潛艇自航模控制系統(tǒng)設計

魏 軍，陳志誠，曾 斌

（海軍工程大學，武漢 430033）

潛艇自航模控制系統(tǒng)設計

魏 軍，陳志誠，曾 斌

（海軍工程大學，武漢 430033）

為滿足自航模操縱性試驗的需要，設計了潛艇自航?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)，建立了基于TCP/IP的網(wǎng)絡通信協(xié)議，為保障自航模操縱性實驗的安全性，設計了應急處理流程，通過對自航模定深控制過程的分析，完成了升降舵模糊控制器的設計?；趯崿F(xiàn)的自航模控制系統(tǒng)在操縱性實驗中表現(xiàn)良好，對于類似系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)具有一定借鑒意義。

潛艇自航模，控制系統(tǒng)，操縱性試驗，系統(tǒng)設計，模糊控制

引言

自由自航船模（簡稱自航模）是與真實船型幾何相似，質(zhì)量和質(zhì)量分布相似，直航階段滿足重力相似的模型，各種實船操縱性實驗都可用自航模進行［1］，因此，潛艇自航模成為研究潛艇操縱性的重要裝置，而控制系統(tǒng)作為潛艇自航模的重要組成部分，其設計和開發(fā)方法是關(guān)系到自航模能否順利完成實驗的關(guān)鍵問題。但目前有關(guān)潛艇自航模控制系統(tǒng)的文獻還比較少，可見的如文獻［2-3］，這些文獻存在的問題無論是硬件平臺還是設計思路都比較陳舊，導致實現(xiàn)的自航?？刂葡到y(tǒng)控制能力和精度都比較差，無法滿足復雜自航模實驗的要求。

本文通過對潛艇自航模實驗的需求進行分析，確立了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設計了網(wǎng)絡通信協(xié)議及應急處理流程，并利用根據(jù)操縱性試驗定深控制的要求設計了升降舵模糊控制器。

1 潛艇自航模實驗過程

由上文可知，能夠順利完成潛艇操縱性實驗應為自航?？刂葡到y(tǒng)的設計目標，因此，明確自航模控制系統(tǒng)的功能，需首先了解潛艇操縱性實驗的有關(guān)知識。

潛艇自航模操縱性實驗主要分為兩類：水面操縱性實驗及水下操縱性實驗，其中水下操縱性實驗是潛艇自航模實驗的重點和難點。其主要包括：定深直航實驗、定深回轉(zhuǎn)實驗、定深Z形實驗等等，下面以定深回轉(zhuǎn)實驗為例說明潛艇自航模操縱性實驗的內(nèi)容：

·實驗名稱：定深回轉(zhuǎn)實驗

·目的：評價潛艇的回轉(zhuǎn)性能。

·方法：自航模在預定航向上穩(wěn)速直航并用升降舵保持深度不變，發(fā)出操舵令，以最快速度操方向舵至規(guī)定舵角，并保持此舵角，直至船艏向改變540°，一次實驗結(jié)束。

·實驗應取得的參數(shù)：船重心軌跡、戰(zhàn)術(shù)直徑、定?；剞D(zhuǎn)直徑、動橫傾角等等。

由實驗內(nèi)容可知，潛艇自航模實驗的順利完成依賴于兩個要素：第一，自航模必須能夠正常受控完成實驗規(guī)定動作；第二，必須能在實驗過程中取得相應實驗數(shù)據(jù)以備分析，即數(shù)據(jù)采集需求。此兩要素缺一不可。因此，控制系統(tǒng)必須滿足控制及數(shù)據(jù)采集兩大需求。而潛艇自航模相比水面自航模最大的一個特點是其操縱性實驗主要在水下進行，無法與上位機進行無線網(wǎng)絡通訊，而水下通訊一般采用的水聲通訊和長波通訊帶寬較窄，無法滿足大量控制信息和數(shù)據(jù)采集信息傳輸?shù)囊?。因此，潛艇自航?？刂葡到y(tǒng)應同時具備水下自控及本地實驗數(shù)據(jù)存儲能力。

由上可知，潛艇水下操縱性實驗的基本過程，如圖1所示。

圖1 自航模水下操縱性實驗過程

2 自航?？刂葡到y(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)潛艇自航模操縱性實驗的要求，設計自航?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要包含兩部分，即艇載計算機系統(tǒng)（即下位機系統(tǒng)）及岸基計算機（即上位機系統(tǒng)）。其中艇載計算機是控制系統(tǒng)的主體部分，負責控制螺旋槳、升降舵、方向舵、進排水泵及氣閥、重心控制滑塊等控制要素以完成規(guī)定的實驗動作，同時獲取航向、水深、漏水、蓄電池電壓、高壓氣瓶氣壓等系統(tǒng)狀態(tài)，并在無線網(wǎng)絡連接正常時傳輸至岸基計算機顯示或分析。

圖2 自航?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 網(wǎng)絡傳輸協(xié)議

自航?？刂葡到y(tǒng)中，上位機系統(tǒng)與下位機系統(tǒng)通過TCP/IP通信協(xié)議進行控制及數(shù)據(jù)信息傳輸，控制命令協(xié)議如表1所示。

表1 控制命令協(xié)議

說明：type:

0：艏升降舵轉(zhuǎn)舵，value為轉(zhuǎn)舵度數(shù)；

1：艉升降舵轉(zhuǎn)舵，value為轉(zhuǎn)舵度數(shù)；

2：艉方向舵轉(zhuǎn)舵，value為轉(zhuǎn)舵度數(shù)；

3：升降舵舵角校準完成；

4：水平舵舵角校準完成；

5：絕對調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速，value為轉(zhuǎn)速；

6：航向初始化，value取0～1（0：初始化完畢，1：初始化開始）；

7：進排水，value取0～3（0：開始進水，1：開始排水，2：停止進水，3：停止排水）；

8：縱向重心滑塊調(diào)整，value取0～3（0：開始正轉(zhuǎn)，1：開始反轉(zhuǎn)，2：停止正轉(zhuǎn)，3：停止反轉(zhuǎn)）；

9：垂向重心滑塊調(diào)整，value取0～3（0：開始正轉(zhuǎn)，1：開始反轉(zhuǎn)，2：停止正轉(zhuǎn)，3：停止反轉(zhuǎn)）。

實驗參數(shù)協(xié)議如下頁表2所示，不同的實驗需要的實驗參數(shù)有所不同。如定深直航實驗需要的參數(shù)有：實驗時間、超時時間、直航穩(wěn)定時間、規(guī)定下潛縱傾、深度等等。

2.3 潛艇自航模操縱性實驗安全性設計

由于潛艇自航模操縱性實驗的特殊性，需從多個角度考慮其安全性問題，以確保船體和設備的萬無一失。其安全性設計如圖3所示。即若發(fā)生蓄電池欠壓、高壓氣瓶欠壓、漏水、自航模姿態(tài)異常（如橫傾或縱傾過大）、自航模下潛超規(guī)定深度、程控實驗超時以及在無線遙控狀態(tài)下突然丟失無線連接（水下程控實驗無線連接也將丟失，將不視作異常）等情況時，均視之為異常情況，并根據(jù)潛艇自航模所處狀態(tài)分別進行異常處理。如自航模處于水下狀態(tài)，則排水，調(diào)整升降舵上浮，到達水面后與上位機建立網(wǎng)絡連接后，由上位機控制螺旋槳停機，若自航模處于水面狀態(tài)，則直接螺旋槳停機即可，然后由工作人員靠近并使用拖船拖回，檢測排除故障后重新投入實驗。

表2 控制命令協(xié)議

圖3 自航模安全性設計

需要指出的是，即使以上安全設計已把所有問題考慮得非常全面，但其仍有一個致命的弱點，即以上設計都依賴于艦載計算機仍處于正常工作狀態(tài)。若艦載機由于某種原因已失效，則以上設計將無能為力。因此，還需增加水聲遙控這一手段作為冗余安全控制方式：即在觀察（無線網(wǎng)絡有效時可以通過岸基計算機進行監(jiān)控，無效時可以通過肉眼觀察或水聲定位系統(tǒng)）到自航模已處于某種不正常狀態(tài)，但艦載計算機安全措施未起作用的情況下，通過水聲遙控使主機停機和排水上浮。

3 潛艇自航模定深模糊控制器設計

潛艇自航模水下操縱性試驗一般都要求進行定深控制，因此，對潛艇自航模定深控制方法的研究是自航模控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的關(guān)鍵。本文利用模糊控制理論設計了自航模的定深控制器。

3.1 定深控制要點分析

根據(jù)潛艇的運動規(guī)律［4］，可將潛艇自航模定深控制過程分為3個階段，如圖4所示。

圖4 定深控制過程

第1階段：快速下潛階段（t0～t1）。為了較快實現(xiàn)定深控制，在開始階段需要迅速增加縱傾角以實現(xiàn)快速下潛的目的。此階段潛艇的姿態(tài)變化比較大，需要艏、艉升降舵共同操下潛舵。

第2階段：均勻下潛階段（t1～t2）。潛艇縱傾達到一定角度后，不宜再增加縱傾角，以免發(fā)生翻轉(zhuǎn)安全事故，由于艉升降舵力矩較大，因此，此階段應由艏升降舵操下潛舵繼續(xù)控制下潛，而艉升降舵則微小調(diào)整以保持適當縱傾即可，此階段是改變深度的主要階段。

第3階段：深度保持階段（t2～t3）。此階段由于潛艇已接近規(guī)定深度，因此，需逐步減小縱傾角使?jié)撏Щ謴退阶藨B(tài)，同時還需保持深度不變，一般情況下以艏升降舵控制定深，艉升降舵控制縱傾角。

3.2 升降舵模糊控制器設計

由上節(jié)可知，完成潛艇自航模的定深控制需設計兩個控制器，即艏升降舵定深控制器及艉升降舵縱傾控制器，而以模糊邏輯為基礎的模糊控制其具有不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型、魯棒性能好等特點［5-6］，顯然非常適宜用于設計需要的控制器，由于篇幅所限，本文只論述艏升降舵定深模糊控制器設計方法，艉升降舵模糊縱傾控制器設計方法與之類似，不再贅述。

模糊控制器輸入量為：

·深度偏差：即當前深度與目標深度的差值，正值代表當前深度過深，負值代表當前深度過淺，0代表無偏差；

·深度變化：即當前深度與上一時刻深度的差值，正值代表潛艇正在下潛，負值代表潛艇正在上浮，0代表深度未發(fā)生變化。

模糊控制器控制量為：

·升降舵角：即相對于當前狀態(tài)的升降舵相對舵角，正值代表控制潛艇下潛加速或上浮減速，負值代表控制潛艇上浮加速或下潛減速，0代表保持當前舵角不變。

輸入量和控制量的模糊隸屬函數(shù)都為三角函數(shù)，且都化為7個模糊集，分別為：負大（NB）、負中（NM）、負?。∟S）、近似零（Z）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）。如控制量升降舵角的模糊隸屬函數(shù)如圖5所示（其他變量的隸屬函數(shù)與之類似）。

圖5 升降舵角隸屬函數(shù)

模糊控制規(guī)則如表3所示。

4 結(jié)語

自航模操縱性實驗是研究艦艇操縱性的重要手段，本文介紹了潛艇自航模系統(tǒng)的基本組成，設計了上位機與下位機的TCP/IP通信協(xié)議，并建立了操縱性實驗安全性設計的基本流程，利用模糊控制理論解決了自航模的定深控制問題。實現(xiàn)后的系統(tǒng)操縱簡單，可靠性高，定深控制準確有效，滿足自航模操縱性實驗的要求。

表3 模糊控制規(guī)則

［1］范尚雍.船舶操縱性［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1988.

［2］王 波.潛艇自航模水下長波遙控系統(tǒng)［J］.海軍工程大學學報，2007，19（2）：17-20.

［3］畢 毅.水下自航模型無線長波遙控系統(tǒng)［J］.船舶工程，2002（6）：72-74.

［4］何衛(wèi)華，王益民，黃健鷹.潛艇自動操縱控制系統(tǒng)的基本原理及其現(xiàn)狀［J］.艦船科學技術(shù)，2005，23（16）：20-24.

［5］劉 洋，米 偉，郭 晨.船舶航向模糊自整定操舵控制器的研究［J］.中國航海，2010，3（5）：11-15.

［6］劉文峰.船舶航向模糊控制系統(tǒng)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008.

Design of Submarine Self-propelled Model Control System

WEI Jun，CHEN Zhi-cheng，ZENG Bin
（Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

To meet the demands of self-propelled model maneuverability experiment，the system structure of the submarine self-propelled model control system is built，and setting up the network communication protocol based on TCP/IP.The emergency treatment process is present to ensure the safety of maneuverability experiment.By analyzing the depth control process of self-propelled model，the elevator fuzzy controller is designed.The result of experiment shows that the self-propelled model control system based on this paper behaves well.These works are helpful to the design and implement of other similar system.

submarine self-propelled model，control system，maneuverability experiment，system design，fuzzycontrol

TP29

A

1002-0640（2014）11-0171-04

2013-10-08

2013-11-25

魏 軍（1967- ），男，河南南陽人，副教授。研究方向：系統(tǒng)集成與系統(tǒng)控制。