[發(fā)明專利]一種跨介質(zhì)時(shí)變流體參數(shù)在線估計(jì)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711494895.9
• 申請(qǐng)日: 2017-12-31
• 公開（公告）號(hào): CN108332939B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱曉萌;劉宇;馬曉川;鄢社鋒;侯朝煥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所
• 主分類號(hào): G01M10/00
• 分類號(hào): G01M10/00
• 代理公司: 北京億騰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11309
• 代理人: 陳霽

本發(fā)明公開了一種跨介質(zhì)時(shí)變流體參數(shù)在線估計(jì)的方法，所述方法包括：針對(duì)水下航行器，在跨介質(zhì)入水過程中的時(shí)變參數(shù)建立指數(shù)過程和隨機(jī)白噪聲疊加的數(shù)學(xué)模型；利用自適應(yīng)UKF濾波算法，對(duì)跨介質(zhì)入水過程的阻尼系數(shù)和舵力矩系數(shù)進(jìn)行在線估計(jì)。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，通過自適應(yīng)在線估計(jì)水下航行器跨介質(zhì)階段阻尼系數(shù)以及舵力矩系數(shù)，結(jié)合傳感器測(cè)量和高性能控制器，可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，抑制流體干擾，優(yōu)化彈道性能，且多種態(tài)勢(shì)仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法在實(shí)際應(yīng)用中的有效性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下航行器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及尤其涉及水下航行器時(shí)變流體參數(shù)估計(jì)算法，具體為一種跨介質(zhì)時(shí)變流體參數(shù)在線估計(jì)的方法。

背景技術(shù)

水下航行器由空中以一定的速度穿越自由液面進(jìn)入水中，跨越水、氣兩種介質(zhì)的交界面過程稱為跨介質(zhì)的入水過程。航行器在入水前，受空中多種因素的影響，如風(fēng)向、風(fēng)速、艦船的搖擺、飛機(jī)(直升機(jī))的高度、速度和海況等隨機(jī)因素影響，造成航行器入水初始條件具有很大的隨機(jī)性和離散性。另外，航行器在入水過程中，涉及到空化、湍動(dòng)、穿越自由液面等復(fù)雜物理現(xiàn)象；同時(shí)受到自由面波動(dòng)的影響，使跨介質(zhì)航行器具有復(fù)雜的非定常、非線性流體動(dòng)力特性。

1、航行器跨介質(zhì)入水過程：

水下航行器跨介質(zhì)入水，經(jīng)受入水沖擊，空泡產(chǎn)生、帶空泡在水中運(yùn)動(dòng)、空泡潰滅、動(dòng)力系統(tǒng)啟動(dòng)、螺旋槳從被動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)為主動(dòng)態(tài)，最終達(dá)到恒定轉(zhuǎn)速等一系列過程。因此，水下航行器跨介質(zhì)入水過程是和空泡緊密相連的，根據(jù)空泡的特性變化，全沾濕段之前可分為4個(gè)階段：

流動(dòng)形成階段：航行器剛?cè)胨畷r(shí)，在靜止的水中建立一個(gè)流場(chǎng)，同時(shí)經(jīng)受到最大的入水加速度，這時(shí)的力最具破壞性，影響也最大。

開口空泡階段：當(dāng)航行器從水面進(jìn)入水下時(shí)，在航行體周圍產(chǎn)生一個(gè)空氣泡，該空泡的上端(水面)對(duì)大氣是敞開的，并隨著入水深度增加，不斷增長(zhǎng)變長(zhǎng)，甚至可達(dá)數(shù)倍航行體長(zhǎng)，然后才在空泡的上端封閉。在開口空泡階段，對(duì)斜入水航行器，在其頭部的下側(cè)，優(yōu)于壓力的降低可能產(chǎn)生局部封閉的蒸汽空泡。

封閉空泡：該階段中航行器為封閉的空泡所包圍，航行體帶著空泡一起航行。當(dāng)航行深度不斷增加，空泡外圍壓力隨之增加，封閉空泡在內(nèi)外壓差的作用下逐漸變小。

空泡潰滅階段：封閉空泡尺度減小到一定程度時(shí)，先在航行器的尾部潰滅，然后在其他部分逐漸潰滅。

經(jīng)過以上過程，水下航行器受各種干擾力、力矩作用，導(dǎo)致入水速度是時(shí)變的，由于阻力的作用首先減速，動(dòng)力系統(tǒng)啟動(dòng)后又經(jīng)歷一個(gè)加速過程。因此，大范圍的速度變化，會(huì)對(duì)航行體的流體動(dòng)力產(chǎn)生較大的影響。另外，從頭部觸水，到空泡消失，姿態(tài)基本穩(wěn)定整個(gè)跨介質(zhì)過程，姿態(tài)變化同樣較大，航行體和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(舵)可能反復(fù)經(jīng)歷出水、入水的過程，也會(huì)導(dǎo)致在此期間水下航行器自身流體動(dòng)力參數(shù)變化較大，而舵力距系數(shù)隨之發(fā)生較大變化。

對(duì)于水下航行器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，在跨介質(zhì)入水階段，由于空泡的影響，流體動(dòng)力參數(shù)不穩(wěn)定，此時(shí)，如果采用正常航行時(shí)的流體參數(shù)設(shè)計(jì)控制器，會(huì)導(dǎo)致航行器穩(wěn)定閉環(huán)穩(wěn)定性較差，甚至失穩(wěn)。

目前，入水過程的流體參數(shù)估計(jì)主要采用進(jìn)行外場(chǎng)空投試驗(yàn)，通過實(shí)測(cè)的方法得到航行器的跨介質(zhì)入水過程運(yùn)動(dòng)參數(shù)，但需要耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力和物力。

2、基于非線性自適應(yīng)濾波的時(shí)變流體參數(shù)估計(jì)

一般來說，航行器流體參數(shù)估計(jì)，屬于參數(shù)辨識(shí)問題，主要解決當(dāng)系統(tǒng)模型己知的條件下，確定模型中的一些未知參數(shù)的問題。通常意義下的水下航行器參數(shù)辨識(shí)是一個(gè)系統(tǒng)工程，包括四部分：①試驗(yàn)設(shè)計(jì)，使試驗(yàn)?zāi)転楸孀R(shí)提供含有足夠信息量且信息分布均勻的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；②模型結(jié)果確定，即從候選模型集中，根據(jù)一定的準(zhǔn)則和經(jīng)驗(yàn)，選出最優(yōu)的模型構(gòu)式；③參數(shù)辨識(shí)，根據(jù)辨識(shí)準(zhǔn)則和數(shù)據(jù)求取模型中待定參數(shù)，這是辨識(shí)定量研究的核心階段；④模型檢驗(yàn)，確認(rèn)所得模型是否確實(shí)反映了航行器動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中的本質(zhì)屬性。這四個(gè)部分環(huán)環(huán)相扣，缺一不可，要反復(fù)進(jìn)行，直到對(duì)所得流體動(dòng)力模型滿意為止。