基于新型趋近律的潜艇垂直面滑模控制仿真

针对潜艇垂直面运动强非线性、耦合性和参数不确定的特点,为更好地实现对潜艇垂直面运动的控制,在Matlab环境下,基于垂直面线性操纵运动模型,考虑舵的动态响应,用首舵控制深度,尾舵控制纵倾角,采用新型趋近律设计滑模控制器并设计了基本的全维状态观测器;同时设计了常规的PID控制器并选取了最佳的PID控制参数,分别在3种情况下对2种控制器控制下的潜艇垂直面运动进行对比仿真。仿真结果表明,滑模控制器比PID控制器具有更好的控制性能和较强的鲁棒性,对实际潜艇的垂直面运动控制有一定的指导意义。     

潜艇操纵控制系统仿真平台设计与实现

从潜艇操纵控制仿真系统的实际功能需求出发,构建了潜艇操纵控制系统仿真平台。合理简化潜艇运动六自由度模型,将自抗扰控制技术引入潜艇航向及深度控制系统中,用分平面法设计了潜艇航向和深度自抗扰控制舵。采用面向对象的编程技术,设计开发了仿真平台的控制系统实时界面、完成了对潜艇运动控制方程的解算,并在仿真平台上分别进行了系统软件模拟操纵、潜艇垂直面运动控制、狭窄水道航行训练视景仿真等实验,仿真结果表明仿真平台软硬件设计合理、自动控制舵的控制性能良好,实现了操作人员和虚拟环境的交互。     

基于泵控液压舵机的潜艇深度及纵倾控制

[目的]针对不同工况、复杂环境下的潜艇运动控制进行研究,解决高性能潜艇的实际控制问题并将其运用于搭建实际液压控制平台。[方法]以潜艇垂直面运动为重点,设计垂直面上纵倾和深度模型的解耦控制。基于泵控液压舵机模型和潜艇垂直面运动数学模型,运用快速终端滑模控制算法,通过仿真和试验对系统进行分析。[结果]结合液压系统模型与非线性控制算法的研究论证了该系统在潜艇垂直面运动控制上的鲁棒性与可靠性。与此同时,对液压舵机滞后、振荡性进行的仿真及试验分析,也表明系统可有效降低滑模变结构控制带来的抖振问题。[结论]该系统在模拟研究潜艇的控制特性问题方面具有工程应用价值。     

舵型对潜艇操纵特性影响的仿真分析

本文介绍了X舵与十字舵的布局方式,并针对某型潜艇,在其尾操纵面分别为X形和十字形的情况下,编制了潜艇六自由度运动仿真程序,通过仿真分析,对X舵与十字舵在水平面和垂直面的操纵特性进行了综合比较,通过比较可以看出,无论是在垂直面还是水平面,X舵的舵效均高于十字舵,而且X舵能够有效控制潜艇水下高速回转时的横倾.从而得出结论:X舵的操纵性能均优于十字舵.     

潜艇深度PD-模糊控制仿真研究

针对单一控制方法对潜艇深度控制效果不佳的问题,开展了PD控制与模糊控制有机结合的潜艇深度复合控制方法研究。以潜艇垂直面运动为例,设计了潜艇深度PD-模糊控制器以及纵倾模糊控制器。利用Matlab/Simulink的Aerospace工具箱建立了潜艇三自由度仿真模型,并分别开展了PID控制器和复合控制器在不同工况下的仿真试验。仿真结果表明,与常规PID控制器相比,该复合控制器具有响应速度快、抗干扰能力强、鲁棒性好等特点。     

首升降舵布局方式对潜艇垂直面操纵性能仿真分析

针对首端首舵与围壳舵2种不同的首升降舵布置方式对潜艇垂直面操纵的控制能力,以模型潜艇为研究对象,在潜艇垂直面非线性操纵运动方程的基础上,对2种首升降舵布置方式下的升速率、逆速、纵倾响应和深度响应等机动性能进行仿真分析。进而以升速率、逆速、平衡舵角和纵倾响应为性能指标,应用模糊综合评判方法,定量分析和比较了首端首舵与围壳舵在垂直面的操纵性能。结果表明,就垂直面操纵性能而言,由于可以提供较大的纵倾力矩,首端首舵相对更具有优势。     

潜艇液压舵机模糊逻辑控制方法

  目的  针对不同工况、复杂环境下的潜艇运动控制进行研究,解决高性能潜艇的实际控制问题并将其运用于搭建实际液压控制平台。  方法  以潜艇垂直面运动为重点,设计垂直面上纵倾和深度模型的解耦控制。基于泵控液压舵机模型和潜艇垂直面运动数学模型,运用快速终端滑模控制算法,通过仿真和试验对系统进行分析。  结果  结合液压系统模型与非线性控制算法的研究论证了该系统在潜艇垂直面运动控制上的鲁棒性与可靠性。与此同时,对液压舵机滞后、振荡性进行的仿真及试验分析,也表明系统可有效降低滑模变结构控制带来的抖振问题。  结论  该系统在模拟研究潜艇的控制特性问题方面具有工程应用价值。     

基于灰色预测的潜艇垂直面运动控制

由于潜艇运动具有大惯性、大时延和非线性等特点,在外界干扰下,传统的PID控制器不能及时进行参数调整,将出现无效操舵、操舵幅度过大等现象。本文根据潜艇垂直面运动特点,设计一种基于灰色预测模型的潜艇垂直面运动控制器,采用灰色模型对潜艇深度和纵倾偏差进行实时预测,并将预测值应用于改进的PID控制器。仿真结果表明,该控制器比传统的PID控制器具有更好的动态特性,并能有效地减少无效操舵和操舵幅度过大等现象。     

非线性PID控制器在潜艇深度控制中的应用

基于潜艇垂直面非线性运动模型,模拟波浪干扰力和瞬间干扰力情况下潜艇的操纵运动;利用非线性PID控制技术、状态扩张技术(ESO),对潜艇深度变换进行控制,仿真表明,无论深度差异多大,控制器都能使得潜艇实现快速且零超调的深度变换控制。     

自抗扰控制器在潜艇近水面航行深度控制中的应用

基于潜艇垂直面非线性运动模型,模拟近水面情况下潜艇的操纵运动;利用自抗扰控制技术(ADRC),对潜艇深度变换进行控制.仿真表明,相对于现有潜艇的操纵控制,在潜艇深度控制上,自抗扰控制器可以获得较高的控制品质和较理想的控制效果,并且可以实现控制上的零超调.     

潜艇逆速时的垂直面机动仿真分析

逆速是潜艇水下航行时的一种特殊状态下的速度,其垂直面操纵问题也是当前潜艇面临的一个难题。根据一种利用首舵操纵控制消除尾舵逆速影响的计算方法,得到了尾舵逆速时首尾升降舵同时操纵进行垂直面机动的方法,并通过潜艇水下垂直面操纵运动模型,对这种操纵形式进行了仿真验证,验证结果表明这种方法可使潜艇在尾舵逆速时更快更有效的进行垂直面机动。     

非线性非最小相位船舶舵减摇系统的滑模控制

  目的  针对存在系统未知非线性函数和外界随机扰动的欠驱动水面船舶舵减摇控制问题,提出一种基于多层循环神经网络的自适应非奇异快速终端滑模舵减摇控制器。  方法  首先,针对传统滑模控制中存在的奇异性和收敛性问题,引入非奇异快速终端滑模面,并在假设船舶模型已知的情况下设计滑模控制律;接着,对传统径向基神经网络进行改进,并利用改进后的神经网络去逼近系统未知非线性函数,以解决船舶航行时模型难以确立的问题,提高控制精度;然后,应用Lyapunov理论证明闭环系统的稳定性和有限时间收敛性,并推导出神经网络参数的自适应律;最后,对一艘多用途海军舰艇进行数值仿真分析。  结果  结果显示,当船舶处于航向保持工况时,所提出的控制器减摇率为50.41%,与非奇异快速终端滑模控制器相比提升了19.2%;当船舶处于变航向工况时,所提出的控制器减摇率为23.46%,与非奇异快速终端滑模控制器相比提升了12.59%。  结论  该方法可以为欠驱动船舶舵减摇控制设计提供参考。     

基于多滑模面的船舶航向非线性系统终端滑模模糊控制(英文)

A terminal sliding mode fuzzy control based on multiple sliding surfaces was proposed for ship course tracking steering, which takes account of rudder characteristics and parameter uncertainty. In order to solve the problem, the controller was designed by employing the universal approximation property of fuzzy logic system, the advantage of Nussbaum function, and using multiple sliding mode control algorithm based on the recursive technique. In the last step of designing, a nonsingular terminal sliding mode was utilized to drive the last state of the system to converge in a finite period of time, and high-order sliding mode control law was designed to eliminate the chattering and make the system robust. The simulation results showed that the controller designed here could track a desired course fast and accurately. It also exhibited strong robustness peculiarly to system, and had better adaptive ability than traditional PID control algorithms.     

共翼型舵特性及其对潜艇潜浮运动影响研究

共翼型舵是一种新型的潜艇组合舵翼操纵面.文章首先通过水洞试验和CFD计算对共翼型舵的敞水水动力性能进行了研究,结果表明,共翼型舵的舵效随弦长比和展弦比增大,封堵舵翼之间的间隙可以显著提高舵的水动力性能.随后通过CFD计算对比了分别安装有普通舵、共翼型舵和封堵缝隙的共翼型舵的潜艇的潜浮运动,结果显示,5°舵角时,安装共翼型舵和封堵缝隙的共翼型舵的潜艇模型潜浮角分别比安装普通舵的模型提高65％和105％左右.     

Analysis on maneuvering motion characteristics of submarine under static moment in vertical plane北大核心CSCD

[Objectives]Aiming at the problem of poor depth-changing ability of the stern rudder of submarine at low speed, and the problem of reversing the movement trend is difficult when the stern rudder is stuck and encountering abrupt changes of seawater density in the vertical steering maneuver. This paper conducts the mechanism research of static moment maneuver. [Methods]First, it is proved through theoretical analysis that the static moment maneuver can eliminate the reversed velocity phenomenon of the stern rudder. Then, the surfacing process under the static moment maneuver and the rudder hydrodynamic control is numerically simulated. [Results]The simulation results show that the static moment maneuver can make the submarine maintain good vertical plane maneuverability at low speed, eliminate the reversed velocity phenomenon of the stern rudder, and avoid excessive trim angle of the submarine at high speed. At the same time, the recovery effect of the two emergency situations of rudder jamming and falling deep has been improved. [Conclusions]The static moment maneuver is beneficial to the maneuverability and safety of the submarine. The research in this article can provide a reference for the maneuverability design of submarine. © 2023 The Author(s).     

潜艇逆速时操纵的动态过程分析

  目的  针对潜艇垂直面操舵潜浮机动模式中存在的低航速下艉升降舵变深能力差,以及艉升降舵卡舵和遭遇海水密度断崖时挽回困难的问题,开展静力矩操纵方式的机理性研究。  方法  首先,通过理论分析证明采用静力矩操纵方式可以消除艉升降舵的逆速现象;然后,对潜艇采用静力矩和舵水动力操纵方式实施上浮机动过程进行数值模拟。  结果  结果显示,采用静力矩操纵方式能使潜艇在低航速下保持良好的垂直面机动性能,消除艉升降舵的逆速现象,并可避免潜艇在高航速下产生过大的纵倾角;同时,还能改善卡舵和掉深这2种紧急情况下的挽回效果。  结论  采用静力矩操纵方式有利于提高潜艇的机动性和安全性,研究结果可为潜艇的操纵能力设计提供参考。     

潜艇围壳舵和首舵水动力性能比较

安装在潜艇上的首部水平舵位置对于潜艇在垂直方向的稳定性以及操纵性具有重大意义.本文首先通过Fluent 14.0计算Suboff模型的阻力以及DTMB舵型的升、阻力,仿真结果与实验结果吻合较好.然后计算带围壳舵Suboff潜艇和带首舵Suboff潜艇的阻力、升力特性,并比较了潜艇带首舵和围壳舵的升阻力特性差异,以及对艇体表面压力分布和尾部流场的影响.计算结果显示,相同舵角下,围壳舵和首舵阻力相差不大,围壳舵升力比首舵升力大.相同舵角下,潜艇总阻力相差不大,带首舵潜艇总升力、总力矩比带围壳舵潜艇总升力、总力矩大.围壳舵舵角的变化对艇体表面的压力变化影响相对首舵来说较小.围壳舵和首舵在较大舵角下,都会对尾水平舵产生显著影响.     

基于神经网络的鲁棒自适应舵减摇控制

针对欠驱动船舶在未知海浪扰动下的舵减摇控制问题,设计一种基于有限时间收敛的滤波反步滑模自适应控制器。

首先,针对常规反步法中微分爆炸问题,引入一阶滤波器,以避免对虚拟控制律的求导;然后,根据有限时间控制理论,通过滤波反步法与滑模自适应控制方法,设计有限时间收敛的舵减摇控制律;最后,通过李雅普诺夫稳定性理论,证明航向子系统和减摇子系统的稳定性。

仿真结果表明,在不同海浪扰动下,所设计控制器使船舶能够在有限时间内追踪航向并实现减摇效果;与反步滑模控制相比,所设计控制器可改善船舶航向保持控制性能,减摇率提升了5%。

所提方法可为欠驱动船舶舵减摇控制问题提供参考。

     

21000t多用途船的球首设计及尾部节能装置试验

２１０００ｔ多用途船是上海远洋公司在南美洲航线上的定期班船，根据航程、船只数量、航班期的综合分析，要求船舶在主机输出功率７２３９．７５ｋＷ，含有１５％海上功率储备时，航速达到１６．５ｋｎ。为达到船东提出的先进航速指标，进行多次球首设计及尾部前置导管舵球的优化试验。介绍其设计思想及试验结果。