动力推进系统变结构控制与双速控制阀优化设计
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摘要
本文在对鱼雷热动力推进系统数学模型分析简化和典型工况仿真研究的基
础上，采用变结构等效控制律和趋近律两种方法，直接对非线性系统进行了控
制律的综合，设计了鱼雷恒深变速、恒速变深运动的动力推进系统变结构控制
器，并进行数字仿真验证。仿真结果表明，应用趋近律法比较用等效控制法设
计的变结构控制器控制精度高，抑制抖振效果明显，且该方法物理概念清晰，
算法简单、容易实现，从而初步解决了鱼雷热动力推进系统工况控制工程应用
中需要妥善解决的问题。此外，本文对燃料泵电液伺服系统变量机构的压力源
方案选择问题进行了探讨和研究，提出了从泵后提取压力源的可行方案。
本文的另一个重点是，进行了某型鱼雷动力推进系统速制变换过程工作状
态的仿真计算与分析；应用单纯形法对其变速关键部件——双速控制阀进行了
优化设计，使系统变速过渡过程的静、动态性能得到明显的改善。
本文应用趋近律法求解变结构控制的方法，达到了良好的抖振削弱效果，
使得该控制算法能够应用于实际系统，这在国内尚属首次。该控制方法不仅适
合鱼雷动力推进系统的控制，而且对其它工程领域也有着重要的参考价值。
Dynamic model is simplified reasonably in this paper, based on the analysis of
mathematical model and the simulation of the typical work state of propulsion
system of thermal power torpedo. Design methods of variable structure equivalent
control laws and approaching laws are both applied to the design of controller of
propulsion system, at the work state of constant depth and variable speed, constant
speed and variable speed movement of torpedo. Then numerical simulation
validation is carried out. The results of simulation show that control method of the
later has greater precision than that of the former, and can restrain from the
chattering effectively, what抯 more, conception of physics is clear, algorithm is very
simple and is easy to implement. So the problem need to be solved well in the
engineering application of the control of work state of dynamic propulsion system of
torpedo is solved preliminarily. In addition, the problem on how to choose pressure
resource of variable structure of electrical-hydraulic servo system of fuel pump is
discussed and studied in this paper, and a feasible scheme that the resource of
pressure is drawn from the behind of fuel pump is proposed.
Another emphasis of this paper is, that simulating calculation and analysis on
work state of propulsion system of the certain type of torpedo during the period of
the switch between speeds system is carried out, and optimum design of key part----
control valve of both speeds system is conducted by means of simple shape. As a
result, performance of static and dynamic state of transient process is improved
evidently.
In this paper, solving the variable structure controller by means of
approaching laws, causes chattering weaken effectively. Therefore, the control
algorithm could be applied to practical system, this is innovative work inland. The
control method is not only suitable to the system of propulsion of torpedo, but it is of
important value of reference for other engineering field.
础上，采用变结构等效控制律和趋近律两种方法，直接对非线性系统进行了控
制律的综合，设计了鱼雷恒深变速、恒速变深运动的动力推进系统变结构控制
器，并进行数字仿真验证。仿真结果表明，应用趋近律法比较用等效控制法设
计的变结构控制器控制精度高，抑制抖振效果明显，且该方法物理概念清晰，
算法简单、容易实现，从而初步解决了鱼雷热动力推进系统工况控制工程应用
中需要妥善解决的问题。此外，本文对燃料泵电液伺服系统变量机构的压力源
方案选择问题进行了探讨和研究，提出了从泵后提取压力源的可行方案。
本文的另一个重点是，进行了某型鱼雷动力推进系统速制变换过程工作状
态的仿真计算与分析；应用单纯形法对其变速关键部件——双速控制阀进行了
优化设计，使系统变速过渡过程的静、动态性能得到明显的改善。
本文应用趋近律法求解变结构控制的方法，达到了良好的抖振削弱效果，
使得该控制算法能够应用于实际系统，这在国内尚属首次。该控制方法不仅适
合鱼雷动力推进系统的控制，而且对其它工程领域也有着重要的参考价值。
Dynamic model is simplified reasonably in this paper, based on the analysis of
mathematical model and the simulation of the typical work state of propulsion
system of thermal power torpedo. Design methods of variable structure equivalent
control laws and approaching laws are both applied to the design of controller of
propulsion system, at the work state of constant depth and variable speed, constant
speed and variable speed movement of torpedo. Then numerical simulation
validation is carried out. The results of simulation show that control method of the
later has greater precision than that of the former, and can restrain from the
chattering effectively, what抯 more, conception of physics is clear, algorithm is very
simple and is easy to implement. So the problem need to be solved well in the
engineering application of the control of work state of dynamic propulsion system of
torpedo is solved preliminarily. In addition, the problem on how to choose pressure
resource of variable structure of electrical-hydraulic servo system of fuel pump is
discussed and studied in this paper, and a feasible scheme that the resource of
pressure is drawn from the behind of fuel pump is proposed.
Another emphasis of this paper is, that simulating calculation and analysis on
work state of propulsion system of the certain type of torpedo during the period of
the switch between speeds system is carried out, and optimum design of key part----
control valve of both speeds system is conducted by means of simple shape. As a
result, performance of static and dynamic state of transient process is improved
evidently.
In this paper, solving the variable structure controller by means of
approaching laws, causes chattering weaken effectively. Therefore, the control
algorithm could be applied to practical system, this is innovative work inland. The
control method is not only suitable to the system of propulsion of torpedo, but it is of
important value of reference for other engineering field.
引文
[1] V. I. Utkin, Variable structure systems with sliding modes, IEEE Trans. AC22, No. 2, 1977．
[2] J. Y. Hung, W. B. Gao, J. C. Hung, Variable structure control :A survey, IEEE Trans. IE-40, No. 1, 1993．
[3] E. P. Ryan, A variable structure approach to feedback regulation of certain dynamical systems,Int. J. Control Letters. Vol. 1． No. 4． 1982．
[4] K.K. D.Young,Controller design for a manipulator using theory of variable structure systems, IEEE Trans. SMC-8,No. 2． 1978．
[5] J-J. E. Slotine,Sliding controller design for nonlinear systems, Int. J. Controller.J.Controller synthesis for nonlinear systems, Int. Contr, Vol. 43, No. 6． 1986．
[6] A.S.I. Zinober, et al., Variable structure control of adaptive model-following systems.IEE conf. Control and its Applications,Warwick, 1981．
[7] 袁冬莉、席庆彪、解万成，小型无人机飞行变结构控制，信息与控制，1999 年12月
[8] 罗凯、李俊、许汉珍，潜艇运动的非线性滑动控制，船舶工程，1999年
[9] 潘陆原、裘丽华等，溢流阀的优化设计，机床与液压，2000年11月
[10] 冯正平、孙建国、刘冬，某型涡扇发动机的模型跟踪滑模控制，航空学 报，1999年11月
[11] 牟军、许汉珍，潜艇操纵运动的变结构控制，华东理工大学学报，1997
[12] 陈玉宏，滑模控制抖振抑制的新方法，电子科技大学学报，1999年6月
[13] 向凤红、杨晓洪、王晓东，实际变结构控制系统的抖振削弱方法，昆明 理工大学学报，1998年10月
[14] 张永东、蔡学军等，广义非线性系统滑动模控制，华南理工大学学报，1999年8月
[15] 黄显林、王海滨等，空间飞行器的非线性变结构控制，哈尔滨工业大学 学报，1998年10月
[16] 罗凯，开式循环鱼雷热动力系统数字仿真及非线性控制研究，西北工业 大学硕士学位论文，1998年
[17] 高为炳，变结构控制的理论及设计方法，科学出版社1998年1月
[18] 周雪琴、安锦文，计算机控制系统，西北工业大学出版社，1996年
[19] (美)J．-J．E．斯洛廷、李卫平，应用非线性控制，国防工业出版社，1992 年2月
[20] 刘惟信，机械最优化设计，清华大学出版社，1994年9月
[21] 马世杰，鱼雷动力装置设计原理,兵器工业出版社，1987年
[22] 徐德民，鱼雷自动控制系统，西北工业大学出版社，1991年
[23] 聂铁军，数值计算方法，西北工业大学出版社，1990年
[24] 吴旭光，控制系统计算机仿真，西北工业大学出版社，1990年
[25] 李连升、刘绍球，液压伺服理论与实践，国防工业出版社，1990年
[26] 卢光贤，机床液压传动与控制，西北工业大学出版社，1993年
[27] 王春行，液压伺服控制系统，机械工业出版社，1981年
[28] 王占林，近代液压控制，机械工业出版社，1997年
[29] 张琦、孙秀荣、林崧等，电液控制工程实践，西北工业大学，1988年
[30] 刘训谦，鱼雷推进剂及供应系统，西北工业大学出版社，1987年
[31] 赵连峰，鱼雷活塞发动机原理，西北工业大学出版社，1991年
[32] 李洪人，液压控制系统，国防工业出版社，1988年
[33] 陆道政、季新宝，自动控制原理及设计，上海科学技术出版社，1978年
[34] 刘植祯、郭木河、何克忠，计算机控制，清华大学出版社，1981年
[35] 戴冠中，计算机控制原理，国防工业出版社，1980年
[36] 薛定宇，控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言及应用，清华大学出版 社，1996年
[2] J. Y. Hung, W. B. Gao, J. C. Hung, Variable structure control :A survey, IEEE Trans. IE-40, No. 1, 1993．
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[9] 潘陆原、裘丽华等，溢流阀的优化设计，机床与液压，2000年11月
[10] 冯正平、孙建国、刘冬，某型涡扇发动机的模型跟踪滑模控制，航空学 报，1999年11月
[11] 牟军、许汉珍，潜艇操纵运动的变结构控制，华东理工大学学报，1997
[12] 陈玉宏，滑模控制抖振抑制的新方法，电子科技大学学报，1999年6月
[13] 向凤红、杨晓洪、王晓东，实际变结构控制系统的抖振削弱方法，昆明 理工大学学报，1998年10月
[14] 张永东、蔡学军等，广义非线性系统滑动模控制，华南理工大学学报，1999年8月
[15] 黄显林、王海滨等，空间飞行器的非线性变结构控制，哈尔滨工业大学 学报，1998年10月
[16] 罗凯，开式循环鱼雷热动力系统数字仿真及非线性控制研究，西北工业 大学硕士学位论文，1998年
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[18] 周雪琴、安锦文，计算机控制系统，西北工业大学出版社，1996年
[19] (美)J．-J．E．斯洛廷、李卫平，应用非线性控制，国防工业出版社，1992 年2月
[20] 刘惟信，机械最优化设计，清华大学出版社，1994年9月
[21] 马世杰，鱼雷动力装置设计原理,兵器工业出版社，1987年
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[29] 张琦、孙秀荣、林崧等，电液控制工程实践，西北工业大学，1988年
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[31] 赵连峰，鱼雷活塞发动机原理，西北工业大学出版社，1991年
[32] 李洪人，液压控制系统，国防工业出版社，1988年
[33] 陆道政、季新宝，自动控制原理及设计，上海科学技术出版社，1978年
[34] 刘植祯、郭木河、何克忠，计算机控制，清华大学出版社，1981年
[35] 戴冠中，计算机控制原理，国防工业出版社，1980年
[36] 薛定宇，控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言及应用，清华大学出版 社，1996年