大机动下鱼雷滚动控制规律设计

张秦南, 宋喜发, 吕 瑞, 吝龙艳



大机动下鱼雷滚动控制规律设计

张秦南1,2, 宋喜发1, 吕 瑞1,2, 吝龙艳1

(1. 中国船舶重工集团公司第705 研究所, 陕西 西安, 710075; 2. 水下信息与控制重点实验室, 陕西 西安, 710075)

鱼雷在大机动时滚动通道会出现严重的动力学耦合, 为了减小耦合对滚动的影响, 设计了大机动情况下滚动通道模型参考自适应变结构控制规律, 利用变结构控制抗干扰能力强的特点将耦合作为干扰处理, 同时采用模型参考自适应控制使得系统获得良好的动态特性。仿真结果表明, 该控制规律可以有效解决大机动时滚动通道的耦合问题, 从而避免古典控制方法导致的控制精度下降的缺陷。

鱼雷; 大机动; 动力学耦合; 模型参考; 自适应变结构控制

0 引言

模型参考自适应技术从上世纪50年代提出到现在, 由于能使系统获得令人满意的动态性能, 一直受到人们的高度重视。但在实际应用特别是航空领域的应用中, 其效果并不比古典控制更好, 根本原因就是模型参考自适应系统的鲁棒性不足。

变结构控制是利用高速的开关控制律, 驱动系统的状态达到一个预先设定的滑模曲面上, 并使状态轨迹在以后的时间里保持在该滑动曲面上, 此时系统的动态特性完全由滑动曲面决定, 而与被控对象无关。采用变结构理论设计的控制系统能有效克服控制对象参数大范围变化和交叉耦合的影响, 具有较好的鲁棒性[1]。将模型参考自适应与变结构控制结合可以综合两者的优点, 模型参考自适应变结构控制在导弹、飞机等武器上有广泛的应用, 如航天飞行器和战术导弹的姿态控制、垂直起飞飞机姿态控制等。

大机动时鱼雷控制对象的显著特点就是耦合, 大机动情况下由于水平高速旋回, 滚动通道和深度通道出现了严重的耦合,常规的古典控制方法会导致控制精度下降。本文借鉴战术导弹的设计思路[2], 设计了大机动情况下滚动通道的模型参考自适应变结构控制规律, 数学仿真表明可以有效解决大机动时滚动通道的耦合问题。

1 变结构控制规律设计

1.1 滚动控制通道模型

忽略重心位移量及失衡力矩, 大机动时滚动运动的非线性、耦合模型为[3]

结合鱼雷运动学关系, 得到滚动通道数学模型为

为了书写方便, 将式(2)进一步简化为下面的状态空间形式

选取滚动通道的理想参考模型为

式(4)相应的状态方程为

参考模型控制系统的误差状态为

误差的状态方程

由变结构理论可知, 被控对象对参考模型的完全跟踪充分条件是[4]

式(8)称为完全跟踪的模型匹配条件, 式(9)称为干扰和系统的完全匹配条件, 或系统对干扰的不变性条件。

式(7)系统满足变结构控制完全跟踪的充分条件, 则

1.2 变结构控制律

取切换超平面为

变结构控制的运动过程由两部分组成, 第1阶段是正常运动, 位于切换超平面之外; 第2阶段是滑动模态, 完全位于切换超平面之内。对正常运动的要求是趋近过程快速、动态品质良好, 选指数趋近律[4], 则

综合式(7)、式(11)和式(12), 变结构控制的表达式

由于系统满足变结构控制完全跟踪的充分条件, 可取=0, 则变结构控制律

式(14)与式(13)相比, 不用解算参考模型的状态方程, 简单而且易于工程实现。

变结构控制律由两部分组成, 即

变结构控制律中模型匹配控制项为

模型匹配项的作用是通过状态反馈将雷体传递函数改造为参考模型的传递函数。

变结构控制律中变结构控制项为

变结构控制项的作用是使系统进入滑模状态, 从而克服交叉耦合项等因素的影响。

根据李雅普诺夫稳定性理论, 可以对控制律中的控制参数进行选取, 以保证系统稳定。选李雅普诺夫函数为

上式两边对时间求导, 得

将式(14)代入式(19), 得

sgn()为开关函数, 易使系统产生颤振。采取消颤措施的变结构控制项改写为[5]

2 仿真条件和结果

现以鱼雷模型为例进行仿真, 为了保证仿真效果更接近实际情况, 取下面的2阶舵机传递函数

图1为鱼雷采用古典控制及模型参考变结构控制时大机动下的动态仿真曲线对比。

图1 大机动下鱼雷动态仿真曲线

3 结束语

大机动情况下由于水平高速旋回, 滚动通道和深度通道可能会出现严重的耦合, 使用常规的古典控制方法一般会导致控制精度下降。本文借鉴战术导弹的设计思路, 设计了大机动情况下滚动通道的模型参考自适应变结构控制规律, 数学仿真表明, 采用模型参考自适应变结构控制规律可以有效控制鱼雷滚动。本文所设计的控制规律可以有效减小大机动时滚动通道的耦合问题, 从而实现大机动控制。

[1] 钟书辉. 变结构控制在空空导弹控制系统中的应用研究[J]. 航空兵器, 2006(4): 14-17.

Zhong Shu-hui. Study of Variable Structure Control for the Air-to-Air Missile Control System[J]. Aero Weaponry, 2006 (4): 14-17.

[2] 田进, 张科. 防空导弹大攻角飞行姿控系统设计[J]. 弹箭与制导学报, 2006, 26(1): 357-359.

Tian Jin, Zhang Ke. Altitude Control for High Angle-of- Attack [J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2006, 26(1): 357-359.

[3] 李天森. 鱼雷操纵性[M]. 北京: 国防工业出版社, 1999.

[4] 高为柄. 变结构控制理论及设计方法[M]. 北京: 北京科学技术出版社, 1996.

[5] 廖立蔼, 孟秀云, 林波. BTT导弹自动驾驶仪自适应变结构设计[J]. 弹箭与制导学报, 2005, 25(2): 24-26. Liao Li-ai, Meng Xiu-yun, Lin Bo. Design of BTT Missile Autopolot Using Variable Structure Adaptive Control Theory [J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2005, 25(2): 24-26.

Design of Control Law for Torpedo Rolling under Large Maneuvering Motion

ZHANG Qin-nan1,2, SONG Xi-fa1, LÜRui1,2, LIN Long-yan1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi¢an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi¢an 710075, China )

Severe dynamic coupling is inevitable in rolling channel of torpedo during large maneuvering motion. In order to reduce the influence of coupling on rolling channel, this paper proposes a solution by combining model-reference adaptive control and variable structure control. The variable structure control law is used to handle the coupling which is regarded as interference, and the model-reference adaptive control law is used to improve dynamic performance of the system. Simulation results show that the control law can solve the coupling in rolling channel effectively under large maneuvering motion to avoid the deficient control accuracy of the traditional control methods.

torpedo; large maneuvering motion; dynamic coupling; model-reference; adaptive variable structurecontrol

TJ630.33; TP13

A

1673-1948(2012)01-0047-004

2011-05-27;

2011-09-02.

水下信息与控制重点实验室基金资助(9140C2302071002).

张秦南(1963-), 男, 高级工程师, 主要从事鱼雷控制技术研究.

(责任编辑: 杨力军)