基于悬停驻留的大口径鱼雷水下引爆定位控制.pdf
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1、舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期1引言鱼雷作为水下制导武器,在反潜和反舰作战中发挥重要作用,鱼雷的攻击破坏性较大,在不发动实质攻击的前提下为提高大口径鱼雷的攻击对敌攻击的威慑力,需要在一定的安全距离下实现鱼雷引爆,对此需要构建一种优化的大口径鱼雷水下引爆定位控制模型,结合对鱼雷对敌目标的深水探测和回波检测技术,采用声呐定位装置,实现对大口径鱼雷水下引爆定位和自动引爆装置设计。研究相关的大口径鱼雷水下引爆定位控制技术,在优化鱼雷的对敌攻击应用效能方面具有重要意义。对大口径鱼雷水下引爆定位控制是建立在对整个水下航行阶段的运动模型分析技术,构建大口径鱼雷水下引爆定位控制约束参数,采用模糊
2、控制和多维约束参量自适应补偿方法,实现对大口径鱼收稿日期:2022年11月5日,修回日期:2022年12月10日作者简介:郑振,男,高级工程师,研究方向:水下制导武器技术保障。马蛟,男,硕士研究生,助理工程师,研究方向:武器装备保障。基于悬停驻留的大口径鱼雷水下引爆定位控制郑振马蛟(中国人民解放军91129部队海口570311)摘要大口径鱼雷用在深海反潜作战中,为了提高鱼雷对敌攻击的威慑能力,提出基于悬停驻留的大口径鱼雷水下引爆定位控制技术。建立大口径鱼雷的水下动力学和运动学模型,以大口径鱼雷航行的偏航角、俯仰角和横滚等信息为约束参量,采用鱼雷运动状态试验参数数据辨识水下流体动力参数和系统性能
3、参数,结合参数辨识法建立鱼雷动力学输入输出响应模型,采用有限元分析方法建立鱼雷水下悬停驻留的湍流模型,通过调整鱼雷的位置和姿态,结合回波探测技术,采用定位扫描和悬停驻留技术实现鱼雷因定位引爆控制。仿真结果表明,采用该方法进行大口径鱼雷水下引爆定位控制的定位精度较高,输出鲁棒性和稳定性较好,收敛误差较低。关键词悬停驻留;大口径鱼雷;水下引爆;定位控制;回波探测中图分类号TP273DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2023.05.042Positioning Control of Underwater Detonation of Large-caliberTorpedo B
4、ased on Hovering ResidencyZHENG ZhenMA Jiao(No.91129 Troops of PLA,Haikou570311)AbstractLarge-caliber torpedoes are used in the deep-sea anti-submarine warfare.In order to improve the deterrent abilityof torpedoes against the enemy,the underwater detonation positioning control technology of large-ca
5、liber torpedoes based on hovering is proposed.Underwater dynamics and kinematics model of large-caliber torpedo,with the information of yaw angle,pitch angleand roll of large-caliber torpedo as constraint parameters,identifies underwater hydrodynamic parameters and system performanceparameters by to
6、rpedo motion state test parameter data,establishes torpedo dynamic input-output response model by parameteridentification method,establishes torpedo underwater hovering turbulence model by finite element analysis method,adjusts torpedoposition and attitude,combines echo detection technology,and adop
7、ts positioning scanning and hovering technology to realize torpedo detonation control.The simulation results show that the positioning accuracy of underwater detonation positioning control oflarge-caliber torpedo is high,the output robustness and stability are good,and the convergence error is low.K
8、ey Wordshover and stay,large caliber torpedo,underwater detonation,positioning control,soundingClass NumberTP273总第 347 期2023 年第 5 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.5207总第347期雷水下引爆定位控制优化设计,传统方法中,对大口径鱼雷水下引爆定位控制方法主要有能量梯度修正的大口径鱼雷的航向校正方法、PID控制方法和神经元控制方法等,以大口径鱼雷航行的偏航角、俯仰角和横滚等信息为约束参量,进行鱼雷对敌攻
9、击的曲线修正和反馈跟踪控制,但传统方法进行大口径鱼雷水下引爆定位控制的可靠性不好,稳定性不好。针对上述问题,本文提出基于悬停驻留的大口径鱼雷水下引爆定位控制技术。建立大口径鱼雷的水下动力学和运动学模型,以大口径鱼雷航行的偏航角、俯仰角和横滚等信息为约束参量,采用鱼雷运动状态试验参数数据辨识水下流体动力参数和系统性能参数,结合参数辨识法建立鱼雷动力学输入输出响应模型,采用有限元分析方法建立鱼雷水下悬停驻留的湍流模型,通过调整鱼雷的位置和姿态,结合回波探测技术,采用定位扫描和悬停驻留技术实现鱼雷因定位引爆控制。最后进行实验测试分析,展示了本文方法在提高大口径鱼雷水下引爆定位控制能力方面的优越性能。
10、2大口径鱼雷的水下动力学和运动学模型及控制约束参量2.1大口径鱼雷的水下动力学和运动学模型构建为了实现对大口径鱼雷水下引爆定位控制,需要进行大口径鱼雷的运动数学模型分析,构建水下航行阶段的纵向运动数学模型,在建立大口径鱼雷的纵向运动模型之前,先做如下几点基本假设6:1)大口径鱼雷的外体结构为刚体模型,其外形关于水平面和水下纵向运动平面的交集坐标系x1Oy1对称;2)大口径鱼雷的偏航、横滚及阻尼力等参数满足线性假设;3)压载水舱排水并在垂直推进器的作用下上浮实现返航;4)近似认为大口径鱼雷的纵向运动平面坐标系为惯性坐标系。并定义关于大攻角时的流体动力特性的速度坐标系Ox3y3z3、体坐标系Ox1
11、y1z1、大地坐标系Ox2y2z2、球面坐标系Axyz。根据上述假设,对海底驻留时的流体动力特性进行运动性能参数研究,分别描述为mdVdt=Pcos-X-mgsin(1)mVddt=Psin+Y-mgcos(2)结合大口径鱼雷水下运动水下驻留涉及的驻留方案、流体动力特性分析,采用特征运动方程得到铅垂面运动方程为Ox2y2,计算流体力学得到大口径鱼雷绕体坐标系各轴运动的纵向运动数学模型描述为Jzdzdt+(Jy-Jx)yx+Jxy(2y-2x)=Mz(3)dxdt=Vcos(4)dydt=Vsin(5)ddt=z(6)=-(7)z=f(e1)(8)其中,为大口径鱼雷质心的弹道倾角;Mz为流体动力
12、、声学等各方面的优化目标参数。通过上述构建的大口径鱼雷的水下动力学和运动学模型,采用鱼雷运动状态试验参数数据辨识水下流体动力参数和系统性能参数,结合参数辨识法建立鱼雷动力学输入输出响应模型。2.2大口径鱼雷水下引爆定位的约束参量在上述构建的大口径鱼雷纵向运动数学模型的基础上,针对海底驻留UUV低航速、远航程的特点和要求,采用模型参数匹配,得到海底驻留UUV的外形优化模型参数和跟踪控制律为 CmdVdt=Iext-gNam3h(V-VNa)-gkn4(V-Vk)-gL(V-VL)dmdt=m(V)(1-m)-m(V)mdhdt=h(V)(1-h)-h(V)hdndt=n(V)(1-n)-n(V)
13、n(9)其中,V表示大口径鱼雷质心加速度,m和h分别是大口径鱼雷的转向约束变量,n是表示航行器头部丰满系数。Cm是阻力系数,Iext则表示流体动力布局模式下的水平、垂直鳍舵惯性参数。gNa、gk和gL是鱼雷对敌攻击的偏角、迎角、升阻比,反映了鱼雷的有效攻击区域内的定位参数。VNa、Vk和VL分别表示大口径鱼雷质心的速度、标准弹道平衡参数。由此得到鱼雷水下引爆定位动静力布局效果图如图1所示。3控制方法优化设计与实现3.1模糊参数融合和自适应参数调节的路径规划采用鱼雷运动状态试验参数数据辨识水下流体动力参数和系统性能参数,结合参数辨识法建立鱼雷动力学输入输出响应模型,进行鱼雷水下定位跟踪控制,本文
14、提出一种基于悬停驻留技术的大口郑振等:基于悬停驻留的大口径鱼雷水下引爆定位控制208舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期径鱼雷水下引爆定位控制方法。基于运动稳定性特征分析,分析UUV保持运动状态的能力,若海底驻留UUV在受扰动后,随着时间的增加,能够恢复到未扰动时的运动状态,则称运动是稳定的,否则便是不稳定的。采用Lyapunove自适应控制律,得到控制输入输出参量模型描述为 y1y2yn=1x11x1m-11x21x2m-11xn1xnm-101m-1+e1e2en(10)通过扰动参数分析,得到扰动运动方程组的参考输入模型为x(t)=Ax(t)+Bu(t)(11)将大口径鱼雷水下引爆
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