水下滑翔機(jī)深度模擬裝置仿真及實(shí)驗研究

， 　， ， 寶仁(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢　430074)

引言

水下滑翔機(jī)是一種新型水下自主觀測設(shè)備，具有低噪聲、低功耗、長航程、高隱蔽性等特點(diǎn)，可以長期部署在水下用于監(jiān)測海洋環(huán)境、研究海洋生物、勘探海洋資源等。海洋深度模擬器作為水下滑翔機(jī)陸地半實(shí)物仿真的重要組成部分，可以在實(shí)驗室條件下對水下滑翔機(jī)縱向深度控制系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)和參數(shù)進(jìn)行測試，對縮短水下滑翔機(jī)的研制周期，降低其實(shí)驗成本具有一定的意義[1]。

海洋深度模擬器是一種電液壓力伺服控制系統(tǒng)，通過伺服閥控制密閉容腔的進(jìn)出油，從而實(shí)現(xiàn)密閉容腔的壓力控制[2]。萬亞民等研制了一種高性能深度模擬器，設(shè)計一種具有很好適應(yīng)性和魯棒性的非線性PID控制方法，實(shí)現(xiàn)了最大深度550 m的高精度深度模擬[3]。潘成梁等設(shè)計了一種基于零相差PID控制器的深度模擬器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，并減小了高頻時系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤誤差[4, 5]。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合水下滑翔機(jī)自身的特點(diǎn)，設(shè)計了一種深度模擬裝置，并采用增量式PID控制器實(shí)現(xiàn)壓力的精確控制。

1　系統(tǒng)組成及工作原理

海洋深度模擬器由兩部分組成：電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。電控系統(tǒng)包括控制器、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等，用于系統(tǒng)的信號采集和壓力控制；液壓系統(tǒng)包括油箱、液壓泵、先導(dǎo)式電磁溢流閥、伺服閥、進(jìn)油過濾器、回油過濾器、密閉容腔等，用于系統(tǒng)供油。其原理圖見圖1。

1.油箱　2.油泵　3.進(jìn)油過濾器　4.先導(dǎo)式電磁溢流閥 5.回油過濾器　6.伺服閥　7.密閉容腔　8.壓力傳感器

系統(tǒng)工作原理為：液壓系統(tǒng)中，電動機(jī)帶動油泵向系統(tǒng)中提供壓力油；電控系統(tǒng)接受控制信號和壓力傳感器反饋的實(shí)際壓力值，通過控制器解算出控制量，控制電液伺服閥的閥芯位移，從而控制密閉容腔的進(jìn)出油，以實(shí)現(xiàn)對密閉容器的壓力控制；密閉容腔的一端留有壓力信號的輸出接口，可向水下滑翔機(jī)深度控制系統(tǒng)輸出深度信號。根據(jù)某型號水下滑翔機(jī)深度控制系統(tǒng)的各項技術(shù)指標(biāo)，本研究中海洋深度模擬裝置的相關(guān)指標(biāo)如下：系統(tǒng)最大輸出壓力為10 MPa，最高響應(yīng)頻率為1 Hz，響應(yīng)時間小于50 ms，幅值比誤差小于10%，相位誤差小于10°。

2　系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

海洋深度模擬裝置為一種電液壓力伺服控制系統(tǒng)，通過對該系統(tǒng)的分析，并結(jié)合液壓伺服控制的相關(guān)理論[6]，推導(dǎo)出該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，其傳遞函數(shù)方框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖

圖中：r(s)為輸入壓力；y(s)為輸出壓力；K1為電流信號與壓力信號之間的增益；Gsv為伺服閥的傳遞函數(shù)，其中Ksv為伺服閥流量增益；ωsv為伺服閥固有頻率；ξ為伺服閥的阻尼比；Gv為密閉容腔的傳遞函數(shù)，其中E為油液體積彈性模量；V為密閉容腔容積。

由此可推出海洋深度模擬裝置的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

根據(jù)伺服閥的樣本手冊可知：

Ksv=3.78 mm3/(s·A)；ωsv=1130 rad/s，ξ=0.5，

K1=6.667×10-3A/MPa。由于系統(tǒng)壓力變化范圍不大，可取E=0.7 GPa，根據(jù)裝置大小取V=0.5 L，將數(shù)據(jù)代入傳遞函數(shù)中得：

3　控制器設(shè)計

PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便的特點(diǎn)，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。離散PID表達(dá)式為：

式中，T為采樣周期，ei和ei-1分別表示第i和第i-1時刻的偏差信號，可以看出，每次輸出均與過去狀態(tài)有關(guān)，計算時需要對ei進(jìn)行累加，這不僅使得計算任務(wù)較大，而且如果系統(tǒng)在某一時刻出現(xiàn)故障，輸出量可能會大幅度變化，有可能造成硬件系統(tǒng)的損壞。為避免這種情況的發(fā)生，本系統(tǒng)采用增量式PID控制器，其表達(dá)式為：

1978年黨的十一屆三中全會的召開,標(biāo)志著中國全面啟動改革開放，確立了全黨全國的工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到社會主義現(xiàn)代化建設(shè)上來。隨著國家發(fā)展戰(zhàn)略轉(zhuǎn)向探索中國特色的社會主義道路, 環(huán)境保護(hù)法規(guī)和政策等制度建設(shè)也開始進(jìn)入發(fā)展階段。

ui=ui-1+Δui

可以看出，由于控制算法中不需要累加，控制增量Δui僅與第i、第i-1和第i-2次的采樣有關(guān)，不僅可以極大的減小運(yùn)算量，提高系統(tǒng)的處理速度，而且誤動作造成的影響也較小，提高系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性[7]。根據(jù)所設(shè)計系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，增量式PID控制器控制參數(shù)分別為Kp=13.5、Ki=Kp/Ti=1、Ki=KpTi=0.005。

4　仿真和實(shí)驗分析

基于MATLAB/Simulink構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和控制器模型并進(jìn)行仿真，取采樣時間為1 ms，采用階躍信號和頻率為1 Hz、幅值為0.05 MPa、偏置分別分5 MPa 和10 MPa的正弦信號作為系統(tǒng)的輸入信號，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3　仿真結(jié)果

由圖3可知：在仿真中，系統(tǒng)對于階躍信號的響應(yīng)時間為最大37 ms，超調(diào)量最大為4.2%；5 MPa和10 MPa 的動態(tài)響應(yīng)的幅值比誤差分別為2.3%和2.9%，相位滯后分別為5.1°和6.7°。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計系統(tǒng)的響應(yīng)速度和動態(tài)跟蹤精度在理論上均能夠滿足海洋深度模擬裝置的指標(biāo)要求。

1.油箱　2.電機(jī)　3.油泵　4.進(jìn)油過濾器　5.壓力表 6.伺服閥　7.先導(dǎo)式電磁溢流閥　8.密閉容腔　9.壓力傳感器

根據(jù)所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行計算選型，搭建了試驗平臺，所搭建的實(shí)驗平臺如圖4所示，采用與仿真相同的輸入信號對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗。

實(shí)驗結(jié)果如圖5所示。

圖5　實(shí)驗結(jié)果

由圖5可知：在實(shí)驗中，系統(tǒng)對于階躍信號的響應(yīng)時間為最大46 ms，超調(diào)量最大為6.5%；5 MPa和10 MPa 的動態(tài)響應(yīng)的幅值比誤差分別為3.6%和4.5%，相位滯后分別為6.1°和7.6°。

圖6　深度變化模擬實(shí)驗結(jié)果

由圖6可知，系統(tǒng)在深度模擬實(shí)驗的各個階段都有較高的跟蹤精度，從而可以精確模擬水下滑翔機(jī)的深度變化。

實(shí)驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度和動態(tài)跟蹤精度，可以為水下滑翔機(jī)提供精確的海洋深度變化環(huán)境，以滿足其陸地半實(shí)物仿真的需求；同時，實(shí)驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，驗證了所構(gòu)建數(shù)學(xué)模型及控制器設(shè)計的正確性。

5　結(jié)論

針對水下滑翔機(jī)半實(shí)物仿真的需要，設(shè)計了一種采用電液伺服控制系統(tǒng)的深度模擬裝置。通過理論分析，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并基于PID控制策略完成仿真分析，結(jié)果表明所設(shè)計的系統(tǒng)在理論上可以滿足要求，進(jìn)而搭建實(shí)驗平臺，進(jìn)行了實(shí)驗研究，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度和動態(tài)跟蹤精度，可以滿足水下滑翔機(jī)陸地半實(shí)物仿真的需求，同時也驗證了所構(gòu)建數(shù)學(xué)模型及控制器設(shè)計的正確性，為進(jìn)一步理論研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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