一种适用于高速入水的开环控制方法技术

本发明专利技术属于航行体技术领域，公开了一种适用于高速入水的开环控制方法。步骤1：建立航行体高速入水段运动学与动力学模型；步骤2：基于步骤1的模型设计平滑开环控制曲线；步骤3：基于步骤2的平滑开环控制曲线，采用优化算法设计最优控制参数；步骤4：对步骤3的最优控制参数进行仿真验证。本发明专利技术用以解决弹道出现失稳风险的问题。风险的问题。风险的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于高速入水的开环控制方法


[0001]本专利技术属于航行体
，具体涉及一种适用于高速入水的开环控制方法。

技术介绍

[0002]有关高速入水航行体的研究很多，针对入水袋深约束条件，目前采用的方式为预置航行体空化器舵角，用其带来的升力使得弹道进行拉平，但该方式并不平滑，使得弹道出现失稳的风险，且会使得控制稳定边界较为狭窄，不能适应更多入水条件。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供一种适用于高速入水的开环控制方法，用以解决弹道出现失稳风险的问题。
[0004]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0005]一种适用于高速入水的开环控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
[0006]步骤1：建立航行体高速入水段运动学与动力学模型；
[0007]步骤2：基于步骤1的模型设计平滑开环控制曲线；
[0008]步骤3：基于步骤2的平滑开环控制曲线，采用优化算法设计最优控制参数；
[0009]步骤4：对步骤3的最优控制参数进行仿真验证。
[0010]一种适用于高速入水的开环控制方法，所述步骤1建立航行体高速入水段运动学与动力学模型具体为，航行体高速入水过程中受到空化器控制力、重力以及滑行力的作用；
[0011]所述重力的作用具体为，假定水下弹的质量保持不变，忽略由于燃料消耗引起的质量减小；在地面坐标系中，水下弹所受的重力分解为：
[0012][0013]式中，G
xe
为重力在x轴分量，G
ye
为重力在y轴分量，G
ze
为重力在z轴分量，m为航行体质量，g为重力加速度；
[0014]对上式进行坐标转换，转至水下弹坐标系有：
[0015][0016]式中，G
xb
为浮力在x轴分量，G
yb
为浮力在y轴分量，G
zb
为浮力在z轴分量，为滚转角，θ为俯仰角，ψ为偏航角。
[0017]由于动力学建立在质心上，故不受重力矩作用。
[0018]一种适用于高速入水的开环控制方法，所述空化器受力的作用具体为，
[0019]空化器在纵平面内绕着平行于O1y1轴的固定轴发生转动；当绕着平行于O1y1轴的
固定轴转动时，空化器偏转角δ
c
的正负依据右手定则确定；
[0020]当空化器绕着O1y1轴正向逆时针旋转时定义为正；
[0021]速度坐标系下的空化器的受力情况具体为，由于空化器的几何尺寸与水下弹的几何尺寸相比较小，因此空化器的几何中心与转动中心是重合的；
[0022]作用在空化器上的流体动力F
c
为水下弹提供了升力和阻力，其中升力沿着升力轴的方向，阻力沿着水下弹速度轴反方向；升力系数和阻力系数为空化器攻角α
c
的函数。作用在圆盘形空化器上的水动力系数有如下计算公式：
[0023][0024]式中，σ为空化数，α
c
为空化器的攻角。
[0025]作用在空化器上的升力F
cl
和阻力F
cd
的表达式为：
[0026][0027]其中，ρ为水下弹所处流体环境的密度，V
c
为空化器速度，可认为与水下弹重心的速度V相等，S
c
为圆盘空化器截面积，α
c
为水下弹空化器的攻角。
[0028]一种适用于高速入水的开环控制方法，将速度坐标系下的空化器的受力情况，转换至空化器在超空泡水下弹体坐标系下的受力为：
[0029][0030][0031][0032]其中，分别是空化器受力在水下弹体坐标系下的三个方向分量。
[0033]一种适用于高速入水的开环控制方法，空化器受力是作用在空化器压力中心的，假设空化器没有偏角时，此时压力中心在体坐标系下坐标为(x
cg
,0,0)，当空化器发生偏转时，其坐标也会有小量变化，但是该小量与水下弹长度相比是忽略的，因此得到空化器上的作用力相对于水下弹质心的转动力矩：
[0034]M
c,x1
＝0
ꢀꢀ
(8)
[0035][0036][0037]其中，是空化器相对于质心的力矩在体坐标系下的三个分量。
[0038]一种适用于高速入水的开环控制方法，所述滑行力受力的作用具体为，求得垂直于水下弹纵轴的滑行力与力矩可以表示为：
[0039][0040]M
w
＝F
w
L
f
ꢀꢀ
(12)
[0041]式中：R
c
‑
空泡半径；
‑
空泡半径收缩速率；L
f
为尾部到质心的距离；h为沾湿深度，α
plane
为沾湿角，即水下弹中心线与空泡中心线的夹角，h与α
plane
即其他参数表达式如下所示：
[0042][0043][0044][0045][0046][0047][0048]一种适用于高速入水的开环控制方法，所述步骤2设计平滑开环控制曲线具体为，基于铰链力矩约束和弹道稳定性约束通过空化器对航行体进行主动拉平控制；采用较为平缓的空化器时序开环控制，设计控制器指令，使得弹体能够在满足袋深约束的前提下，姿态缓慢拉平，即
[0049]舵偏角指令函数表达式为：
[0050][0051]其中，λ、k为常数，表示空化器舵偏角的偏转速率和偏转范围。
[0052]一种适用于高速入水的开环控制方法，所述步骤3采用优化算法设计最优控制参数具体包括以下步骤：
[0053]步骤3.1：基于高速入水数学模型进行指标函数求解；
[0054]步骤3.2：基于求解的指标函数得到新的控制参数，再将其输入给高速入水模型，进行新一轮次迭代，直至满足高速入水铰链力矩和弹道稳定性约束要求。
[0055]一种适用于高速入水的开环控制方法，所述步骤3.1具体为，
[0056]步骤3.1.1：设计初始空化器开环控制曲线；
[0057]步骤3.1.2：基于高速入水数学模型得到初始仿真结果；
[0058]步骤3.1.3：求解铰链力矩，判定弹道稳定性，进行指标函数求解。
[0059]一种适用于高速入水的开环控制方法，所述步骤3.2具体为，
[0060]步骤3.2.1：将求解的指标函数输入至SQP优化算法中，得到迭代后控制参数；
[0061]步骤3.2.2：将新的控制参数输入给高速入水模型，进行新一轮次迭代，直至满足高速入水铰链力矩和弹道稳定性约束要求。
[0062]本专利技术的有益效果是：
[0063]本专利技术相较于之前的方式更加平滑，使得弹道能够稳定拉平。
[0064]本专利技术相较于固定预置舵角方式，扩展了高速入水拉平边界。
[0065]本专利技术相较于之前的方式，由于设计了空化器舵角平滑曲线，并考本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于高速入水的开环控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：步骤1：建立航行体高速入水段运动学与动力学模型；步骤2：基于步骤1的模型设计平滑开环控制曲线；步骤3：基于步骤2的平滑开环控制曲线，采用优化算法设计最优控制参数；步骤4：对步骤3的最优控制参数进行仿真验证。2.根据权利要求1所述一种适用于高速入水的开环控制方法，其特征在于，所述步骤1建立航行体高速入水段运动学与动力学模型具体为，航行体高速入水过程中受到空化器控制力、重力以及滑行力的作用；所述重力的作用具体为，假定水下弹的质量保持不变，忽略由于燃料消耗引起的质量减小；在地面坐标系中，水下弹所受的重力分解为：式中，G
xe
为重力在x轴分量，G
ye
为重力在y轴分量，G
ze
为重力在z轴分量，m为航行体质量，g为重力加速度；对上式进行坐标转换，转至水下弹坐标系有：式中，G
xb
为浮力在x轴分量，G
yb
为浮力在y轴分量，G
zb
为浮力在z轴分量，为滚转角，θ为俯仰角，ψ为偏航角。由于动力学建立在质心上，故不受重力矩作用。3.根据权利要求2所述一种适用于高速入水的开环控制方法，其特征在于，所述空化器受力的作用具体为，空化器在纵平面内绕着平行于O1y1轴的固定轴发生转动；当绕着平行于O1y1轴的固定轴转动时，空化器偏转角δ
c
的正负依据右手定则确定；当空化器绕着O1y1轴正向逆时针旋转时定义为正；速度坐标系下的空化器的受力情况具体为，由于空化器的几何尺寸与水下弹的几何尺寸相比较小，因此空化器的几何中心与转动中心是重合的；作用在空化器上的流体动力F
c
为水下弹提供了升力和阻力，其中升力沿着升力轴的方向，阻力沿着水下弹速度轴反方向；升力系数和阻力系数为空化器攻角α
c
的函数。作用在圆盘形空化器上的水动力系数有如下计算公式：式中，σ为空化数，α
c
为空化器的攻角。作用在空化器上的升力F
cl
和阻力F
cd
的表达式为：
其中，ρ为水下弹所处流体环境的密度，V
c
为空化器速度，可认为与水下弹重心的速度V相等，S
c
为圆盘空化器截面积，α
c
为水下弹空化器的攻角。4.根据权利要求3所述一种适用于高速入水的开环控制方法，其特征在于，将速度坐标系下的空化器的受力情况，转换至空化器在超空泡水下弹体坐标系下的受力为：系下的空化器的受力情况，转换至空化器在超空泡水下弹体坐标系下的受力为：系下的空化器的受力情况，转换至空化器在超空泡水下弹体坐标系下的受力为：其...

【专利技术属性】
技术研发人员：荣思远，王小刚，白瑜亮，单永志，朱梓燊，周宏宇，张梓晨，王帅，张龙，徐天富，王晓光，马晓冬，张欢，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：