潛艇低噪聲操舵二自由度控制策略研究

林超 郭亦平 徐雪峰

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○七研究所九江分部，九江，332007）

隱蔽性是潛艇的重要特性之一，隨著國(guó)外水下探測(cè)技術(shù)的發(fā)展以及我海軍戰(zhàn)略的改變，盡快提高潛艇聲隱身能力是當(dāng)前我國(guó)潛艇技術(shù)發(fā)展的迫切需求和中心任務(wù)之一。作為潛艇航行、武器發(fā)射和平臺(tái)保障等不可或缺的潛艇操縱控制系統(tǒng)，主要包括操舵控制分系統(tǒng)、均衡懸停控制分系統(tǒng)和潛浮控制分系統(tǒng)三部分。系統(tǒng)設(shè)備多、使用頻率高、噪聲種類(lèi)繁多，產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲是影響潛艇隱身性的關(guān)鍵因素之一。

本文在潛艇操舵控制系統(tǒng)噪聲特性分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)開(kāi)展?jié)撏У驮肼暫叫胁倏v控制策略研究，降低潛艇的噪聲水平，為安靜操艇提供控制方法。

1 操舵系統(tǒng)噪聲特性分析

潛艇是一個(gè)復(fù)雜的噪聲源分布體，通常認(rèn)為潛艇噪聲由機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲三部分組成[1]。在低速時(shí)主要為機(jī)械噪聲，在中高速時(shí)主要為螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲，各噪聲源具有非線(xiàn)性、時(shí)變性和不確定性，以及相互影響和耦合作用[2]。用于有航速時(shí)的潛艇運(yùn)動(dòng)控制的操舵控制分系統(tǒng)，系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲涵蓋了潛艇所有的噪聲源類(lèi)型。潛艇操舵控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 潛艇操舵控制系統(tǒng)原理圖

潛艇操舵控制系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲主要包括以下幾個(gè)方面：

◆ 舵系統(tǒng)傳動(dòng)裝置機(jī)械設(shè)備引起的振動(dòng)和噪聲；

◆ 舵系統(tǒng)液壓管路和液壓控制部件引起的振動(dòng)和噪聲；

◆ 舵面運(yùn)動(dòng)在艇體周?chē)a(chǎn)生的局部流場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)螺旋槳噪聲的影響；

◆ 潛艇機(jī)動(dòng)引起的水動(dòng)力噪聲；

◆ 潛艇機(jī)動(dòng)時(shí)艇體周?chē)蟪叨确蔷鶆蛄鲌?chǎng)的改變對(duì)螺旋槳噪聲的影響。

此外，系統(tǒng)中機(jī)械、液壓部件存在的安裝誤差、裝配誤差、間隙及死區(qū)，航向、航速和舵角等測(cè)量裝置存在的測(cè)量誤差、零漂、溫漂及電氣隨機(jī)干擾，都將以不同的形式傳遞并影響操舵噪聲。

理論分析和實(shí)艇測(cè)試表明，低噪聲操舵應(yīng)盡量減少對(duì)螺旋槳上游尾流場(chǎng)的擾動(dòng)，主要表現(xiàn)為以下3方面[3]。

◆ 潛艇在進(jìn)行機(jī)動(dòng)時(shí)，舵偏轉(zhuǎn)將在潛艇艉部和操縱面上產(chǎn)生渦流，從而使艉流在螺旋槳處產(chǎn)生一個(gè)很大速度波動(dòng)，甚至產(chǎn)生空泡噪聲。為減小操舵對(duì)尾部流場(chǎng)的擾動(dòng)，變深機(jī)動(dòng)時(shí)的指令縱傾角及回轉(zhuǎn)角速度應(yīng)限制為小量值，艉升降舵、方向舵采用小舵角；由于圍殼舵相對(duì)艉升降舵對(duì)潛艇尾流場(chǎng)的擾動(dòng)較小，定深直航運(yùn)動(dòng)及變深機(jī)動(dòng)時(shí)，應(yīng)多用圍殼舵，少用艉升降舵[4]。

◆ 轉(zhuǎn)舵速率的提高將導(dǎo)致潛艇機(jī)動(dòng)過(guò)程中輻射噪聲的增大，為減少在操舵開(kāi)始及結(jié)束時(shí)的轉(zhuǎn)舵效應(yīng)，減小液壓系統(tǒng)中液體流動(dòng)強(qiáng)度，文獻(xiàn)[5]中要求轉(zhuǎn)舵速率小于2～4°/s。

◆ 頻繁操舵將引起液壓沖擊和舵裝置的振動(dòng)噪聲，通過(guò)艇體向外輻射，嚴(yán)重時(shí)可超過(guò)主機(jī)低速工作時(shí)所造成的輻射噪聲。因此，應(yīng)減少轉(zhuǎn)舵換向次數(shù)及其變化，降低操舵噪聲。

綜上所述，在低速航行時(shí)應(yīng)以操舵噪聲指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)的約束條件，在保證必要的控制指標(biāo)和機(jī)動(dòng)要求的前提下，兼顧潛艇操縱能力與噪聲性能，設(shè)計(jì)合理的操舵控制策略，以盡量小的舵角、盡量少的轉(zhuǎn)舵次數(shù)、盡量慢的轉(zhuǎn)舵速度來(lái)控制潛艇運(yùn)動(dòng)，減少操舵對(duì)艇體特別是艉部流場(chǎng)的擾動(dòng)，使由操舵不當(dāng)引起的噪聲得到有效控制。

2 低噪聲二自由度操縱控制策略設(shè)計(jì)

典型反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖中，r、d和n分別為系統(tǒng)的設(shè)定值輸入、擾動(dòng)輸入和噪聲輸入。Gc(s)為控制器，Gp(s)為被控對(duì)象。

圖2 典型反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采用最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)控制器Gc(s)，首先需要對(duì)潛艇非線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行線(xiàn)性化處理，得到的潛艇線(xiàn)性化數(shù)學(xué)模型如下所示。

其中，x為潛艇的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，δ為舵偏角，y為輸出量，A為狀態(tài)矩陣，B為控制矩陣，C為輸出矩陣。

為求取最優(yōu)狀態(tài)反饋控制律u，引入舵機(jī)液壓傳動(dòng)裝置線(xiàn)性方程，

聯(lián)立方程（1）和（2），可得最優(yōu)狀態(tài)反饋控制律為，

其中，最優(yōu)狀態(tài)反饋控制律系數(shù)K，可通過(guò)表示系統(tǒng)控制性能和表示控制量與能耗的控制變量的二次型性能泛函求取。

其中，Q為半正定狀態(tài)量加權(quán)矩陣，R為正定控制量加權(quán)矩陣。如果想提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，則可增大Q中相應(yīng)元素的權(quán)重；如果想抑制舵角的幅值及控制能耗，則可提高R中相應(yīng)元素的權(quán)重，Q和R的選擇是相互制約的。

由于潛艇操縱控制系統(tǒng)中部分狀態(tài)量沒(méi)有測(cè)量裝置，需利用狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行觀測(cè)或重構(gòu)，觀測(cè)器數(shù)學(xué)模型可表示為：

其中，G為觀測(cè)器增益矩陣。由現(xiàn)代控制理論知，觀測(cè)器的漸近穩(wěn)定性和誤差動(dòng)態(tài)方程的響應(yīng)速度由矩陣 A-GC決定，為使觀測(cè)器誤差動(dòng)態(tài)方程以足夠快的響應(yīng)速度漸近穩(wěn)定，需選擇合適的 G，使得A-GC具有所期望的特征值。

由此，可得最優(yōu)狀態(tài)反饋控制器Gc(s)的輸出：

其中，系數(shù)μ和v可利用最優(yōu)控制方法求取。

圖2所示的典型反饋控制系統(tǒng)中，設(shè)定值跟隨性能和干擾抑制性能均由控制器Gc(s)來(lái)調(diào)節(jié)，是一個(gè)單自由度控制系統(tǒng)。如果希望控制系統(tǒng)具有很好的設(shè)定值跟隨性能，需要犧牲干擾抑制性能，反之亦然[6]。

為使控制系統(tǒng)干擾抑制特性和設(shè)定值跟隨特性可以單獨(dú)調(diào)整，在典型反饋控制系統(tǒng)中加入前置濾波器F(s)，構(gòu)成二自由度控制器，二自由度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 二自由度控制器結(jié)構(gòu)圖

利用前置濾波器 F(s)對(duì)指令信號(hào)進(jìn)行柔化處理，使控制系統(tǒng)具有很好的設(shè)定值跟隨特性，前置濾波：

其中，阻尼比ξ和自然頻率nω根據(jù)潛艇動(dòng)態(tài)特性適當(dāng)選取。

3 仿真與結(jié)果分析

為驗(yàn)證在舵機(jī)約束條件下設(shè)計(jì)的潛艇低噪聲二自由度操舵控制策略的控制效果，本文采用Matlab/Simulink進(jìn)行了仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。

航速6 kn，深度30 m，初始航向0°，圍殼舵和艉舵最大舵角限制分別為25°和30°，最大舵速限制為3°/s，利用設(shè)計(jì)的低噪聲二自由度操舵控制策略對(duì)某型艇進(jìn)行30 m定向變深仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果見(jiàn)圖4～圖9。

圖4 深度變化曲線(xiàn)

圖5 縱傾變化曲線(xiàn)

圖6 圍殼舵舵角變化曲線(xiàn)

圖7 圍殼舵舵速變化曲線(xiàn)

圖8 艉舵舵角變化曲線(xiàn)

圖9 艉舵舵速變化曲線(xiàn)

仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1和表2所示。經(jīng)分析可知：采用二自由度操舵控制策略進(jìn)行變深運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，深度穩(wěn)定精度變化不大，但明顯減小了深度超調(diào)量，增加了變深過(guò)程過(guò)渡時(shí)間；二自由度操舵控制策略大幅減少了變深過(guò)程操舵次數(shù)，減小了最大操舵角和最大操舵速。在保證必要的控制性能指標(biāo)前提下，采用低噪聲操舵二自由度控制策略，可以降低操舵速度、減小操舵角和減少操舵次數(shù)，對(duì)于潛艇低噪聲航行操操控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的意義。

表1 深度和縱傾仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表2 圍殼舵和艉舵仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語(yǔ)

與單自由度控制相比，本文設(shè)計(jì)的二自由度控制策略以更低的操舵速度、更小的操舵角、更少的操舵次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了潛艇變深運(yùn)動(dòng)的操縱控制，可以在一定程度上降低潛艇由操舵引起的噪聲，對(duì)于提高潛艇航行時(shí)的隱蔽性具有重要的意義。然而，潛艇的航行噪聲與操舵速度、操舵角、操舵次數(shù)之間的關(guān)系仍需進(jìn)行深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

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