潛器精確懸?？刂萍夹g研究

耿丹萍 莊永峰

摘 要：基于深海潛器懸?？刂频闹匾饬x，本文首先分析潛器浮沉運動方式及控制需求的獨特性，然后梳理潛器浮沉運動控制特性及關鍵技術，分析運動控制建模的基本方法及途徑，最后結合某水下平臺的運動控制仿真及測試結果，給出潛器懸停控制發(fā)展思路。

關鍵詞：UFP;PID控制;運動控制仿真

中圖分類號：U674.941;TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）01-0082-05

Abstract： Based on the important significance of the hover control of underwater vehicle， the uniqueness of the floating and sinking motion mode and control requirements of the vehicle was analyzed firstly. The characteristics and key technologies of underwater vehicles floating and sinking motion control were combed， and the basic methods and approaches of motion control modeling were analyzed. Based on the motion control simulation of an underwater vehicle and the lake test results， the suggestion for hover control of underwater vehicle was given。

Keywords： UFP;PID;motion control simulation

1 研究潛器懸停的意義

潛器采取懸停狀態(tài)待機，可延長水下續(xù)航時間，并有效降低自身噪聲，提高有效探測范圍。在海軍潛器建設方面，大部分操縱工況都已經基本實現了自動控制，但潛器水下懸停操控演練仍依賴于人工操作。國內潛器水下懸?？刂蒲芯可胁怀墒臁Ｒ虼?，為了降低水下潛器浮沉運動的能量消耗，提高系統(tǒng)的可操縱性，降低系統(tǒng)成本，對低功耗、高精度、可重復懸停的潛器控制技術開展研究具有極其重要的現實意義。

2 潛器懸停的原理

潛器定深懸停必須滿足以下幾個條件：①減小并消除垂向力差和力矩差，實現垂向受力平衡;②減小并消除垂向上的運動慣量和垂直面上的轉動慣量;③減小并消除潛艇在垂向上與定深的位移偏差[1]。

懸停控制的本質是根據動量守恒，通過控制注排水的量與時機，使其產生的沖量消除垂向的運動慣量。

然而，面對非結構、非預知的復雜海洋環(huán)境以及航行器本身動力學模型的非線性與耦合性，開發(fā)航行器的懸?？刂萍夹g極具挑戰(zhàn)性，主要表現在以下幾方面。

第一，潛深不同引起水下平臺浮力變化。隨深度變化的海水密度的計算公式為：

對潛艇懸停運動受海水密度變化的影響進行研究時發(fā)現，在近水面，浮力平衡的潛艇下潛到1 000 m水深時，浮力可增加約5‰。

第二，潛深對浮力調節(jié)系統(tǒng)性能的影響。隨著潛深的變化，海水的密度、壓力會隨之變化，從而影響泵排量的變化，進而影響基于浮力調節(jié)方式的控制性能。此外，大深度液壓泵涉及動密封、腐蝕、泄露、低效、生物附著等一系列難題。目前，大深度液壓泵幾乎完全依賴進口，對其性能不可把控。

第三，響應的大遲滯效應。一方面，水下平臺慣性質量特性增大了系統(tǒng)的響應遲滯特性;另一方面，與通常利用壓載或動力推進方式實現平臺浮沉控制時提供的階躍力不同，采用重浮力平衡式浮力調節(jié)，在起始階段提供的浮力值是時間的積分也加大了系統(tǒng)的延遲特性。

第四，難于獲得精確的水動力參數，從而難以建立精確的運動模型。

第五，洋流擾動的影響。海洋的潮汐、涌浪、海流、地形等變化規(guī)律復雜，是時間和空間上的復雜函數，對水下自動航行會造成不同程度的干擾，而且很難被預知和建立精確預報模型[2]。

因此，一方面，應該選擇合理的浮力調節(jié)系統(tǒng)方案，搭建高可靠性、高精度浮力調節(jié)機構;另一方面，選擇具有避免依賴精確的數學模型的、具有自適應性和魯棒性的運動控制算法。

3 浮力調節(jié)方案

3.1 浮力調節(jié)性能分析

對于采用重浮力平衡式原理的浮力調節(jié)裝置，主要關注最大浮力調節(jié)能力、浮力分配機制、調節(jié)精度三個方面。其中，最大可變體積決定了系統(tǒng)最大調節(jié)能力;全系統(tǒng)浮力零點分配決定了系統(tǒng)上浮、下沉的能力配比;浮力調節(jié)精度決定了定點懸停的成敗及效率。浮力微調總調節(jié)能力≥10 L;浮力微調速度≥10 L/min;浮力微調精度≥50 mL。

3.2 系統(tǒng)組成

浮力調節(jié)及姿態(tài)控制系統(tǒng)由快速上浮動力驅動控制的主浮力調節(jié)器、微動懸停浮力微調調節(jié)器和重心、姿態(tài)調節(jié)器組成（如圖1所示）。其中，微動懸停浮力微調節(jié)器為液壓活塞形式。

3.3 系統(tǒng)工作原理

浮力調節(jié)系統(tǒng)的基本工作原理是：用一個硬質連桿連接兩個相對獨立缸體的活塞。其中，大缸體的活塞一端面與外界海水接觸，另一端面與艙體形成空氣密封艙;小缸體的活塞兩端與液壓系統(tǒng)的油液相通。通過液壓系統(tǒng)驅動小端缸體的活塞桿推動大端缸體活塞運動，通過改變裝置的吸排海水量來改變浮力的大小。小缸體內安裝位移傳感器，通過位移傳感器測量缸體內油液的改變量，從而計算浮力改變量。當水下平臺上浮時，液壓泵將液壓油自小缸體活塞左側向右側調運，浮力變大，水下平臺上浮;相反，當水下平臺下潛時，液壓泵將液壓油自小缸體活塞右側向左側調運，浮力變小，水下平臺下潛;當水下平臺達到穩(wěn)定狀態(tài)時，二位三通閥斷電，活塞位置不會發(fā)生變化，浮力不變，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，實現了平臺的定深懸浮[3]?；驹砣鐖D2所示。

4 懸?？刂品抡?/p>

4.1 運動學方程

4.1.1 坐標系的定義。固定坐標[z]軸由水面指向水上。[z]軸正向指向平臺上部。

4.1.2 固定坐標系及運動坐標系的關系。由于自由度的定義及水動力系數的計算在機體坐標下進行，某些控制分量計算（如定深控制）及某些靜力計算在固定坐標系下進行，因此有必要進行兩個坐標系之間的轉換計算。定系下的矢量在[o-xyz]上的投影如表1所示。

運動坐標系對于地面有角速度和加速度，所以，其不是一個慣性參考系，動力學牛頓定律并不成立。對水下機器人運動進行分析時，首先采用固定坐標系建立運動方程，通過將同一矢量在兩套坐標系中進行分解換算來進行坐標系轉換，將各參數轉換到動坐標系分解，最終獲得相對動坐標系的運動方程[4]。

歐拉角定義：[φ]為滾轉角，正向為[ox]軸逆時針;[θ]為縱傾角，正向為[oy]軸正向;[ψ]偏航角，正向為[oz]軸正向。自由度定義如表2所示。

4.2 動力學建模

4.3 水動力模型參數簡化

非推進升降運動是水下平臺運動的一種特例，具有以下兩個特點：①垂直運動速度非常小，可以忽略，因此所有與平臺垂直運動相關的水動力項為零，可以大大簡化運動方程;②在水下平臺穩(wěn)性良好的情況下，縱向傾側的穩(wěn)定性一般通過扶正力矩保證，對于垂向運動與縱傾運動的相互影響，則不需要考慮[5]。

在無垂直航速、縱向傾側的前提下研究水下平臺的垂向升降運動，基本過程與平臺拋載上浮運動類似，是一個很強的機動過程，有很強的非線性特性，運動特性與正常機動過程有很大不同。

由于調姿與浮沉采用獨立的控制執(zhí)行機構，因此，基本可以不考慮升沉過程中縱傾運動的影響，從而可將6自由度動力學方程簡化為1自由度動力學方程。

4.4 懸停控制算法

PID是靠控制目標與實際行為之間的誤差來確定消除此誤差的控制策略，不依賴于精確的數學模型，調節(jié)參數物理意義明確，易于實現。但是，PID算法僅適用于線性或近似線性系統(tǒng)，對環(huán)境不具有自適應性，當遇到擾動時，系統(tǒng)響應特性較差[6]。

對于深海浮沉載荷，工作懸停洋流環(huán)境較為平緩，但自身慣性特性較為復雜。綜合考慮浮沉載荷運動控制非線性特性、大延遲特性、算法實現難度、調參難度等因素，采用兩種改進的PID算法，即變參數PID算法和串級PID算法。變參數PID原理圖如圖3所示。

為了解決非線性問題，改進PID算法，采用分段線性的變參數PID算法，以解決全局非線性與局部線性的矛盾。通過擬合不同速度/加速度下平臺響應曲線，建立控制參數迭代模型，從而實現算法的自適應性[7]。

為了從根本上提高控制系統(tǒng)動態(tài)特性，提高系統(tǒng)響應頻率，特別是解決水下平臺及浮力調節(jié)系統(tǒng)自身的遲滯特性，采用串級PID算法，外環(huán)為深度通道，內環(huán)為浮力通道。串級PID原理圖如圖4所示。

5 結論

在MATLAB-Simulink工具箱進行了仿真分析。Simulink仿真模型如圖5所示，Simulink仿真結果如圖6所示。

基于仿真分析，在丹江口水庫開展浮沉載荷懸?？刂圃囼?，實現了自動定深懸停。

對于大深度反復浮沉運動的浮沉載荷，宜采用重浮力平衡方式，但由此帶來的耦合效應，將加劇平臺響應的遲滯特性。選擇合適的浮力調節(jié)方式對實現低功耗、高精度的懸?？刂凭哂兄匾饬x。由于水介質密度較大，慣性質量將對控制效果產生影響。對于浮沉載荷外形設計，應盡可能減小慣性質量及流阻。對于動力學仿真，過多的水動力系數將導致運動控制器的設計變得極其困難，需要依據平臺運動特性進行簡化。對于控制算法，應避免對精確的數學模型的依賴，此外還需要具有一定的自適應性和魯棒性。應該通過不斷地仿真與試驗驗證迭代，優(yōu)化算法結構和控制參數。

參考文獻：

[1]李建朋.水下機器人浮力調節(jié)系統(tǒng)及其深度控制技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

[2]高劍.無人水下航行器自適應非線性控制技術[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2016.

[3]李岳明，龐永杰，萬磊.水下機器人自適應S面控制[J].上海交通大學學報，2012（2）：195-200.

[4]李岳明，萬磊，孫玉山，等.考慮剩余浮力影響的欠驅動水下機器人深度控制[J].控制與決策，2013（11）：144-147，153.

[5]高為炳.變結構控制理論基礎[M].北京：科學技術出版社，1990.

[6]王麗榮.水下機器人變結構控制技術的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2003.

[7]孫元泉，馬運義，鄧志純.潛艇和深潛器的現代操縱理論與應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001.