基于變結構控制理論的反魚雷魚雷縱向運動控制建模與仿真

張西勇, 王樹宗, 李宗吉

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基于變結構控制理論的反魚雷魚雷縱向運動控制建模與仿真

張西勇, 王樹宗, 李宗吉

(海軍工程大學 兵器新技術應用研究所, 湖北 武漢, 430033)

研究了變結構控制技術在反魚雷魚雷(ATT)縱向運動控制中的應用, 建立了魚雷航行縱向運動數學模型與變結構控制模型。仿真分析可知, 該控制系統具有很好的動態特性, 對模型參數具有高魯棒性、系統穩定性及很強的抗干擾能力。研究結果表明, 采用變結構控制方法能解決反魚雷魚雷縱向運動控制中存在的參數不確定和抗干擾問題。

反魚雷魚雷; 變結構控制; 縱向運動控制; 抗干擾能力; 仿真

0 引言

隨著科學技術的發展, 魚雷武器正朝著遠航程、精確制導、高速度及智能化方向發展。相應各國的反魚雷技術也在快速發展, 其中, 反魚雷魚雷(anti-torpedo torpedo, ATT)已成為各國研究的熱點[1-2]。ATT具有靈活、機動、主動等優點, 通過ATT主動攻擊來襲魚雷, 能有效解決艦艇被魚雷攻擊的問題。ATT相比常規魚雷, 具有攻擊高速小目標、反應速度快及旋回角大等特點, 這就對其控制系統及彈道設計提出了更高要求。ATT在增強機動性的同時, 控制系統的穩定性必然降低, 這是因在高速和高旋回角狀態及復雜水文條件下, ATT模型參數發生較大變化從而導致系統失穩所致。而變結構控制器具有響應速度快, 對模型參數具有高魯棒性, 系統穩定性對模型參數不敏感等特點。本文采用變結構控制器對ATT縱向運動控制系統進行設計, 并進行了仿真研究。

1 系統建模

1.1 ATT縱向運動模型

其中

1.2 ATT縱向運動變結構控制模型

故1=0穩定, 從而在上述變結構控制律下, 系統實現滑動模運動。

2 仿真分析

圖1 魚雷速度過渡曲線

圖2 魚雷俯仰角過渡曲線

圖3 滑模超平面過渡曲線

圖4 控制輸入(橫舵角)曲線

從仿真結果知, 俯仰角過渡時間不到1 s, 變結構控制系統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。

從仿真結果可知（見圖5~圖8）, 變結構控制模型對系統的隨機干擾具有很好的魯棒性, 系統參數的變化不影響系統穩定性, 這一可貴特性對魚雷的控制非常有利。魚雷處于復雜的水文條件下, 存在眾多未知干擾(如海流變化, 漩渦等) , 傳統的控制方法已不能滿足要求, 變結構控制系統可排除這些未知干擾控制魚雷以預定彈道航行。

圖5 魚雷速度過渡曲線(加干擾)

圖6 魚雷俯仰角過渡曲線(加干擾)

圖7 滑模超平面過渡曲線(加干擾)

3 結論

本文建立了魚雷縱向運動數學模型, 并以變結構控制建立了魚雷縱向運動的控制模型, 從仿真結果可知：變結構控制模型能滿足魚雷航行的動態特性; 對系統干擾具有很強的魯棒性; 具有處理不精確模型的能力。可以看出, 變結構控制適合在魚雷尤其是反魚雷魚雷上的運用。相比常規魚雷, 反魚雷魚雷具有更強的機動性和高速度, 在復雜水下環境中, 未知因素眾多, 傳統控制方法已不能滿足要求。變結構控制具有對模型參數不敏感和抗干擾特性。因此, 其有望將ATT的動力性能和機動性能達到或接近最大, 顯著提高ATT的攔截性能。

圖8 控制輸入(橫舵角)曲線(加干擾)

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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研究.

(責任編輯: 楊力軍)