[发明专利]一种超空泡航行体H∞

说明书

本发明公开了一种超空泡航行体H_∞控制器设计方法，包括：步骤1：建立水下超空泡航行体非线性动力学模型，设定模型参数，得到超空泡航行体纵平面运动方程；步骤2：根据航行体航行状态，计算超空泡航行体尾部浸没深度以及尾部浸没角度，得到超空泡航行体滑行力；步骤3：根据超空泡航行体的纵平面运动方程，建立线性矩阵不等式；步骤4：对线性矩阵不等式进行求解，得到状态反馈H_∞控制器；步骤5：将状态反馈H_∞控制器用于超空泡航行体并对系统进行仿真分析，当控制效果达到要求，则完成设计；否则执行步骤6；步骤6：调整状态反馈H_∞控制器的加权系数并返回步骤5。所设计的H_∞状态反馈控制器在一定的范围内能够保证超空泡航行体稳定运行，且满足H_∞性能指标。

技术领域

本发明涉及一种超空泡航行体H_∞控制器设计方法，特别是一种基于线性矩阵不等式的超空泡航行体H_∞控制器设计方法。

背景技术

航行体在水下运行时，所受到的阻力远大于在空气中受到的阻力，这严重制约着航行体速度的提高。超空泡技术是水中航行体增速减阻的重要手段，超空泡航行体利用超空泡现象实现高速运动。当航行体在水下运动时，随着航行体速度的增加，液体压力逐渐降低，当速度增加到某一值时，液体压力低于饱和蒸汽压，航行体表面附近形成空化现象，这时会在航行体与液体之间形成气泡，气泡的包裹使得航行体表面浸湿面积减小，大大降低了航行体运动过程中受到的表面摩擦力和水动力阻力，从而提高水下航行体运动速度。

超空泡航行体航速提高的同时，也给其运动控制带来了极大的挑战，在超空泡航行体的研制过程中，其数学建模和控制技术一直都是最为关键的部分。由于航行体完全或几乎完全包裹于空泡之中，失去了绝大部分浮力，同时航行体尾部与空泡边缘的相互作用产生滑行力，滑行力是一种水下超高速航行体特有的非线性作用力，该作用力可以导致航行体产生尾部震荡，尾拍等不稳定现象，滑行力的出现改变了航行体原有的力矩平衡，这使得超空泡航行体建模与控制设计变得困难。国内外的许多学者在水下超空泡航行体控制方面的研究也取得了很多成果，对水下超空泡航行体的运动受力平衡、运动姿态可控性与航行稳定性等问题做了详细的研究工作，这些研究成果可以作为水下超空泡航行体流体力学设计的理论基础，进一步对控制器的设计工作提供了理论前提。

超空泡航行体在航行的过程中，会在滑行力的作用下不断拍打空泡内壁而高速前行，因此，在超空泡航行体控制设计的时候可将滑行力当作外部扰动，H_∞状态反馈控制器是一种将外部扰动考虑在内的一种设计，既保证了稳定性，又保证了外部扰动作用下的鲁棒性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明要解决的技术问题是提供一种基于线性矩阵不等式的超空泡航行体H_∞控制器设计方法，将外部扰动考虑在内，既保证稳定性，又保证外部扰动作用下的鲁棒性。

为解决上述技术问题，本发明的一种基超空泡航行体H_∞控制器设计方法，包括以下步骤：

步骤1：建立水下超空泡航行体非线性动力学模型，设定模型参数，得到超空泡航行体纵平面运动方程；

步骤2：根据航行体航行状态，计算超空泡航行体尾部浸没深度以及尾部浸没角度，得到超空泡航行体滑行力；

步骤3：根据超空泡航行体的纵平面运动方程，建立相应的线性矩阵不等式；

步骤4：对线性矩阵不等式进行求解，得到系统的状态反馈H_∞控制器；

步骤5：将状态反馈H_∞控制器用于超空泡航行体并对系统进行仿真分析，当控制效果达到要求，则完成控制器设计；否则执行步骤6；