林超 郭亦平 徐雪峰

（中國船舶重工集團公司第七○七研究所九江分部，九江，332007）

隱蔽性是潛艇的重要特性之一，隨著國外水下探測技術的發(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前我國潛艇技術發(fā)展的迫切需求和中心任務之一。作為潛艇航行、武器發(fā)射和平臺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?？刂品窒到y(tǒng)和潛浮控制分系統(tǒng)三部分。系統(tǒng)設備多、使用頻率高、噪聲種類繁多，產生的振動與噪聲是影響潛艇隱身性的關鍵因素之一。

本文在潛艇操舵控制系統(tǒng)噪聲特性分析的基礎上，通過開展?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

潛艇是一個復雜的噪聲源分布體，通常認為潛艇噪聲由機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲三部分組成[1]。在低速時主要為機械噪聲，在中高速時主要為螺旋槳噪聲和水動力噪聲，各噪聲源具有非線性、時變性和不確定性，以及相互影響和耦合作用[2]。用于有航速時的潛艇運動控制的操舵控制分系統(tǒng)，系統(tǒng)工作時產生的噪聲涵蓋了潛艇所有的噪聲源類型。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)產生的噪聲主要包括以下幾個方面：

◆ 舵系統(tǒng)傳動裝置機械設備引起的振動和噪聲；

◆ 舵系統(tǒng)液壓管路和液壓控制部件引起的振動和噪聲；

◆ 舵面運動在艇體周圍產生的局部流場擾動對螺旋槳噪聲的影響；

◆ 潛艇機動引起的水動力噪聲；

◆ 潛艇機動時艇體周圍大尺度非均勻流場的改變對螺旋槳噪聲的影響。

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

理論分析和實艇測試表明，低噪聲操舵應盡量減少對螺旋槳上游尾流場的擾動，主要表現(xiàn)為以下3方面[3]。

◆ 潛艇在進行機動時，舵偏轉將在潛艇艉部和操縱面上產生渦流，從而使艉流在螺旋槳處產生一個很大速度波動，甚至產生空泡噪聲。為減小操舵對尾部流場的擾動，變深機動時的指令縱傾角及回轉角速度應限制為小量值，艉升降舵、方向舵采用小舵角；由于圍殼舵相對艉升降舵對潛艇尾流場的擾動較小，定深直航運動及變深機動時，應多用圍殼舵，少用艉升降舵[4]。

◆ 轉舵速率的提高將導致潛艇機動過程中輻射噪聲的增大，為減少在操舵開始及結束時的轉舵效應，減小液壓系統(tǒng)中液體流動強度，文獻[5]中要求轉舵速率小于2～4°/s。

◆ 頻繁操舵將引起液壓沖擊和舵裝置的振動噪聲，通過艇體向外輻射，嚴重時可超過主機低速工作時所造成的輻射噪聲。因此，應減少轉舵換向次數(shù)及其變化，降低操舵噪聲。

綜上所述，在低速航行時應以操舵噪聲指標作為目標函數(shù)的約束條件，在保證必要的控制指標和機動要求的前提下，兼顧潛艇操縱能力與噪聲性能，設計合理的操舵控制策略，以盡量小的舵角、盡量少的轉舵次數(shù)、盡量慢的轉舵速度來控制潛艇運動，減少操舵對艇體特別是艉部流場的擾動，使由操舵不當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計

典型反饋控制系統(tǒng)結構圖如圖2所示。圖中，r、d和n分別為系統(tǒng)的設定值輸入、擾動輸入和噪聲輸入。Gc(s)為控制器，Gp(s)為被控對象。

圖2 典型反饋控制系統(tǒng)結構圖

采用最優(yōu)控制器設計方法設計控制器Gc(s)，首先需要對潛艇非線性數(shù)學模型進行線性化處理，得到的潛艇線性化數(shù)學模型如下所示。

其中，x為潛艇的運動狀態(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，引入舵機液壓傳動裝置線性方程，

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)量加權矩陣，R為正定控制量加權矩陣。如果想提高系統(tǒng)的響應速度，則可增大Q中相應元素的權重；如果想抑制舵角的幅值及控制能耗，則可提高R中相應元素的權重，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)量沒有測量裝置，需利用狀態(tài)觀測器對狀態(tài)變量進行觀測或重構，觀測器數(shù)學模型可表示為：

其中，G為觀測器增益矩陣。由現(xiàn)代控制理論知，觀測器的漸近穩(wěn)定性和誤差動態(tài)方程的響應速度由矩陣 A-GC決定，為使觀測器誤差動態(tài)方程以足夠快的響應速度漸近穩(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，設定值跟隨性能和干擾抑制性能均由控制器Gc(s)來調節(jié)，是一個單自由度控制系統(tǒng)。如果希望控制系統(tǒng)具有很好的設定值跟隨性能，需要犧牲干擾抑制性能，反之亦然[6]。

為使控制系統(tǒng)干擾抑制特性和設定值跟隨特性可以單獨調整，在典型反饋控制系統(tǒng)中加入前置濾波器F(s)，構成二自由度控制器，二自由度控制系統(tǒng)結構圖如圖3所示。

圖3 二自由度控制器結構圖

利用前置濾波器 F(s)對指令信號進行柔化處理，使控制系統(tǒng)具有很好的設定值跟隨特性，前置濾波：

其中，阻尼比ξ和自然頻率nω根據(jù)潛艇動態(tài)特性適當選取。

3 仿真與結果分析

為驗證在舵機約束條件下設計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進行了仿真試驗驗證。

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，利用設計的低噪聲二自由度操舵控制策略對某型艇進行30 m定向變深仿真試驗，仿真結果見圖4～圖9。

圖4 深度變化曲線

圖5 縱傾變化曲線

圖6 圍殼舵舵角變化曲線

圖7 圍殼舵舵速變化曲線

圖8 艉舵舵角變化曲線

圖9 艉舵舵速變化曲線

仿真結果統(tǒng)計如表1和表2所示。經分析可知：采用二自由度操舵控制策略進行變深運動控制時，深度穩(wěn)定精度變化不大，但明顯減小了深度超調量，增加了變深過程過渡時間；二自由度操舵控制策略大幅減少了變深過程操舵次數(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)，對于潛艇低噪聲航行操操控系統(tǒng)的設計具有重要的意義。

表1 深度和縱傾仿真結果統(tǒng)計表

表2 圍殼舵和艉舵仿真結果統(tǒng)計表

4 結語

與單自由度控制相比，本文設計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)，實現(xiàn)了潛艇變深運動的操縱控制，可以在一定程度上降低潛艇由操舵引起的噪聲，對于提高潛艇航行時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)之間的關系仍需進行深入的研究。

參考文獻：

[1]施引,朱石堅,何琳.艦船動力機械噪聲及其控制[M].北京：國防工業(yè)出版社, 1990.

[2]熊凱軍,浦金云.潛艇降噪效果模糊綜合評估[J].船海工程, 2004, 159(2)：4-6.

[3]黃健鷹.潛艇操縱隱身技術探討[C].船舶通訊導航學術會議, 2006.

[4]王京齊，朱春景，楊衛(wèi)東，等.潛艇低噪聲安靜操縱控制技術研究[J].武漢理工大學學報, 2011, 35(2)：257-260.

[5] CREPEL J L，BOVIS A G. New trends in the design of steering and diving control systems[C]. 3th Sympoisium on Naval Hydrodynamics, 1991.

[6]張井崗.二自由度控制[M].北京：電子工業(yè)出版社,2012.