潜艇低噪声操舵二自由度控制策略研究

林超 郭亦平 徐雪峰

（中国船舶重工集团公司第七○七研究所九江分部，九江，332007）

隐蔽性是潜艇的重要特性之一，随着国外水下探测技术的发展以及我海军战略的改变，尽快提高潜艇声隐身能力是当前我国潜艇技术发展的迫切需求和中心任务之一。作为潜艇航行、武器发射和平台保障等不可或缺的潜艇操纵控制系统，主要包括操舵控制分系统、均衡悬停控制分系统和潜浮控制分系统三部分。系统设备多、使用频率高、噪声种类繁多，产生的振动与噪声是影响潜艇隐身性的关键因素之一。

本文在潜艇操舵控制系统噪声特性分析的基础上，通过开展潜艇低噪声航行操纵控制策略研究，降低潜艇的噪声水平，为安静操艇提供控制方法。

1 操舵系统噪声特性分析

潜艇是一个复杂的噪声源分布体，通常认为潜艇噪声由机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三部分组成[1]。在低速时主要为机械噪声，在中高速时主要为螺旋桨噪声和水动力噪声，各噪声源具有非线性、时变性和不确定性，以及相互影响和耦合作用[2]。用于有航速时的潜艇运动控制的操舵控制分系统，系统工作时产生的噪声涵盖了潜艇所有的噪声源类型。潜艇操舵控制系统原理图如图1所示。

图1 潜艇操舵控制系统原理图

潜艇操舵控制系统产生的噪声主要包括以下几个方面：

◆ 舵系统传动装置机械设备引起的振动和噪声；

◆ 舵系统液压管路和液压控制部件引起的振动和噪声；

◆ 舵面运动在艇体周围产生的局部流场扰动对螺旋桨噪声的影响；

◆ 潜艇机动引起的水动力噪声；

◆ 潜艇机动时艇体周围大尺度非均匀流场的改变对螺旋桨噪声的影响。

此外，系统中机械、液压部件存在的安装误差、装配误差、间隙及死区，航向、航速和舵角等测量装置存在的测量误差、零漂、温漂及电气随机干扰，都将以不同的形式传递并影响操舵噪声。

理论分析和实艇测试表明，低噪声操舵应尽量减少对螺旋桨上游尾流场的扰动，主要表现为以下3方面[3]。

◆ 潜艇在进行机动时，舵偏转将在潜艇艉部和操纵面上产生涡流，从而使艉流在螺旋桨处产生一个很大速度波动，甚至产生空泡噪声。为减小操舵对尾部流场的扰动，变深机动时的指令纵倾角及回转角速度应限制为小量值，艉升降舵、方向舵采用小舵角；由于围壳舵相对艉升降舵对潜艇尾流场的扰动较小，定深直航运动及变深机动时，应多用围壳舵，少用艉升降舵[4]。

◆ 转舵速率的提高将导致潜艇机动过程中辐射噪声的增大，为减少在操舵开始及结束时的转舵效应，减小液压系统中液体流动强度，文献[5]中要求转舵速率小于2～4°/s。

◆ 频繁操舵将引起液压冲击和舵装置的振动噪声，通过艇体向外辐射，严重时可超过主机低速工作时所造成的辐射噪声。因此，应减少转舵换向次数及其变化，降低操舵噪声。

综上所述，在低速航行时应以操舵噪声指标作为目标函数的约束条件，在保证必要的控制指标和机动要求的前提下，兼顾潜艇操纵能力与噪声性能，设计合理的操舵控制策略，以尽量小的舵角、尽量少的转舵次数、尽量慢的转舵速度来控制潜艇运动，减少操舵对艇体特别是艉部流场的扰动，使由操舵不当引起的噪声得到有效控制。

2 低噪声二自由度操纵控制策略设计

典型反馈控制系统结构图如图2所示。图中，r、d和n分别为系统的设定值输入、扰动输入和噪声输入。Gc(s)为控制器，Gp(s)为被控对象。

图2 典型反馈控制系统结构图

采用最优控制器设计方法设计控制器Gc(s)，首先需要对潜艇非线性数学模型进行线性化处理，得到的潜艇线性化数学模型如下所示。

其中，x为潜艇的运动状态，δ为舵偏角，y为输出量，A为状态矩阵，B为控制矩阵，C为输出矩阵。

为求取最优状态反馈控制律u，引入舵机液压传动装置线性方程，

联立方程（1）和（2），可得最优状态反馈控制律为，

其中，最优状态反馈控制律系数K，可通过表示系统控制性能和表示控制量与能耗的控制变量的二次型性能泛函求取。

其中，Q为半正定状态量加权矩阵，R为正定控制量加权矩阵。如果想提高系统的响应速度，则可增大Q中相应元素的权重；如果想抑制舵角的幅值及控制能耗，则可提高R中相应元素的权重，Q和R的选择是相互制约的。

由于潜艇操纵控制系统中部分状态量没有测量装置，需利用状态观测器对状态变量进行观测或重构，观测器数学模型可表示为：

其中，G为观测器增益矩阵。由现代控制理论知，观测器的渐近稳定性和误差动态方程的响应速度由矩阵 A-GC决定，为使观测器误差动态方程以足够快的响应速度渐近稳定，需选择合适的 G，使得A-GC具有所期望的特征值。

由此，可得最优状态反馈控制器Gc(s)的输出：

其中，系数μ和v可利用最优控制方法求取。

图2所示的典型反馈控制系统中，设定值跟随性能和干扰抑制性能均由控制器Gc(s)来调节，是一个单自由度控制系统。如果希望控制系统具有很好的设定值跟随性能，需要牺牲干扰抑制性能，反之亦然[6]。

为使控制系统干扰抑制特性和设定值跟随特性可以单独调整，在典型反馈控制系统中加入前置滤波器F(s)，构成二自由度控制器，二自由度控制系统结构图如图3所示。

图3 二自由度控制器结构图

利用前置滤波器 F(s)对指令信号进行柔化处理，使控制系统具有很好的设定值跟随特性，前置滤波：

其中，阻尼比ξ和自然频率nω根据潜艇动态特性适当选取。

3 仿真与结果分析

为验证在舵机约束条件下设计的潜艇低噪声二自由度操舵控制策略的控制效果，本文采用Matlab/Simulink进行了仿真试验验证。

航速6 kn，深度30 m，初始航向0°，围壳舵和艉舵最大舵角限制分别为25°和30°，最大舵速限制为3°/s，利用设计的低噪声二自由度操舵控制策略对某型艇进行30 m定向变深仿真试验，仿真结果见图4～图9。

图4 深度变化曲线

图5 纵倾变化曲线

图6 围壳舵舵角变化曲线

图7 围壳舵舵速变化曲线

图8 艉舵舵角变化曲线

图9 艉舵舵速变化曲线

仿真结果统计如表1和表2所示。经分析可知：采用二自由度操舵控制策略进行变深运动控制时，深度稳定精度变化不大，但明显减小了深度超调量，增加了变深过程过渡时间；二自由度操舵控制策略大幅减少了变深过程操舵次数，减小了最大操舵角和最大操舵速。在保证必要的控制性能指标前提下，采用低噪声操舵二自由度控制策略，可以降低操舵速度、减小操舵角和减少操舵次数，对于潜艇低噪声航行操操控系统的设计具有重要的意义。

表1 深度和纵倾仿真结果统计表

表2 围壳舵和艉舵仿真结果统计表

4 结语

与单自由度控制相比，本文设计的二自由度控制策略以更低的操舵速度、更小的操舵角、更少的操舵次数，实现了潜艇变深运动的操纵控制，可以在一定程度上降低潜艇由操舵引起的噪声，对于提高潜艇航行时的隐蔽性具有重要的意义。然而，潜艇的航行噪声与操舵速度、操舵角、操舵次数之间的关系仍需进行深入的研究。

参考文献：

[1]施引,朱石坚,何琳.舰船动力机械噪声及其控制[M].北京：国防工业出版社, 1990.

[2]熊凯军,浦金云.潜艇降噪效果模糊综合评估[J].船海工程, 2004, 159(2)：4-6.

[3]黄健鹰.潜艇操纵隐身技术探讨[C].船舶通讯导航学术会议, 2006.

[4]王京齐，朱春景，杨卫东，等.潜艇低噪声安静操纵控制技术研究[J].武汉理工大学学报, 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]张井岗.二自由度控制[M].北京：电子工业出版社,2012.