潜艇操纵运动模型简化及仿真研究

收稿日期：2017-06-12

修回日期：2017-07-19

基金项目：

国家自然科学基金资助项目（41474061，41631072）作者简介：陆斌杰（1992-），男，浙江德清人，硕士研究生。研究方向：舰船操纵控制。通信简介：

李文魁（1973-），男，副教授，博士。研究方向：舰船综合导航与操纵控制。*摘

要：潜艇运动为六自由度空间运动，具有强非线性和耦合性。针对运动预报、仿真及控制器设计等不同需

要，建立兼顾准确、简洁的操纵运动模型十分重要。对潜艇运动标准方程进行简化，分别建立空间运动模型、平面非线性模型及平面线性模型。经过仿真和特征参数计算，验证了简化模型的合理性。通过比较分析，给出了不同机动条件下用于运动仿真和控制器设计的模型选用建议。

关键词：潜艇，运动建模，仿真，空间运动中图分类号：U666.1文献标识码：A

DOI ：10.3969/j.issn.1002-0640.2018.08.010

引用格式：陆斌杰，李文魁，周岗，等.潜艇操纵运动模型简化及仿真研究［J ］.火力与指挥控制，2018，43（8）：

46-50.

潜艇操纵运动模型简化及仿真研究*

陆斌杰，李文魁*，周

岗，陈永冰

（海军工程大学电气工程学院，武汉430033）

Model Simplification and Simulation of Submarine Maneuver Movement

LU Bin-jie ，LI Wen-kui *，ZHOU Gang ，CHEN Yong-bing

（School of Electrical Engineering ，Navy University of Engineering ，Wuhan 430033，China ）

Abstract ：Submarine motion is six-degree of freedom space motion with strongly nonlinearity and

coupling.For different task such as motion prediction ，simulation and controller design ，to make both accurate and concise maneuvering motion model is very important.With simplification of standard equations of submarine motion ，models of space motion ，planar nonlinear motion and planar linear motion are made individually.Simplified models are verified by simulation and characteristic parameters calculation.With comparison and analysis ，suggestions on models selection for motion

simulation and controller design under different maneuvering conditions are given.

Key words ：

submarine ，motion modeling ，simulation ，space motion Citation format ：

LU B J ，LI W K ，ZHOU G ，et al.Model simplification and simulation of submarine maneuver movement ［J ］.Fire Control &Command Control ，2018，43（8）：46-50.

0引言

潜艇运动为六自由度空间运动，表现出大惯性、强非线性、强耦合。潜艇运动模型是潜艇运动预报与仿真、控制系统设计的基础。1967年美国DTNSRDC 的Gertler 和Hagen 发表了潜艇空间标准

运动方程［1］。建立在大量船模试验的基础上，权威

性很高，被广泛采用。1979年Feldman 对潜艇在高速、大舵角回转过程中的水动力特性分析后给出了改进方程［2-3］。为建立既反映潜艇运动特点、又较简便的运动模型，各国学者对潜艇运动建模做了深入研究［4-9］。

文章编号：1002-0640（2018）

08-0046-05Vol.43，No.8Aug ，2018

火力与指挥控制

Fire Control &Command Control 第43卷第8期2018年8月

*46··

（总第43-）

在潜艇空间标准运动方程基础上进行简化，分别得到空间、平面非线性和平面线性等3种操纵运动模型，分别进行实例仿真，并对潜艇操纵性指标加以验证分析，最后给出了潜艇运动仿真及控制器设计所用模型的选择方法。

1潜操纵运动模型简化

坐标系、名词术语、符号规则均采用ITTC 和

SNAME 术语公报的体系［10-11］。固定坐标系（定系）E-孜浊灼和运动坐标系（动系）O-xyz 如图1所示。

图1固定坐标系和运动坐标系

潜艇空间操纵运动方程按照标准刚体运动模型表示

为：

式中等号右边为潜艇受力，其矢量形式

：

分别表示惯性力、非惯性流

体力、静力、舵力和螺旋桨推力，各力展开式详见文献［1］，共包含了108个水动力系数。1.1空间操纵运动模型

对标准方程作如下简化：1）原点取重心，x g =y g =z g =0；2）螺旋桨负荷不变，相对进程比n =1；3）艇体左右对称，

；4）静力与浮力己均衡，

x b =y b =0，W =B=mg ；5）艇体质量分布对称，忽略所有非对称惯性积；6）垂向速度w 对水平面运动耦合小，略

去；7）艇体上下不对称的黏性力很

小，略

去，得到简化的空间操

纵运动模型：

1.1.1纵向方程

（1）

1.1.2偏航

方程

（2）

1.1.3横摇

方程

（3）

式中，h 为稳心高。

1.1.4横

向方程

（4）

1.1.5垂

向方程

（5

）

陆斌杰，等：潜艇操纵运动模型简化及仿真研究47··

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