基于懸停駐留的大口徑魚雷水下引爆定位控制*

鄭 振 馬 蛟

（中國人民解放軍91129部隊 ?？?570311）

1 引言

魚雷作為水下制導(dǎo)武器，在反潛和反艦作戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用，魚雷的攻擊破壞性較大，在不發(fā)動實質(zhì)攻擊的前提下為提高大口徑魚雷的攻擊對敵攻擊的威懾力，需要在一定的安全距離下實現(xiàn)魚雷引爆，對此需要構(gòu)建一種優(yōu)化的大口徑魚雷水下引爆定位控制模型，結(jié)合對魚雷對敵目標(biāo)的深水探測和回波檢測技術(shù)，采用聲吶定位裝置，實現(xiàn)對大口徑魚雷水下引爆定位和自動引爆裝置設(shè)計。研究相關(guān)的大口徑魚雷水下引爆定位控制技術(shù)，在優(yōu)化魚雷的對敵攻擊應(yīng)用效能方面具有重要意義。

對大口徑魚雷水下引爆定位控制是建立在對整個水下航行階段的運(yùn)動模型分析技術(shù)，構(gòu)建大口徑魚雷水下引爆定位控制約束參數(shù)，采用模糊控制和多維約束參量自適應(yīng)補(bǔ)償方法，實現(xiàn)對大口徑魚雷水下引爆定位控制優(yōu)化設(shè)計，傳統(tǒng)方法中，對大口徑魚雷水下引爆定位控制方法主要有能量梯度修正的大口徑魚雷的航向校正方法、PID 控制方法和神經(jīng)元控制方法等，以大口徑魚雷航行的偏航角、俯仰角和橫滾等信息為約束參量，進(jìn)行魚雷對敵攻擊的曲線修正和反饋跟蹤控制，但傳統(tǒng)方法進(jìn)行大口徑魚雷水下引爆定位控制的可靠性不好，穩(wěn)定性不好。針對上述問題，本文提出基于懸停駐留的大口徑魚雷水下引爆定位控制技術(shù)。建立大口徑魚雷的水下動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)模型，以大口徑魚雷航行的偏航角、俯仰角和橫滾等信息為約束參量，采用魚雷運(yùn)動狀態(tài)試驗參數(shù)數(shù)據(jù)辨識水下流體動力參數(shù)和系統(tǒng)性能參數(shù)，結(jié)合參數(shù)辨識法建立魚雷動力學(xué)輸入輸出響應(yīng)模型，采用有限元分析方法建立魚雷水下懸停駐留的湍流模型，通過調(diào)整魚雷的位置和姿態(tài)，結(jié)合回波探測技術(shù)，采用定位掃描和懸停駐留技術(shù)實現(xiàn)魚雷因定位引爆控制。最后進(jìn)行實驗測試分析，展示了本文方法在提高大口徑魚雷水下引爆定位控制能力方面的優(yōu)越性能。

2 大口徑魚雷的水下動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)模型及控制約束參量

2.1 大口徑魚雷的水下動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)模型構(gòu)建

為了實現(xiàn)對大口徑魚雷水下引爆定位控制，需要進(jìn)行大口徑魚雷的運(yùn)動數(shù)學(xué)模型分析，構(gòu)建水下航行階段的縱向運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，在建立大口徑魚雷的縱向運(yùn)動模型之前，先做如下幾點基本假設(shè)［6］：1）大口徑魚雷的外體結(jié)構(gòu)為剛體模型，其外形關(guān)于水平面和水下縱向運(yùn)動平面的交集坐標(biāo)系x1Oy1對稱；2）大口徑魚雷的偏航、橫滾及阻尼力等參數(shù)滿足線性假設(shè)；3）壓載水艙排水并在垂直推進(jìn)器的作用下上浮實現(xiàn)返航；4）近似認(rèn)為大口徑魚雷的縱向運(yùn)動平面坐標(biāo)系為慣性坐標(biāo)系。并定義關(guān)于大攻角時的流體動力特性的速度坐標(biāo)系Ox3y3z3、體坐標(biāo)系Ox1y1z1、大地坐標(biāo)系Ox2y2z2、球面坐標(biāo)系A(chǔ)xyz。

根據(jù)上述假設(shè)，對海底駐留時的流體動力特性進(jìn)行運(yùn)動性能參數(shù)研究，分別描述為

結(jié)合大口徑魚雷水下運(yùn)動水下駐留涉及的駐留方案、流體動力特性分析，采用特征運(yùn)動方程得到鉛垂面運(yùn)動方程為Ox2y2，計算流體力學(xué)得到大口徑魚雷繞體坐標(biāo)系各軸運(yùn)動的縱向運(yùn)動數(shù)學(xué)模型描述為

其中，θ為大口徑魚雷質(zhì)心的彈道傾角；Mz為流體動力、聲學(xué)等各方面的優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)。

通過上述構(gòu)建的大口徑魚雷的水下動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)模型，采用魚雷運(yùn)動狀態(tài)試驗參數(shù)數(shù)據(jù)辨識水下流體動力參數(shù)和系統(tǒng)性能參數(shù)，結(jié)合參數(shù)辨識法建立魚雷動力學(xué)輸入輸出響應(yīng)模型。

2.2 大口徑魚雷水下引爆定位的約束參量

在上述構(gòu)建的大口徑魚雷縱向運(yùn)動數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，針對海底駐留UUV 低航速、遠(yuǎn)航程的特點和要求，采用模型參數(shù)匹配，得到海底駐留UUV的外形優(yōu)化模型參數(shù)和跟蹤控制律為

其中，V表示大口徑魚雷質(zhì)心加速度，m和h分別是大口徑魚雷的轉(zhuǎn)向約束變量，n是表示航行器頭部豐滿系數(shù)。Cm是阻力系數(shù)，Iext則表示流體動力布局模式下的水平、垂直鰭舵慣性參數(shù)。gNa、gk和gL是魚雷對敵攻擊的偏角、迎角、升阻比，反映了魚雷的有效攻擊區(qū)域內(nèi)的定位參數(shù)。VNa、Vk和VL分別表示大口徑魚雷質(zhì)心的速度、標(biāo)準(zhǔn)彈道平衡參數(shù)。由此得到魚雷水下引爆定位動靜力布局效果圖如圖1所示。

圖1 魚雷水下引爆定位動靜力布局效果圖

3 控制方法優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 模糊參數(shù)融合和自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)的路徑規(guī)劃

采用魚雷運(yùn)動狀態(tài)試驗參數(shù)數(shù)據(jù)辨識水下流體動力參數(shù)和系統(tǒng)性能參數(shù)，結(jié)合參數(shù)辨識法建立魚雷動力學(xué)輸入輸出響應(yīng)模型，進(jìn)行魚雷水下定位跟蹤控制，本文提出一種基于懸停駐留技術(shù)的大口徑魚雷水下引爆定位控制方法?；谶\(yùn)動穩(wěn)定性特征分析，分析UUV 保持運(yùn)動狀態(tài)的能力，若海底駐留UUV 在受擾動后，隨著時間的增加，能夠恢復(fù)到未擾動時的運(yùn)動狀態(tài)，則稱運(yùn)動是穩(wěn)定的，否則便是不穩(wěn)定的。采用Lyapunove 自適應(yīng)控制律］，得到控制輸入輸出參量模型描述為

通過擾動參數(shù)分析，得到擾動運(yùn)動方程組的參考輸入模型為

將大口徑魚雷水下引爆定位控制的非線性系統(tǒng)進(jìn)行分解，把大口徑魚雷受到的水流和渦流擾動分解為確定部分和不確定部分兩部分，對水平海底和有小傾角海底兩種情況下水流側(cè)向流過時UUV的受力特征進(jìn)行融合分析，得到受力融合模型為

其中，K為海水斜向上的應(yīng)力參數(shù)，xc(t)為慣性力矩，為了便于研究垂推對航行器海底受力特性的影響，本文包括有垂推和無垂推兩種水下航行器模型。對于垂推，本文只考慮垂推幾何因素的影響，不考慮其動力特性，得到擾動方程描述為

其中，x(k)∈Rp表示大口徑魚雷的舵角參考輸入特征狀態(tài)，u(k)∈Rq表示大口徑魚雷的俯仰角跟蹤誤差，z(k)∈Rm表示后支撐機(jī)構(gòu)的動力特性參數(shù)，A，B，C為適當(dāng)維數(shù)矩陣，基于幾何因素參數(shù)調(diào)節(jié)，得到魚雷的流體動力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計特征量為

其中，P、R為正定矩陣，對于無人水下航行器（UUV）水動力計算這類繞流問題，一般通過建立一個適當(dāng)?shù)奶摂M邊界，將繞流問題轉(zhuǎn)化為內(nèi)流問題，在虛擬邊界與UUV形成的空間區(qū)域內(nèi)求解，得到：

根據(jù)上述分析，采用魚雷運(yùn)動狀態(tài)試驗參數(shù)數(shù)據(jù)辨識水下流體動力參數(shù)和系統(tǒng)性能參數(shù)，結(jié)合參數(shù)辨識法建立魚雷動力學(xué)輸入輸出響應(yīng)模型，實現(xiàn)模糊參數(shù)融合和自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)的路徑規(guī)劃。

3.2 大口徑魚雷水下引爆定位優(yōu)化控制律改進(jìn)實現(xiàn)

從航行器運(yùn)動狀態(tài)試驗數(shù)據(jù)中，辨識出流體動力參數(shù)和其他表征系統(tǒng)性能的參數(shù)的方法稱為參數(shù)辨識法，其可以通過研究航行器的輸入輸出響應(yīng)，或正常航行時的輸入輸出特征量，得到大口徑魚雷水下引爆定位的跟蹤識別的誤差為

采用俯仰參數(shù)識別，采用模型參數(shù)濾波和PID控制，得到大口徑魚雷水下引爆定位的誤差修正一階求導(dǎo)：

基于誤差擾動抑制，通過懸停駐留的穩(wěn)態(tài)跟蹤控制［11］，得到垂推幾何因素約束下的自整定性函數(shù)為

其中c1、λ1均大于零，采用Lyapunov 指數(shù)求導(dǎo)，采用有限元分析方法建立魚雷水下懸停駐留的湍流模型，通過調(diào)整魚雷的位置和姿態(tài)，結(jié)合回波探測技術(shù)，實現(xiàn)魚雷的定位探測，并采用定位掃描和懸停駐留技術(shù)實現(xiàn)魚雷因定位引爆控制［12］。

4 仿真實驗與結(jié)果分析

為了測試本文設(shè)計的控制方法在實現(xiàn)大口徑魚雷水下引爆定位控制的應(yīng)用性能，進(jìn)行仿真實驗分析，仿真實驗建立在Matlab Simulink 的大口徑魚雷仿真平臺基礎(chǔ)上，考慮航行器尺寸的限制，變浮力系統(tǒng)的位置被限制在-2.4m～1m 之間，跟蹤角度值為2.8°的正弦信號和階躍信號，大口徑魚雷航行的初始速度為50Kn，航行器著陸時地面坐標(biāo)系中軸向速度、XY 方向運(yùn)動的位移隨注水變化的信息表見表1。

表1 大口徑魚雷視覺能量優(yōu)化控制約束參量模型的參數(shù)值

根據(jù)上述仿真環(huán)境和參量設(shè)定，進(jìn)行大口徑魚雷水下引爆定位控制的仿真測試，采用有限元網(wǎng)格分析，得到初始攻擊位置分布如圖2所示。

圖2 魚雷初始攻擊位置

采用本文方法，分析注水位置和注水質(zhì)量對航行器著陸速度、位移、總著陸時間和垂推作用時間的影響，結(jié)合魚雷的俯仰角跟蹤和參數(shù)定位識別，得到魚雷水下引爆的末端位置如圖3所示。

圖3 魚雷水下引爆的末端位置

分析圖3 得知，本文方法能有效實現(xiàn)對大口徑魚雷水下引爆定位控制，測試魚雷對敵攻擊的輸出沖激響應(yīng)，如圖4所示。

圖4 攻擊沖激響應(yīng)特征分析

分析圖4 得知，本文方法能有效識別敵方目標(biāo)，沖激響應(yīng)特征分辨力較高，能有效實現(xiàn)對敵目標(biāo)攻擊，輸出魯棒性和穩(wěn)定性較好，收斂誤差曲線如圖5所示，分析得知，本文方法的收斂誤差較低。

圖5 收斂誤差測試

5 結(jié)語

構(gòu)建一種優(yōu)化的大口徑魚雷水下引爆定位控制模型，結(jié)合對魚雷對敵目標(biāo)的深水探測和回波檢測技術(shù)，采用聲吶定位裝置，實現(xiàn)對大口徑魚雷水下引爆定位和自動引爆裝置設(shè)計。本文提出基于懸停駐留的大口徑魚雷水下引爆定位控制技術(shù)。建立大口徑魚雷的水下動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)模型，采用有限元分析方法建立魚雷水下懸停駐留的湍流模型，通過調(diào)整魚雷的位置和姿態(tài)，結(jié)合回波探測技術(shù)，采用定位掃描和懸停駐留技術(shù)實現(xiàn)魚雷因定位引爆控制。測試得知，本文方法的收斂誤差較低，沖激輸出響應(yīng)能力較強(qiáng)。