前上垂舵、前下垂舵、后上垂舵、后下垂舵的舵角和桨推进器的推力,因此我们采用串级控制的方法设计控制器,系统的控制框图如图4.其中:r是给定的导航点,Y是潜器本体实际的位置,C是变结构控制器的给定输入,U是变结构控制器的输出控制.设系统的动力学方程为X˙=AX+BU变结构控制器为U=UL(x)+UΝ(x)=-Bτ(BBτ)-1[(A+Κ)+ρΡ∥ΡX∥X]其中:UL(x)=-Bτ(BBτ)-1(A+K)X为线性反馈项,它将改变滑动平面外系统的动力学.UΝ(x)=-Bτ(BBτ)-1(ρΡX∥ΡX∥)为非线性反馈控制项,它保证系统趋向并保持在滑动平面上.在串级结构的内环控制中所采用的是变结构的控制方法,这主要是因为变结构控制器是一种非线性控制器,它对模型的不确定性和干扰有较强的鲁棒性,虽然这里我们采用的是线性化的设计方法,但文献中已经证明,只要非线性项的选择满足一定的条件可以完全消除由模型不确定性产生的干扰.为了运算的方便,我们不妨把滑动平面系数矩阵P取成对角阵,况且广义逆阵中Bτ(BBτ)-1中由于许多项为零,因此也可以大大简化计算,所以完全满足了控制的实时性要求,为了提高精度,采样频率还可适当加快.在串级结构控制器中的外环控制器是规划控制器,它主要任务是根据位置与姿态偏差给定内环控制器输入给定信号.它的采样时间间隔可以适当放宽,控制器采用的形式可以为预测控制器、模糊控制器、专家系统以及简单的P(比例)控制或PI(比例积分)控制等,为了运算简便采用PI控制进行运动仿真.由于采用的是串级结构的控制形式,干扰在内环通道中可以很快地被抑制掉,从而使干扰对系统的输出影响很小,并且由于内环控制的延迟很小,所以实时控制效果非常好.而