張西勇, 王樹宗, 李宗吉

?

基于變結(jié)構(gòu)控制理論的反魚雷魚雷縱向運(yùn)動(dòng)控制建模與仿真

張西勇, 王樹宗, 李宗吉

(海軍工程大學(xué) 兵器新技術(shù)應(yīng)用研究所, 湖北 武漢, 430033)

研究了變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)在反魚雷魚雷(ATT)縱向運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用, 建立了魚雷航行縱向運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型與變結(jié)構(gòu)控制模型。仿真分析可知, 該控制系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)特性, 對(duì)模型參數(shù)具有高魯棒性、系統(tǒng)穩(wěn)定性及很強(qiáng)的抗干擾能力。研究結(jié)果表明, 采用變結(jié)構(gòu)控制方法能解決反魚雷魚雷縱向運(yùn)動(dòng)控制中存在的參數(shù)不確定和抗干擾問(wèn)題。

反魚雷魚雷; 變結(jié)構(gòu)控制; 縱向運(yùn)動(dòng)控制; 抗干擾能力; 仿真

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 魚雷武器正朝著遠(yuǎn)航程、精確制導(dǎo)、高速度及智能化方向發(fā)展。相應(yīng)各國(guó)的反魚雷技術(shù)也在快速發(fā)展, 其中, 反魚雷魚雷(anti-torpedo torpedo, ATT)已成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)[1-2]。ATT具有靈活、機(jī)動(dòng)、主動(dòng)等優(yōu)點(diǎn), 通過(guò)ATT主動(dòng)攻擊來(lái)襲魚雷, 能有效解決艦艇被魚雷攻擊的問(wèn)題。ATT相比常規(guī)魚雷, 具有攻擊高速小目標(biāo)、反應(yīng)速度快及旋回角大等特點(diǎn), 這就對(duì)其控制系統(tǒng)及彈道設(shè)計(jì)提出了更高要求。ATT在增強(qiáng)機(jī)動(dòng)性的同時(shí), 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性必然降低, 這是因在高速和高旋回角狀態(tài)及復(fù)雜水文條件下, ATT模型參數(shù)發(fā)生較大變化從而導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)所致。而變結(jié)構(gòu)控制器具有響應(yīng)速度快, 對(duì)模型參數(shù)具有高魯棒性, 系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)模型參數(shù)不敏感等特點(diǎn)。本文采用變結(jié)構(gòu)控制器對(duì)ATT縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì), 并進(jìn)行了仿真研究。

1 系統(tǒng)建模

1.1 ATT縱向運(yùn)動(dòng)模型

其中

1.2 ATT縱向運(yùn)動(dòng)變結(jié)構(gòu)控制模型

故1=0穩(wěn)定, 從而在上述變結(jié)構(gòu)控制律下, 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)模運(yùn)動(dòng)。

2 仿真分析

圖1 魚雷速度過(guò)渡曲線

圖2 魚雷俯仰角過(guò)渡曲線

圖3 滑模超平面過(guò)渡曲線

圖4 控制輸入(橫舵角)曲線

從仿真結(jié)果知, 俯仰角過(guò)渡時(shí)間不到1 s, 變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)存在的固有顫振也很小, 圖中, 在0.3 s附近存在較小的顫振, 這在工程上是可以接受的。

從仿真結(jié)果可知（見(jiàn)圖5~圖8）, 變結(jié)構(gòu)控制模型對(duì)系統(tǒng)的隨機(jī)干擾具有很好的魯棒性, 系統(tǒng)參數(shù)的變化不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性, 這一可貴特性對(duì)魚雷的控制非常有利。魚雷處于復(fù)雜的水文條件下, 存在眾多未知干擾(如海流變化, 漩渦等) , 傳統(tǒng)的控制方法已不能滿足要求, 變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)可排除這些未知干擾控制魚雷以預(yù)定彈道航行。

圖5 魚雷速度過(guò)渡曲線(加干擾)

圖6 魚雷俯仰角過(guò)渡曲線(加干擾)

圖7 滑模超平面過(guò)渡曲線(加干擾)

3 結(jié)論

本文建立了魚雷縱向運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型, 并以變結(jié)構(gòu)控制建立了魚雷縱向運(yùn)動(dòng)的控制模型, 從仿真結(jié)果可知：變結(jié)構(gòu)控制模型能滿足魚雷航行的動(dòng)態(tài)特性; 對(duì)系統(tǒng)干擾具有很強(qiáng)的魯棒性; 具有處理不精確模型的能力?？梢钥闯? 變結(jié)構(gòu)控制適合在魚雷尤其是反魚雷魚雷上的運(yùn)用。相比常規(guī)魚雷, 反魚雷魚雷具有更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和高速度, 在復(fù)雜水下環(huán)境中, 未知因素眾多, 傳統(tǒng)控制方法已不能滿足要求。變結(jié)構(gòu)控制具有對(duì)模型參數(shù)不敏感和抗干擾特性。因此, 其有望將ATT的動(dòng)力性能和機(jī)動(dòng)性能達(dá)到或接近最大, 顯著提高ATT的攔截性能。

圖8 控制輸入(橫舵角)曲線(加干擾)

[1] 高劍, 徐德民, 潘瑛. 魚雷縱向運(yùn)動(dòng)的非線性自適應(yīng)滑模控制[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2005, 25(3): 155-157. Gao Jian, Xu De-min, Pan Ying. Nonlinear Adaptive Sliding- Mode Controller for the Longitudinal Control of the Torpedo [J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2005, 25(3): 155-157.

[2] 高璇, 周徐昌, 沈建森, 等. 基于BTT的反魚雷魚雷橫向-橫滾操縱性研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2011, 33(5): 94-97.

Gao Xuan, Zhou Xu-chang, Shen Jian-shen, et al. Research on Roll Maneuverability of ATT Based on BTT[J]. Ship Scienceand Technology, 2011, 33(5): 94-97.

[3] 徐德民. 魚雷自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2000.

[4] 胡躍明, 周其節(jié). 分布參數(shù)變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1996.

[5] 劉宇. 基于變結(jié)構(gòu)控制的反魚雷武器導(dǎo)引律[J]. 火力與指揮控制, 2010, 35(10): 87-90. Liu Yu. Anti-torpedo Weapon Guidance Law based on Variable Structure Control[J]. Fire Control & Command Control, 2010, 35(10): 87-90.

[6] 董翔宇, 任利, 劉云飛, 等. BTT導(dǎo)彈變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制仿真研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2009, 26(11): 65-68. Dong Xiang-yu, Ren Li, Liu Yun-fei, et al. Simulation of BTT Missile based on Variable Structure Adaptive Con- trol[J]. Computer Simulation, 2009, 26(11): 65-68.

Modeling and Simulation of Longitudinal Movement Control for Anti-torpedo Torpedo Based on Variable Structure Control

ZHANG Xi-yong, WANG Shu-zong, LI Zong-ji

(Research Institute of New Weaponry Technology and Application, Navy University of Engineering, Wuhan 430033, China)

This paper addresses the application of variable structure control technology to control of anti-torpedo torpedo, and establishes a mathematical model and a controlling model of torpedo′s longitudinal movement. Simulation analysis shows that the control system has good dynamic characteristic, high robustness and system stability, and strong anti-interference capacity. Conclusion is drawn that variable structure control technology can resolve parameter's uncertainty and anti-interference problems existing in longitudinal movement control of anti-torpedo torpedo.

anti-torpedo torpedo(ATT); variable structure control; longitudinal movement control; anti-interference capacity; simulation

TJ630.33

A

1673-1948(2012)02-0117-03

2011-06-24;

2011-08-18.

張西勇(1978-), 男, 在讀博士, 主要從事反魚雷魚雷的控制技術(shù)研究.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)