水下航行器多電機推進系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

常 文, 魏海峰, 張 懿, 李垣江, 王偉然, 劉維亭

水下航行器多電機推進系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

常 文, 魏海峰, 張 懿, 李垣江, 王偉然, 劉維亭

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江, 212003)

復(fù)雜洋流干擾下的水下航行器本體平衡對于后續(xù)的導(dǎo)航定位、路線規(guī)劃有著極其重要的意義。在非線性、時變、耦合的水流干擾下, 水下航行器多電機推進系統(tǒng)存在以下三大關(guān)鍵技術(shù)難點, 并成為當(dāng)前研究熱點: 1) 總耗能最低的多電機推力協(xié)調(diào)分配; 2) 高動態(tài)、高魯棒性的多電機協(xié)同驅(qū)動; 3) 多電機協(xié)同驅(qū)動下的故障診斷與容錯控制。對此, 文中分別對各個難點問題研究現(xiàn)狀進行綜述, 并選取當(dāng)前典型的控制策略進行詳細(xì)闡述。最后, 從推進電機選型以及多電機推進系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩方面, 總結(jié)水下航行器多電機推進系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。

水下航行器; 多電機推進系統(tǒng); 推力分配; 協(xié)同驅(qū)動; 容錯控制

0 引言

水下航行器具有操縱靈活、遠(yuǎn)距離遙控、能長時間在高危環(huán)境下工作等特點, 在海洋生物研究, 水下地形勘探, 水下環(huán)境監(jiān)測, 水下武器投放, 水下警戒、監(jiān)視、探雷、布雷和隱蔽攻擊等諸多領(lǐng)域均具有極其重要的現(xiàn)實意義[1-3]。水下航行器在施工作業(yè)時, 需要對自身進行精準(zhǔn)定位, 同時對采集樣品精準(zhǔn)定位并上傳信息, 因此精準(zhǔn)定位技術(shù)的提高會大大增加水下航行器的執(zhí)行效率[4-6]。但水下航行器受洋流干擾難以保持本體姿態(tài)穩(wěn)定, 勢必會對精準(zhǔn)定位造成影響, 從而對后續(xù)的路徑規(guī)劃、導(dǎo)航算法造成前端干擾, 影響算法的實現(xiàn)效果。對比近年來四旋翼飛行器的快速發(fā)展[7-8], 水下航行器發(fā)展緩慢, 其主要原因之一在于外界水流干擾極其復(fù)雜, 存在各個自由度方向的隨機擾動, 缺乏在復(fù)雜洋流干擾下高效、快速穩(wěn)定本體的動力定位方法。水下航行器具有多種動力推進結(jié)構(gòu), 如單軸螺旋槳推進式、雙軸螺旋槳推進式、滾翼螺旋槳推進式和四旋翼螺旋槳推進式等, 這些動力推進配置為了實現(xiàn)水下航行器六自由度運動, 必須配置多臺驅(qū)動電機(主推進器、側(cè)推進器和升潛裝置等)。同時需要設(shè)計具有高動態(tài)響應(yīng)、完全解耦的多電機動態(tài)協(xié)同驅(qū)動控制方法, 使系統(tǒng)能夠?qū)崟r根據(jù)本體姿態(tài)合理分配推進器動力邏輯, 將六自由度的隨機擾動信號簡化到能耗最低的推進器組合分配從而予以抵消。此外, 系統(tǒng)中的單電機受到水流隨機干擾也會產(chǎn)生負(fù)載轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)速的變化; 系統(tǒng)中某一傳感器的故障同樣會通過偏差耦合的關(guān)系蔓延至其他子系統(tǒng)。如何抑制外界隨機擾動, 保證單電機與多電機系統(tǒng)的高動態(tài)、高精度實時響應(yīng), 提升系統(tǒng)的冗余性與容錯性是實現(xiàn)復(fù)雜洋流干擾下的水下航行器本體穩(wěn)態(tài)控制的必由之路[9-11]。

在非線性、時變、耦合(對不可形變本體的耦合力)的水流干擾下, 水下航行器多電機推進系統(tǒng)存在以下三大關(guān)鍵技術(shù)。1) 多電機推力分配。復(fù)雜洋流條件下的水文情況復(fù)雜多變, 水下航行器受洋流干擾難以保持本體姿態(tài)穩(wěn)定, 因此需要通過水下航行器的推進器合理分配其推力來平衡本體相對穩(wěn)定運行, 最大限度減弱洋流干擾, 使水下航行器處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。然而, 推力分配需考慮系統(tǒng)能耗、執(zhí)行機構(gòu)的非線性約束以及系統(tǒng)自身影響等因素, 為了提高系統(tǒng)性能, 增加控制系統(tǒng)的可靠性, 應(yīng)該優(yōu)化推力分配的控制, 最大限度減少外界干擾及系統(tǒng)誤差對本體平穩(wěn)運行的影響。因此, 如何在滿足各項約束條件的情況下保證系統(tǒng)能耗最低成為有待解決的一個關(guān)鍵技術(shù)問題。2) 多電機協(xié)同驅(qū)動。與一般多電機轉(zhuǎn)速同步驅(qū)動不同, 復(fù)雜洋流干擾下的水下航行器多電機協(xié)同驅(qū)動并非單純追求多電機同速或者是負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡, 而是本體動態(tài)平衡, 這就意味著每個電機的驅(qū)動要求實時多變, 本質(zhì)為異速平衡協(xié)同驅(qū)控系統(tǒng)。如何在多變干擾下保證協(xié)同系統(tǒng)的跟蹤性和抗干擾性成為有待解決的另一個關(guān)鍵技術(shù)問題。3) 多電機容錯控制。水下航行器為了實現(xiàn)位置及速度的精確測量, 采用了大量位置和速度傳感器, 在惡劣的水下環(huán)境, 傳感器容易出現(xiàn)故障, 并會通過耦合關(guān)系蔓延到整個多電機協(xié)同控制系統(tǒng)中, 造成系統(tǒng)整體協(xié)同性能的失控。因此, 如何及時有效地識別這類故障并進行容錯成為有待解決的一個關(guān)鍵技術(shù)問題。文中依次對以上水下航行器多電機推進系統(tǒng)三大關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀展開綜述, 并分別列舉出典型且較為成功的控制策略。最后, 從推進電機選型以及多電機推進系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩方面, 總結(jié)水下航行器多電機推進系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。

1 水下航行器多電機推力協(xié)調(diào)分配

1.1 推力分析模型

圖1 水下航行器推進器推力空間分布

圖2 單個推進器推力分析坐標(biāo)系關(guān)系

本體坐標(biāo)系到推進器1坐標(biāo)系姿態(tài)變換矩陣為

1.2 推進器解耦與推力補償

1.3 多電機推力協(xié)調(diào)優(yōu)化分配

考慮到推進器機械誤差以及推力分配系統(tǒng)誤差, 為了優(yōu)化推力分配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù), 選取合理的優(yōu)化目標(biāo), 提高系統(tǒng)分配推進器各個軸向分量推力的快速性和有效性, 可以將推力分配問題看作多目標(biāo)約束優(yōu)化問題。

首先, 建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

其次, 建立約束條件。為了實現(xiàn)水下航行器本體外部干擾力下的推力補償, 使本體保持相對穩(wěn)定的狀態(tài), 需滿足式(3)等式約束以及推進器最大推力輸出的不等式約束, 以此建立約束條件。

在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件建立的基礎(chǔ)上, 采用序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法對各個推進器推力分配的非線性規(guī)劃問題進行求解, 采用光滑牛頓法求解二次規(guī)劃子問題, 實現(xiàn)復(fù)雜洋流干擾下的多電機推力協(xié)調(diào)分配。

2 水下航行器多電機協(xié)同驅(qū)動

相比單電機驅(qū)動, 多電機驅(qū)動輸出力矩較大, 且在單個電機出現(xiàn)故障時, 對驅(qū)動電機的邏輯分配不會影響系統(tǒng)的整體運行效果, 其增加了系統(tǒng)的冗余性, 提高了設(shè)備工作效率, 也提升了運行的可靠性。多電機協(xié)同驅(qū)動最初運用在造紙與印刷行業(yè)(無軸印刷機領(lǐng)域)[13], 如今已廣泛應(yīng)用于火炮電控領(lǐng)域(提升炮塔運動性)、四旋翼飛行器領(lǐng)域(實現(xiàn)飛行器姿態(tài)穩(wěn)定的關(guān)鍵)、電動汽車領(lǐng)域(實現(xiàn)多輪驅(qū)動)[14]以及水下航行器領(lǐng)域[15-16]。除此之外, 多電機協(xié)同驅(qū)動在數(shù)控機床、數(shù)控車間、多工序直進拉絲車床等基礎(chǔ)制造業(yè)場合也有著廣泛的應(yīng)用, 因此, 多電機協(xié)同驅(qū)動在工控領(lǐng)域的發(fā)展已成為必然。

盡管多電機協(xié)同驅(qū)動涵蓋諸多領(lǐng)域, 但驅(qū)動方法有其相似性。多電機協(xié)同驅(qū)動系統(tǒng)的同步控制策略主要有以下4種。1) 平行控制策略。系統(tǒng)包含的所有電機在同一維度下同步運行, 受到相同指令控制; 系統(tǒng)中任意一臺電機發(fā)生故障或者受到外界干擾時, 整個系統(tǒng)運行平穩(wěn)性及跟隨性會受到干擾[17-19]。2) 主從控制。從電機跟隨主電機工作, 主電機的運行會超前于從電機[20], 盡管可以設(shè)計相關(guān)前置補償器, 但系統(tǒng)啟動和停止時, 轉(zhuǎn)速變化較大時, 仍會影響主從電機間的同步誤差。3) 交叉耦合控制策略[21]。該策略起初是通過反饋跟蹤2個電機之間速度的差值來實現(xiàn), 對于多電機運行系統(tǒng)并不適用, 因此, 為了實現(xiàn)多電機運行已進行了諸多改進。優(yōu)化的交叉耦合控制主要包括: ①相關(guān)耦合控制[22]。該策略同步控制性能相對較好, 但對于多電機控制系統(tǒng), 電機數(shù)量增加導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 計算量增大, 控制難度增加, 嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的實時性。②相鄰耦合控制[23]。該策略計算任意2臺電機的轉(zhuǎn)速差, 當(dāng)驅(qū)動電機數(shù)目為時, 需要設(shè)計3個控制器。③環(huán)耦合控制[24]。該策略較好地解決了上述問題, 可降低控制系統(tǒng)復(fù)雜度, 但由于其控制策略是通過相鄰兩電機之間的速度誤差作為多電機運行系統(tǒng)的反饋補償信號實現(xiàn)的, 因此當(dāng)其中一臺電機受到擾動, 相鄰兩電機與該電機之間的速度誤差增大, 導(dǎo)致系統(tǒng)中的電機對于給定信號響應(yīng)不一致, 相鄰電機之間均存在同步誤差, 因此同步穩(wěn)定性不易被證明。4) 虛擬主軸控制[25]: 通過虛擬軸調(diào)整系統(tǒng)的輸入信號獲得電機參考信號, 因此, 給定的參考信號經(jīng)過虛擬軸調(diào)整后可能會發(fā)生偏差, 導(dǎo)致實際參考信號發(fā)生偏移。為實現(xiàn)多電機協(xié)同驅(qū)動控制系統(tǒng), 需要考慮該系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、協(xié)同性能的優(yōu)良以及協(xié)同誤差的收斂。

前文提到的多電機驅(qū)動控制算法自身均存在一定缺陷, 如抗干擾性能差、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電機個數(shù)受限、同步穩(wěn)定性差和響應(yīng)速度不一致等。隨著多電機控制領(lǐng)域的發(fā)展, 多電機控制策略也在不斷優(yōu)化進步。Li等[26]提出一種結(jié)合2階自適應(yīng)滑模控制方法的均值偏差耦合同步控制策略, 該策略通過系統(tǒng)中所有電機偏差平均值作為反饋信號來設(shè)計控制器, 通過耦合將電機信號統(tǒng)一設(shè)計至控制器中, 從而有效保證電機的協(xié)同收斂性, 電機的數(shù)量也可以不受限制。這種結(jié)合均值耦合和滑?？刂平Y(jié)構(gòu)的方法, 可以有效改善系統(tǒng)的協(xié)同穩(wěn)定性。然而, 該策略對多電機運行速度要求較高, 需要保證各電機運行速度一致, 因此限制了水下航行器這種多電機變速平衡驅(qū)控結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。針對此, 胥小勇等[27]提出了一種加權(quán)相鄰耦合策略, 有效改善了上述策略對速度一致性的要求, 各電機間運行速度不同時系統(tǒng)也能夠穩(wěn)定運行, 并將其應(yīng)用在薄膜拉伸收卷場合。這種場合下, 盡管所有的電機均為異速運行, 但電機間的速度存在一定比例的遞增關(guān)系, 其仍屬于同步速度控制的變體, 與水下航行器的控制要求存在差異。史婷娜等[28]提出引入虛擬電機補償?shù)母倪M偏差耦合多電機同步驅(qū)動方法, 該方法追求的是多電機同速控制。

受文獻[28]啟發(fā), 文中對該文獻的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖進行改進, 得到引入虛擬電機補償?shù)母倪M偏差耦合多電機異速平衡協(xié)同驅(qū)動方法, 該方法適合水下航行器多電機異速驅(qū)動應(yīng)用場合。如圖3所示為引入虛擬電機補償?shù)母倪M偏差耦合多電機協(xié)同驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 引入虛擬電機補償?shù)母倪M偏差耦合多電機異速平衡協(xié)同驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 水下航行器多電機故障診斷與容錯控制

通過解析冗余的動態(tài)系統(tǒng)故障診斷, 為多電機協(xié)同驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性提供了有力保障[29]。位置傳感器是可調(diào)速度驅(qū)動器中最常用的器件之一, 為避免傳感器發(fā)生故障時對調(diào)速系統(tǒng)的影響, 已有大量文獻對其進行研究。目前, 解決傳感器故障問題主要有以下2種方法。1) 基于數(shù)學(xué)模型的方法。該方法通過設(shè)計合理的觀測器, 來解決故障問題。如毛海杰等[30]提出一種基于故障診斷可靠性評估的靈活自適應(yīng)交換策略, 通過使用自抗擾控制技術(shù)提高轉(zhuǎn)速環(huán)的抗干擾能力, 并結(jié)合電流回路中的擴張狀態(tài)觀測器獲得擴展?fàn)顟B(tài)的速度估計, 分析實際速度與估計速度之間的殘余信號進行故障診斷, 實現(xiàn)對傳感器故障的切換容錯; Najafabadi等[31]通過估計的相電流和轉(zhuǎn)子電阻確定故障傳感器類型, 提出一種具有轉(zhuǎn)子電阻估計的自適應(yīng)電流觀測器, 只需要一個觀測器就可以解決多種類型傳感器故障問題; Marino等[32]為了實現(xiàn)在線檢測傳感器故障設(shè)計了自適應(yīng)觀測器, 該系統(tǒng)的容錯控制通過間接磁場定向控制實現(xiàn), 但其模型建立比較困難。2) 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法。該方法主要通過數(shù)據(jù)的分析對比實現(xiàn), 利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對離線和在線抓取的大量數(shù)據(jù)進行分析, 獲取系統(tǒng)運行的各項指標(biāo), 判斷系統(tǒng)運行是否異常, 從而診斷傳感器是否存在異常, 該技術(shù)在判斷傳感器異常領(lǐng)域較為實用。如Cai等[33]為實現(xiàn)對永磁同步電機逆變器的故障診斷, 將采集到的線電壓信號經(jīng)過快速傅里葉變換處理, 實現(xiàn)了基于兩層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷。

上述方法已應(yīng)用于多電機協(xié)同控制系統(tǒng)故障診斷和容錯控制, 但仍存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜, 算法實現(xiàn)難度大等缺點。因此, 為了使基于數(shù)學(xué)模型和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動這2種方法的優(yōu)勢被更廣泛地利用, 將這2種方法結(jié)合起來的研究顯得尤為必要。此外, 冗余在故障診斷與容錯中的作用不可忽視, 當(dāng)某一設(shè)備發(fā)生損壞時, 冗余配置的部件可以作為備援, 為實現(xiàn)系統(tǒng)容錯提供便利條件。對此, 毛海杰等[34]提出基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)相似度矩陣的多電機故障診斷與容錯控制方法, 該方法適合水下航行器在復(fù)雜水下環(huán)境下的多電機驅(qū)動應(yīng)用場合。

3.1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)相似度矩陣構(gòu)建

圖4為引入傳感器故障診斷與切換容錯的偏差耦合多電機協(xié)同驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖4 引入傳感器故障診斷與切換容錯的偏差耦合多電機協(xié)同驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 基于相似度矩陣的傳感器故障診斷

3.3 基于修正加權(quán)均值反饋的傳感器故障隔離與系統(tǒng)容錯

系統(tǒng)的反饋信號, 即修正的加權(quán)均值為

4 結(jié)論與展望

文中對水下航行器多電機推進系統(tǒng)存在三大關(guān)鍵技術(shù)難點的研究現(xiàn)狀進行了綜述, 并從多電機推力分配、多電機協(xié)同驅(qū)動、多電機容錯控制3個方面選取當(dāng)前典型的控制策略進行詳細(xì)闡述,得出以下結(jié)論: 1) 多個約束條件下, 需尋求符合推力補償要求的能耗最低分配方案, 來確定多電機協(xié)同驅(qū)動系統(tǒng)中每個電機的控制要求; 2) 構(gòu)建多電機協(xié)同驅(qū)動系統(tǒng), 實現(xiàn)復(fù)雜洋流干擾下的高動態(tài)響應(yīng)及動力輸出協(xié)同分配; 3) 建立多電機傳感器故障診斷與容錯控制機制, 提升多電機協(xié)同驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。

結(jié)合水下航行器多電機推進技術(shù)的研究難點與主要研究成果, 從推進電機選型以及多電機推進系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩方面, 總結(jié)水下航行器多電機推進系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1) 電機選型方面, 一般來說, 水下推進電機既是系統(tǒng)的驅(qū)動, 同時又作為系統(tǒng)自身的負(fù)載存在, 因而在實際應(yīng)用中, 水下推進電機應(yīng)具有較高的功率密度, 以此來滿足其小型化、輕型化的要求, 同時電機還應(yīng)具有效率高、功率大、動態(tài)響應(yīng)好以及安全性高等特性, 兼具一定程度的容錯性。故而多相電機驅(qū)動技術(shù)所顯現(xiàn)的優(yōu)勢: ①降低功率器件的電壓和電流等級; ②降低轉(zhuǎn)矩脈動, 提高靜態(tài)性能; ③提高容錯能力, 提升系統(tǒng)可靠性; ④提高控制自由度等, 使其成為未來水下航行器推進系統(tǒng)的首選。其具有體積小、低壓下輸出功率大、轉(zhuǎn)矩脈動小、容錯性強、控制自由度高等優(yōu)點, 特別適用于水下航行器這類對體積和可靠性要求較高的低壓驅(qū)動場合。

2) 多電機推進系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面?？紤]到水下航行器本體空間位置有限以及多電機驅(qū)動系統(tǒng)硬件復(fù)雜度較高, 利用單個逆變器驅(qū)動實現(xiàn)多個推進電機串聯(lián)系統(tǒng)解耦控制成為水下航行器推進系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢之一, 旨在實現(xiàn)同一逆變器供電和同一套控制平臺下多臺推進電機解耦運行, 節(jié)省控制裝置和外圍電路, 在元器件層面上使得推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單化, 提高系統(tǒng)的可靠性并降低驅(qū)動系統(tǒng)的體積、質(zhì)量與成本。

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Research on Key Technologies of Undersea Vehicle Multi-Motor Propulsion System

CHANG WenWEI Hai-fengZHANG YiLI Yuan-jiangWANG Wei-ranLIU Wei-ting

(School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

The body balance of an underwater vehicle under complex ocean current interference is of great significance for subsequent navigation and path planning. Under nonlinear, time-varying, and coupled flow disturbances, there are three key technical difficulties in the multi-motor propulsion system of undersea vehicles that have become the current research focus: coordinated distribution of multi-motor thrust with the lowest total energy consumption; multi-motor cooperative drive with high dynamic and robustness; and fault diagnosis and fault-tolerant control of multi-motor cooperative drive. In this regard, this paper summarizes the research status of each difficult problem and elaborates on the current typical control strategy. Finally, the future development trend of the undersea vehicle multi-motor propulsion system is summarized from two perspectives: propulsion motor selection and multi-motor propulsion system topology.

undersea vehicle; multi-motor propulsion system; thrust distribution; cooperative drive; fault-tolerant control

TJ630.32; TM34

R

2096-3920(2021)06-0716-9

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.011

常文, 魏海峰, 張懿, 等. 水下航行器多電機推進系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2021, 29(6): 716-724.

2021-06-21;

2021-07-16.

國家自然基金科學(xué)基金項目(51977101); 江蘇省省重點研發(fā)計劃產(chǎn)業(yè)前瞻性與共性關(guān)鍵技術(shù)重點項目(BE2018007).

常 文(1995-), 女, 在讀碩士, 主要從事電機驅(qū)動控制研究.

(責(zé)任編輯: 許 妍)