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水下高速航行体预测控制及半物理仿真研究

摘要

航行体在水下高速航行时会产生空化效应，形成巨大的空腔直至将航行体包裹在

内，使得航行体获得惊人的航行速度。超空泡技术强大的减阻效果极大促进了水下高

速运输以及水下武器的发展进程。然而航行体表面被空泡包裹这种特殊的结构，导致

水下高速航行体的动力学特性区别于传统水下航行体，非线性和时滞特性给航行体稳

定控制的理论研究和实际应用带来了极大的挑战。本文在对水下高速航行体俯仰平面

运动建模的基础上，考虑系统的时滞特性设计了不同的预测控制算法，运用半物理仿

真技术进行对比验证。

首先，建立水下高速航行体俯仰平面运动学模型和动力学模型。确立航行体的配

置方案，选取合适的坐标系并给出航行体运动学方程，在此基础上对航行体各部分受

力情况进行了分析，考虑滑行力复杂的时滞特性，引入时变参数将滑行力时滞与非时

滞环节进行解耦，推导建立了水下高速航行体的时滞线性参数变化(LPV)模型。

其次，针对时滞LPV模型时变参数的不确定性变换得出水下高速航行体时滞多胞

模型，基于Lyapunov稳定性理论完成了Quasi-Min-Max预测控制算法的设计。该算法

以终端代价项将无穷时域的性能指标转化为有限时域形式，基于传统预测控制，引入

超空泡的时滞特性进行设计并更新了的极大问题的上界。通过在线求解线性矩阵不等

式(LMI)的凸优化直接获得当前控制输入，求取效率较高，有效提高系统的控制性能。

再次，针对预测控制器存在保守性以及求取最优解在线计算量大等问题，在预测

控制的基础上引入了多步不变集，有效扩大预测控制器的初始可行域，多步控制集的

构造理论能够有效保证系统的可行性。针对滚动优化过程产生繁重的在线计算量，在

多步控制集鲁棒预测控制的基础上采用分段构造的思想设计了离线算法，通过仿真验

证多步控制集鲁棒预测控制及其离线算法的鲁棒性。

最后，设计水下高速航行体半物理仿真系统并对控制算法进行验证。通过对俯仰

平面控制系统的控制原理进行分析确定了整体结构。设计了空化器控制系统的硬件电

路，完成了半物理仿真系统仿真计算机软件的编写。基于此系统进行仿真实验以验证

航行体预测控制器以及各组成部件的可靠性，结果表明预测控制器具有较强的鲁棒性，

半物理仿真实验达成预期目标。

关键词：水下高速航行体；时滞特性；预测控制；LPV；半物理仿真

水下高速航行体预测控制及半物理仿真研究

Abstract

Whenthevehiclebodytravelsathighspeedunderwater,itwillproduceanaeration

effect,formingahugecavitythatengulfsthevehiclebodyandenablesittoachieveamazing

speeds.Thepowerfuldragreductioneffectofsupercavitationtechnologyhasgreatly

promotedthedevelopmentofunderwaterhigh-speedtransportationandunderwaterweapons.

However,theuniquestructureofthevehiclebodyssurfacebeingenvelopedbycavities

causesthedynamiccharacteristicsoftheunderwaterhigh-speedvehiclebodytodifferfrom

traditionalunderwatervehiclebodies.Nonlinearandtime-delaycharacteristicsposegreat

challengestothetheoreticalresearchandpracticalapplicationofstablecontrolofthevehicle

body.Bas