劉華棟，康寶臣，馮麗娜

（1.海軍裝備部，山西 太原 030027；2.山西汾西重工有限責(zé)任公司，山西 太原 030027）

0 引言

在海洋資源開發(fā)和海軍軍事任務(wù)雙重需求的牽引下，水下無人航行器以及自主水下航行器成為當(dāng)前的熱門研究課題。自主水下航行器就是離開發(fā)射平臺后仍具備自行航行能力至預(yù)定水域偵查、探測和打擊為一體的航行器。為進(jìn)一步提高布設(shè)的隱蔽性，研制自主水下航行器就顯得特別重要。自主水下航行器能在敵方防潛設(shè)施外啟動航行，利用其自身的動力裝置航行到預(yù)定海域?qū)持匾劭诨蛩蜻M(jìn)行偵查、探測和打擊。

自主水下航行器無論是在軍用市場還是民用市場，全球各國都在加緊研制與開發(fā)采用最新科技成果的水下無人航行器。未來的水下無人航行器結(jié)構(gòu)更加簡單，功能多樣，自適應(yīng)能力強(qiáng)，可游刃有余地執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)[1]。而各種控制算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、滑?？刂坪湍：?PID控制等智能控制算法均被應(yīng)用到了UUV的運(yùn)動控制中[2-7]。文獻(xiàn)[2]采用了經(jīng)典的 PID控制算法，文獻(xiàn)[3]采用了以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計，文獻(xiàn)[4]采用了滑模理論控制算法，文獻(xiàn)[5]則將經(jīng)典 PID算法、自抗擾技術(shù)、模糊策略和滑?？刂扑惴ǚ謩e進(jìn)行了分析與設(shè)計，文獻(xiàn)[6]采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，文獻(xiàn)[7]采用了魯棒滑?？刂扑惴?。

進(jìn)入21世紀(jì)，仿真技術(shù)得以發(fā)展的主要原因，是它所帶來的巨大社會經(jīng)濟(jì)效益。仿真主要應(yīng)用于航空、航天、航海、電力、化工以及其他工業(yè)過程控制等工程技術(shù)領(lǐng)域。在航空工業(yè)方面，采用仿真技術(shù)使大型客機(jī)的設(shè)計和研制周期縮短20%。利用計算機(jī)仿真，不僅節(jié)省大量燃料和經(jīng)費(fèi)，而且不受氣象條件和場地的限制。在航天工業(yè)方面，采用仿真實(shí)驗代替試航試驗可使實(shí)彈試驗的次數(shù)減少80%。在電力工業(yè)方面采用仿真系統(tǒng)對核電站進(jìn)行調(diào)試、維護(hù)和排除故障，1年即可收回建造仿真系統(tǒng)的成本?，F(xiàn)代仿真技術(shù)不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域，而且日益廣泛地應(yīng)用于社會、經(jīng)濟(jì)、生物等領(lǐng)域，如交通控制、城市規(guī)劃、資源利用、環(huán)境污染防治、生產(chǎn)管理、市場預(yù)測、世界經(jīng)濟(jì)的分析和預(yù)測、人口控制等。因此，利用仿真技術(shù)來研究這些系統(tǒng)就具有更為重要的意義。

1 總體參數(shù)與流體動力參數(shù)

自主水下航行器航行控制數(shù)學(xué)模型屬于灰箱系統(tǒng)，其運(yùn)動規(guī)律遵循牛頓經(jīng)典力學(xué)定律，質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律。數(shù)學(xué)模型中的流體動力參數(shù)可通過水洞試驗、風(fēng)動試驗或自主水下航行器流體動力參數(shù)辨識得到，某航行器所需要的總體參數(shù)明細(xì)如表1所示。

表1 總體參數(shù)Table 1 General parameters

表1中：流體的密度ρ=999.866 kg/m3；航行器的體積V=1.1 m3；航行器的質(zhì)量m=1 300 kg；航行器的長度L=7 m；航行器的最大橫截面積S=0.224 m2；航行器質(zhì)心距浮心的距離xc=-25 mm；航行器質(zhì)心下移量yc=-20 mm；航行器質(zhì)心側(cè)移量zc=0；航行器繞航行器坐標(biāo)系x軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量Jxx=602kg·m；航行器繞航行器坐標(biāo)系軸y轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量Jyy=6 1232kg·m；航行器繞航行器坐標(biāo)系軸z轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量Jzz=6 083 kg·m2。

流體動力參數(shù)明細(xì)如表2所示。

表2 流體動力參數(shù)Table 2 Hydrodynamic parameters

2 縱向彈道數(shù)值模擬

2.1 縱向運(yùn)動存在的條件

航行器在空間的運(yùn)動可分解為縱向運(yùn)動和側(cè)向運(yùn)動，這是一種簡化的研究方法。在滿足一定條件下，這種簡化研究方法，在工程精度范圍內(nèi)是可以允許的。航行器的縱向運(yùn)動為一平面運(yùn)動，其運(yùn)動平面與航行器的縱對稱面重合，且為空間垂直平面（地面坐標(biāo)系平面）。航行器縱向運(yùn)動單獨(dú)存在的條件是：

1）航行器對其縱對稱面是對稱的，在縱向運(yùn)動中，不產(chǎn)生側(cè)向力、偏航力矩和橫滾力矩；

2）航行器控制系統(tǒng)是理想的，使航行器縱對稱面保持在垂直面內(nèi)；

3）航行器航行的彈道為垂直面內(nèi)的平面彈道，如爬潛和尋深彈道，直航和垂直面導(dǎo)引彈道。

2.2 原始縱向運(yùn)動方程組-數(shù)學(xué)模型

縱向運(yùn)動是指航行器在鉛垂平面（地面坐標(biāo)系的ox0y0平面）內(nèi)的運(yùn)動，并且航行器坐標(biāo)系的oxy平面與運(yùn)動平面重合?？v向運(yùn)動由航行器重心在oxy平面內(nèi)的運(yùn)動和繞oz軸的轉(zhuǎn)動運(yùn)動組成。由于地面坐標(biāo)系的ox0軸方向可以任意選取，如果將ox0軸也選在運(yùn)動平面內(nèi)，則地面系的ox0y0平面，航行器系的oxy平面，速度系的ox1y1平面，半速度系的ox1y1平面都是同一平面。這時有9個運(yùn)動參數(shù)，即β、υz、ωx、ωy、φ、ψ、z0、Ψ、Φc均為0，余下的非零運(yùn)動參數(shù)為α、θ、Θ、ωz、υx、υy、υ、x0、y0，這9個運(yùn)動參數(shù)稱為縱向運(yùn)動參數(shù)，描述縱向運(yùn)動參數(shù)變化規(guī)律的方程稱為縱向運(yùn)動方程。

假定航行器具有oxy及oxz共2個對稱面，于是根據(jù)航行器空間運(yùn)動方程組可以得到如下方程[8]：

由式（1）-（9）組成的方程組就是航行器原始的縱向運(yùn)動方程組。如果橫舵角δe已知，則由9個方程可以求解9個運(yùn)動參數(shù)，從而確定縱向運(yùn)動和彈道。在固定舵角下的運(yùn)動和彈道稱為非操縱運(yùn)動和彈道。航行器制導(dǎo)系統(tǒng)通過傳感器測量航行器運(yùn)動參數(shù)，通過自導(dǎo)系統(tǒng)測量目標(biāo)相對運(yùn)動參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)，制導(dǎo)系統(tǒng)給出操舵指令，形成閉環(huán)系統(tǒng)。制導(dǎo)系統(tǒng)的工作原理可以寫成制導(dǎo)方程（控制方程和導(dǎo)引方程），在縱向運(yùn)動中需要補(bǔ)充制導(dǎo)方程，與縱向運(yùn)動方程聯(lián)立求解縱向運(yùn)動參數(shù)和橫舵角δe，確定航行器運(yùn)動及其彈道。

2.3 縱向運(yùn)動數(shù)值模擬軟件程序編制

縱向運(yùn)動程序算法采用Rung_Kutta（四階）方法，由MATLAB實(shí)現(xiàn)。

ODE解算器時，需要將微分方程組轉(zhuǎn)化成MATLAB可接受的標(biāo)準(zhǔn)格式，如下：

ODEs由多個高階或隱式微分方程組成，將其變換成一階顯式常微分方程組。本文的航行器縱向運(yùn)動方程組是由9個隱式微分方程構(gòu)成的ODEs，可轉(zhuǎn)換成一階顯示微分方程，然后求解出右函數(shù)。

四階龍格-庫塔法（The Fourth-Order Runge－KuttaMethod）形式如下[9]：

航行器縱向控制方程采用如下形式[10]：

3 仿真結(jié)果

本文共進(jìn)行了4種工況下的縱向運(yùn)動仿真，包括穩(wěn)態(tài)航速8 m/s定深5 m時的縱向運(yùn)動仿真、穩(wěn)態(tài)航速8 m/s定深50 m時的縱向運(yùn)動仿真、穩(wěn)態(tài)航速8 m/s定深5 m無自由角時的縱向運(yùn)動仿真和穩(wěn)態(tài)航速8 m/s定深50 m無自由角時的縱向運(yùn)動仿真；由于篇幅限制，只列出穩(wěn)態(tài)航速8 m/s定深50 m時的縱向運(yùn)動仿真結(jié)果如下。

圖1 深度曲線Fig.1 Depth curve

圖2 彈道傾角曲線Fig.2 Trajectory inclination curve

圖3 攻角曲線Fig.3 Angle of attack curve

圖4 彈道曲線Fig.4 Trajectory curve

圖5 俯仰角曲線Fig.5 Pitch angle curve

圖6 速度曲線Fig.6 Velocity curve

圖7 水平舵角曲線Fig.7 Horizontal rudder angle curve

圖8 俯仰角速度曲線Fig.8 Pitch angular velocity curve

通過多次仿真計算和試參數(shù)，最終確定了Ky、Kθ和δfree，并對有無自由角進(jìn)行了對比，得出了自由角的取值合適時，縱向運(yùn)動無超調(diào)，但穩(wěn)定時間稍長，自由角偏離理想值時，縱向控制系統(tǒng)會產(chǎn)生一定的振蕩和超調(diào)。

4 結(jié)束語

以上4種算例的仿真結(jié)果均給出了航行器在縱平面內(nèi)的深度曲線、彈道曲線、攻角曲線、速度曲線、彈道傾角曲線、水平舵角曲線、俯仰角曲線和俯仰角速度曲線。從仿真結(jié)果可以看出：由于有重力、浮力和其它因素的影響，自主水下航行器的水平舵角不為0，而是有一個很小的度數(shù)，從而產(chǎn)生升力與負(fù)浮力等作用力相平衡。此外，自由角的取值合適時，縱向運(yùn)動無超調(diào)，但穩(wěn)定時間稍長，自由角偏離理想值時，縱向控制系統(tǒng)會產(chǎn)生一定的振蕩和超調(diào)。調(diào)整好自由角的大小和傳遞系數(shù)就會很好地抹除此控制算法下系統(tǒng)產(chǎn)生的振蕩和系統(tǒng)調(diào)整所耗費(fèi)的時間。此仿真算例得出了合理的結(jié)果，已經(jīng)驗證和支持了某自主水下航行器的湖上試驗，為某自主水下航行器項目實(shí)航演示樣機(jī)的研制提供理論支持，具有一定的工程參考價值。