一种X舵潜艇掉深挽回方法技术

本发明专利技术属于潜艇掉深挽回控制技术领域，尤其涉及一种X舵潜艇掉深挽回方法。包括如下步骤：以潜艇重心为原点建立动坐标系，构建十字舵潜艇六自由度空间运动方程，构建X舵操纵力方程，构建X舵潜艇六自由度空间运动方程；利用四阶Runge‑Kutta法迭代求解X舵潜艇六自由度空间运动方程；构建首舵和X舵模糊控制器，确定X舵操纵相应规律，构建操舵模糊规则；本发明专利技术的X舵潜艇掉深挽回方法，显著提高了密度突变5‰的掉深挽回效率，抑制了深度的波动幅度，同时结合纵倾辅助挽回的方案，有效利用艇体姿态对掉深挽回的有益效果，不仅能够成功挽回密度突变1％的严重掉深，而且通过纵倾辅助缓解首舵的“压力”，使其具备继续操纵的能力，有效保障挽回成功率。

A method to retrieve the depth of x-rudder submarine

【技术实现步骤摘要】
一种X舵潜艇掉深挽回方法
本专利技术属于潜艇掉深挽回控制
，尤其涉及一种X舵潜艇掉深挽回方法。
技术介绍
近年来，为了适应新时代各项需求，潜艇航速不断提高，新的操纵面不断涌现，操艇难度及潜航危险性持续增大，同时，反潜技术的不断革新进一步压缩了潜艇的水下安全航行空间。因此如何提高潜艇故障条件下的挽回成功率，增强潜艇水下运动的安全性，充分发挥潜艇的性能，成为潜艇安全航行的重要指标。目前应对潜艇掉深的首选是高压气吹除主压载水舱配合姿态控制应急上浮的方式来脱险。但是一旦使用高压气，则潜艇必然上浮至水面来脱险，这对于潜艇的隐蔽性是非常不利的。
技术实现思路
本专利技术创造的目的在于，提供一种控制方案更加简单，应用效果更好，在尽可能不影响潜艇隐蔽性的前提下，有效实现不同程度下掉深挽回的X舵潜艇掉深挽回方法。为实现上述目的，本专利技术创造采用如下技术方案。本专利技术的一种X舵潜艇掉深挽回方法，包括如下步骤：步骤一、构建X舵潜艇空间运动模型，具体包括：A1、以潜艇重心为原点建立动坐标系，构建十字舵潜艇六自由度空间运动方程；包括其中，m为潜艇质量；Ii是潜艇对动坐标系坐标轴的转动惯量，i＝x、y、z，其中x向前为正方向，y向右为正方向，z向下为正方向；u、v、w为潜艇沿动坐标系坐标轴x、y、z的速度；p、q、r为潜艇沿动坐标系坐标轴X、Y、Z的旋转角速度，符合右手法测；X、Y、Z、K、M、N为潜艇所受水动力和力矩；A2、构建X舵操纵力方程式中：δj表示X舵角，j＝1,2,3,4；δ1、δ2、δ3、δ4分别是指X型尾舵的四片舵叶对应的舵角δ1、δ2、δ3、δ4分别是指，从潜艇尾部朝潜艇头部看，X型尾舵上位于第一象限、第三象限，第四象限、第二象限的四片舵叶对应的舵角；XX，YX，ZX表示由X舵产生的三个方向的操纵力；KX，MX，NX表示由X舵产生的三个方向的操纵力矩；A是指Y,Z,K,M,N；u(x)表示航速沿前进方向的分量；表示操舵引起流体动力的水动力导数，R＝X，Y，Z，K，M，N；A3、用公式②替换公式①中右侧水动力和力矩表达式中含有的尾升降舵和方向舵的对应项，构建X舵潜艇六自由度空间运动方程；A4、利用四阶Runge-Kutta法迭代求解X舵潜艇六自由度空间运动方程；步骤二、构建挽回模糊控制系统，具体包括：B1、构建首舵和X舵模糊控制器：式中，δb-H、δj-θ、δj-ψ为各舵相对被控量深度H、纵倾θ、横倾和航向ψ的模糊控制主体；ΔH为深度误差，ΔHc为深度误差变化率，Δθ为纵倾误差、Δθc为纵倾误差变化率、为横倾误差、为横倾误差变化率、Δψ为航向误差、Δψc为航向误差变化率；Qθ、Qψ分别为X舵对纵倾θ、横倾和航向ψ的控制权限，满足：Qθ+Qφ+Qψ＝1且Qθ×Qφ×Qψ>0；B2、确定X舵操纵相应规律，包括：正响应组：δb-H、δ1-ψ、δ2-ψ、负响应组：δ1-θ、δ2-θ、δ3-θ、δ3-ψ、δ4-θ、δ4-ψ；B3、确定X舵控制权限分配；模糊决策系统实现X舵控制权限的动态分配模糊决策规则矩阵：式中，ZE、PS、PM、PB分别表示采用三角形隶属度的标准模糊集零、正小、正中和正大，A和B取值为：θ和或者和ψ，或者θ和ψ；B4、构建操舵模糊规则；利用Mamdani模型设计模糊控制主体δb～H,δj-θ,和δj-ψ，确定输入变量ΔH、ΔHc、Δθ、Δθc、Δψ、Δψc以及输出变量δb、δj的论域：其中输入变量ΔH论域[-3,3]；ΔHc论域[-0.06,0.06]；Δθc论域[-3,3]；Δθc论域[-0.06,0.06]；论域[-3,3]，论域[-0.06,0.06]；Δψ论域[-20,20]；Δψc论域[-0.6,0.6]；输出变量δb论域[-25,25]，δj论域[-30,30]；将模糊控制器的8个输入变量和5个输出变量的模糊语言分为7个模糊集，分别是：NB--负大、NM--负中，NS--负小，ZE--零、PS--正小、PM--正中、PB--正大；构建被控量误差和误差变化率表达式：式中：tout-tin为时间步长；tout和tin分别是指迭代计算过程中前一步和后一步对应的的时间；其中δb～H的控制规则为：③式中：和分别为ΔH和ΔHc属于模糊集Kα和Mβ【这两个模糊集是否是根据前文可直接得到的隶属度；根据公式③，即可得到X舵对横倾、纵倾和航向的控制规则对应如下：其中，通过将矩阵中表示正负的N和B互换得到。对前述X舵潜艇掉深挽回方法的进一步细化，还包括步骤三、引入智能模糊积分，具体是指：对误差积累进行控制输出，具体可表达为当系统状态朝着被控量误差增大的方向变化过程中，当误差的变化有利于向目标值收敛，积分环节不起作用；当误差的变化趋势向远离目标值方向发散，启动积分环节：其中，∫δj-θ、和∫δj-ψ采用模糊控制方法，控制器输入为深度H，纵倾θ、横倾航向ψ的误差和误差变化；首舵控制和X舵控制姿态的深度积分环节规则可表示为：式中ZE表示0方阵，A，B表示积分模糊规则矩阵。对前述X舵潜艇掉深挽回方法的进一步细化，还包括步骤T1：在潜艇遭遇密度阶跃变化不大于5‰的掉深险情时，采用掉深挽回模糊控制系统和操舵+排水的策略对掉深险情进行挽回控制。对前述X舵潜艇掉深挽回方法的进一步细化，还包括步骤S1：在潜艇遭遇密度阶跃变化为5‰～1％的掉深险情时，采用纵倾角辅助掉深挽回的控制策略，具体是指：当首舵挽回控制输出达到极限舵角时，采用辅助纵倾来缓解首舵的挽回压力，辅助纵倾角由下述公式得到：θaim＝k·ΔH·u1/2θaim＝θaim+θswhenδb≥δmaxθaim＝θaim-θswhenδb≤-δmax|θaim|≤θmax式中：θaim为辅助挽回纵倾，深度误差越大时θaim越大，u为航速沿艇首的分量，k＜0；θs为θaim的调节量，当首舵控制输出超限时开启；θmax为纵倾辅助策略的纵倾限制。对前述X舵潜艇掉深挽回方法的进一步细化，所述步骤S1中：k＝-0.8，，取θs＝0.005°，θmax＝10°。对前述X舵潜艇掉深挽回方法的进一步细化，还包括步骤S2：在潜艇遭遇密度阶跃变化大于1％的，或者步骤S1无法应对的掉深险情时，将航速指令设定为水下最高航速。其有益效果在于：(1)本专利技术的X舵潜艇掉深挽回方法，消除了系统的静差，显著提高了密度突变5‰的掉深挽回效率，且较好抑制了深度的波动幅度，由5m减小至0.8m。(2)提出纵倾辅助挽回的方案，有效利用艇体姿态对掉深挽回的有益效果，不仅能够成功挽回密度突变1％的严重掉深，而且通过纵倾辅助缓解首舵的“压力”本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种X舵潜艇掉深挽回方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一、构建X舵潜艇空间运动模型，具体包括：/nA1、以潜艇重心为原点建立动坐标系，构建十字舵潜艇六自由度空间运动方程；/n包括①

【技术特征摘要】
1.一种X舵潜艇掉深挽回方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、构建X舵潜艇空间运动模型，具体包括：
A1、以潜艇重心为原点建立动坐标系，构建十字舵潜艇六自由度空间运动方程；
包括①
其中，m为潜艇质量；Ii是潜艇对动坐标系坐标轴的转动惯量，i＝x、y、z，其中x向前为正方向，y向右为正方向，z向下为正方向；u、v、w为潜艇沿动坐标系坐标轴x、y、z的速度；p、q、r为潜艇沿动坐标系坐标轴X、Y、Z的旋转角速度，符合右手法测；X、Y、Z、K、M、N为潜艇所受水动力和力矩；
A2、构建X舵操纵力方程
②
式中：δj表示X舵角，j＝1,2,3,4；δ1、δ2、δ3、δ4分别是指，从潜艇尾部朝潜艇头部看，X型尾舵上位于第一象限、第三象限，第四象限、第二象限的四片舵叶对应的舵角；
XX，YX，ZX表示由X舵产生的三个方向的操纵力；
KX，MX，NX表示由X舵产生的三个方向的操纵力矩；
A是指Y,Z,K,M,N；u(x)表示航速沿前进方向的分量；

表示操舵引起流体动力的水动力导数，R＝X，Y，Z，K，M，N；
A3、用公式②替换公式①中右侧水动力和力矩表达式中含有的尾升降舵和方向舵的对应项，构建X舵潜艇六自由度空间运动方程；
A4、利用四阶Runge-Kutta法迭代求解X舵潜艇六自由度空间运动方程；
步骤二、构建挽回模糊控制系统，具体包括：
B1、构建首舵和X舵模糊控制器：



式中，δb-H、δj-θ、δj-ψ为各舵相对被控量深度H、纵倾θ、横倾和航向ψ的模糊控制主体；ΔH为深度误差，ΔHc为深度误差变化率，Δθ为纵倾误差、Δθc为纵倾误差变化率、为横倾误差、为横倾误差变化率、Δψ为航向误差、Δψc为航向误差变化率；Qθ、Qψ分别为X舵对纵倾θ、横倾和航向ψ的控制权限，满足：且
B2、确定X舵操纵相应规律，包括：
正响应组：δb-H、δ1-ψ、δ2-ψ、
负响应组：δ1-θ、δ2-θ、δ3-θ、δ3-ψ、δ4-θ、δ4-ψ；
B3、确定X舵控制权限分配；
模糊决策系统实现X舵控制权限的动态分配模糊决策规则矩阵：



式中，ZE、PS、PM、PB分别表示采用三角形隶属度的标准模糊集零、正小、正中和正大，A和B取值为：θ和或者和ψ，或者θ和ψ；
B4、构建操舵模糊规则；
利用Mamdani模型设计模糊控制主体δb～H,δj-θ,和δj-ψ，确定输入变量ΔH、ΔHc、Δθ、Δθc、Δψ、Δψc以及输出变量δb、δj的论域：
其中输入变量ΔH论域[-3,3]；ΔHc论域[-0.06,0.06]；Δθc论域[-3,3]；Δθc论域[-0.06,0.06]；论域[-3,3]，论域[-0.06,0.06]；Δψ论域[-20,20]；Δψc论域[-0.6,0.6]；输出变量δb论域[-25,25]，δj论域...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄斌，吕帮俊，彭利坤，何曦光，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42