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航行体的弹射发射技术，本质上是在航行体自身动力系统开始工作之前，借助外加动力将航行体推出发射筒或水面一定高度的技术。航行体在水面或水下动态弹射过程中处于不受控状态，其周身伴随着剧烈的外形阻力变化和空泡冲击载荷，很容易造成运动姿态失稳，直接影响到发射成败与精度。因此，世界各国搭建了大量的弹射试验设施，针对航行体水面及水下动态弹射技术展开持续研究。
本文所研究的约束空间双柔索拖曳小车系统即是一种基于陆地水池建造的多工况动态弹射试验设施。由于空间约束及高速摄像视场需求，小车需要在规定的时间内加速至规定的速度，并在规定的行程内保持匀速运动，以供航行体完成动态弹射试验，最终平稳停止在轨道终点。然而，在双柔索拖曳小车运动控制过程中，其牵引柔索链路和制动柔索链路之间构成了一个强耦合、非线性、行程及张力有限的复杂时变系统。由此可知，如何削弱双柔索拖曳小车系统中各变量间的相互耦合影响、如何实现小车的短程急加速和减速控制、如何提高小车的运动控制精度和鲁棒稳定性成为了影响双柔索拖曳小车开展航行体水面及水下动态弹射试验实际应用的关键因素。
鉴于此，本文以一类面向多工况动态弹射试验的约束空间双柔索拖曳小车系统为研究对象，围绕多工况小车系统数学建模、模型验证、以及约束空间试验小车双柔索拖曳协同控制技术展开了深入研究。克服了系统结构强耦合、柔索松弛非线性、状态受限约束、时变参数及流场扰动不确定特性，实现了双柔索拖曳小车在水面有限轨道及水下约束空间中稳定良好的协同控制性能，具有较高的工程应用价值和理论参考意义。本文主要研究工作如下：
首先，分析了多能域、多物理过程和多变量耦合系统的实际特性，采用模块化思想和机理建模方法，建立了相对完备的多工况双柔索拖曳小车系统数学模型，并结合实际系统单项摸底试验数据对数学模型进行了验证。针对双柔索拖曳小车牵引链路与制动链路之间的交叉耦合，提出了前向牵引速度及后端制动张力协同控制策略，有效地提高了系统控制稳定性，改善了系统的协同控制性能。
其次，针对一类面向水面动态弹射试验的双柔索拖曳小车耦合约束系统，提出了一种基于分散控制理论和ESO-NITSM可变抑制系数反演自适应控制算法的协同控制器。基于分散控制理论，将耦合项看作外部扰动，通过构造扩张状态观测器(ESO)对由耦合项和压降时变不确定项构成的综合外扰进行动态观测，并将观测值作为控制补偿分别设计小车牵引链路及制动链路非奇异积分终端滑模(Non-singular Integral Terminal Sliding Mode，NITSM)反演自适应控制器。同时考虑钢丝绳承载张力限制，将张力抑制因子引入可变系数反演设计过程，实现了压降时变不确定特性下小车耦合约束系统双柔索拖曳链路良好的协同控制。
再次，针对一类面向水下动态弹射试验的双柔索拖曳小车耦合约束系统，考虑到约束空间复杂水流扰动降低了小车运动稳定性、加剧了系统的耦合干扰，为了进一步加强小车协同控制系统的鲁棒性，提出了一种基于逆系统理论和RBF-NITSM可变抑制系数反演自适应算法的解耦协同控制器。采用逆系统理论将小车系统解耦成单输入单输出的小车速度控制以及制动张力控制伪线性系统，并基于可变抑制系数反演法和双幂次终端趋近律分别设计解耦后伪线性系统的NITSM控制器。同时，针对伪线性系统总的不确定项，构建径向基神经网络(Radial Basis Function Neural Network， RBFNN)对其进行逼近。结合实际的系统特性数据，开展了水下约束空间动态弹射试验仿真，验证了所设计的解耦协同控制器能够完全消除双柔索拖曳结构的交叉耦合特性，实现面向水下动态弹射试验的小车耦合约束系统双柔索拖曳的良好协同控制。
最后，完成了实际双柔索拖曳小车系统现场集成及系统联调，开展了实际系统水下有限轨道及水下约束空间中的动态弹射试验，验证了本文所设计的小车速度及张力协同控制器能够实现约束空间中弹射试验小车双柔索拖曳的良好协同控制性能。
本文所研究的约束空间双柔索拖曳小车系统即是一种基于陆地水池建造的多工况动态弹射试验设施。由于空间约束及高速摄像视场需求，小车需要在规定的时间内加速至规定的速度，并在规定的行程内保持匀速运动，以供航行体完成动态弹射试验，最终平稳停止在轨道终点。然而，在双柔索拖曳小车运动控制过程中，其牵引柔索链路和制动柔索链路之间构成了一个强耦合、非线性、行程及张力有限的复杂时变系统。由此可知，如何削弱双柔索拖曳小车系统中各变量间的相互耦合影响、如何实现小车的短程急加速和减速控制、如何提高小车的运动控制精度和鲁棒稳定性成为了影响双柔索拖曳小车开展航行体水面及水下动态弹射试验实际应用的关键因素。
鉴于此，本文以一类面向多工况动态弹射试验的约束空间双柔索拖曳小车系统为研究对象，围绕多工况小车系统数学建模、模型验证、以及约束空间试验小车双柔索拖曳协同控制技术展开了深入研究。克服了系统结构强耦合、柔索松弛非线性、状态受限约束、时变参数及流场扰动不确定特性，实现了双柔索拖曳小车在水面有限轨道及水下约束空间中稳定良好的协同控制性能，具有较高的工程应用价值和理论参考意义。本文主要研究工作如下：
首先，分析了多能域、多物理过程和多变量耦合系统的实际特性，采用模块化思想和机理建模方法，建立了相对完备的多工况双柔索拖曳小车系统数学模型，并结合实际系统单项摸底试验数据对数学模型进行了验证。针对双柔索拖曳小车牵引链路与制动链路之间的交叉耦合，提出了前向牵引速度及后端制动张力协同控制策略，有效地提高了系统控制稳定性，改善了系统的协同控制性能。
其次，针对一类面向水面动态弹射试验的双柔索拖曳小车耦合约束系统，提出了一种基于分散控制理论和ESO-NITSM可变抑制系数反演自适应控制算法的协同控制器。基于分散控制理论，将耦合项看作外部扰动，通过构造扩张状态观测器(ESO)对由耦合项和压降时变不确定项构成的综合外扰进行动态观测，并将观测值作为控制补偿分别设计小车牵引链路及制动链路非奇异积分终端滑模(Non-singular Integral Terminal Sliding Mode，NITSM)反演自适应控制器。同时考虑钢丝绳承载张力限制，将张力抑制因子引入可变系数反演设计过程，实现了压降时变不确定特性下小车耦合约束系统双柔索拖曳链路良好的协同控制。
再次，针对一类面向水下动态弹射试验的双柔索拖曳小车耦合约束系统，考虑到约束空间复杂水流扰动降低了小车运动稳定性、加剧了系统的耦合干扰，为了进一步加强小车协同控制系统的鲁棒性，提出了一种基于逆系统理论和RBF-NITSM可变抑制系数反演自适应算法的解耦协同控制器。采用逆系统理论将小车系统解耦成单输入单输出的小车速度控制以及制动张力控制伪线性系统，并基于可变抑制系数反演法和双幂次终端趋近律分别设计解耦后伪线性系统的NITSM控制器。同时，针对伪线性系统总的不确定项，构建径向基神经网络(Radial Basis Function Neural Network， RBFNN)对其进行逼近。结合实际的系统特性数据，开展了水下约束空间动态弹射试验仿真，验证了所设计的解耦协同控制器能够完全消除双柔索拖曳结构的交叉耦合特性，实现面向水下动态弹射试验的小车耦合约束系统双柔索拖曳的良好协同控制。
最后，完成了实际双柔索拖曳小车系统现场集成及系统联调，开展了实际系统水下有限轨道及水下约束空间中的动态弹射试验，验证了本文所设计的小车速度及张力协同控制器能够实现约束空间中弹射试验小车双柔索拖曳的良好协同控制性能。