一種新型矢量推進(jìn)器設(shè)計(jì)與控制

蘇恒， 張瓊， 馬永敬， 劉兵， 譚杰， 鄧學(xué)文

（1.長(zhǎng)沙市電子工業(yè)學(xué)校，長(zhǎng)沙 410116；2.湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410081；3.長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410124；4.芷江民族職業(yè)中專(zhuān)學(xué)校，湖南 懷化 418000；5.靖州縣職業(yè)教育總校，湖南 懷化 418499）

0 引言

水下探測(cè)器的轉(zhuǎn)向舵轉(zhuǎn)彎半徑大且推進(jìn)裝置無(wú)法轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致其無(wú)法輕易完成原地轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，為解決該問(wèn)題，眾多研究提出了一種方向和大小均發(fā)生改變的矢量推進(jìn)力裝置，通過(guò)對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到運(yùn)動(dòng)參數(shù)和力矩的變化規(guī)律[1-2]，采用模糊PID算法，以偏航角控制為例，設(shè)計(jì)了水下航行器的模糊PID控制器[3]，通過(guò)引入非線性矢量運(yùn)動(dòng)算法，進(jìn)行推進(jìn)器的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型建立分析[4]，這些研究均基于現(xiàn)有的推進(jìn)器展開(kāi)。本文根據(jù)F-35發(fā)動(dòng)機(jī)矢量尾噴管原理設(shè)計(jì)一種新型矢量推進(jìn)裝置，驗(yàn)證其可行性，并設(shè)計(jì)了模糊-單神經(jīng)元控制器，為水下探測(cè)器高機(jī)動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)研究提供一定指導(dǎo)。

1 矢量推進(jìn)器設(shè)計(jì)

1.1 自由度計(jì)算

為了實(shí)現(xiàn)空間中螺旋槳姿態(tài)的調(diào)整，提出樣機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。

表1 推進(jìn)器主要技術(shù)指標(biāo)

圖1為該矢量推進(jìn)器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，螺旋槳柔性軸安裝在主軸電動(dòng)機(jī)外殼10上，轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)2、4、5分別安裝于7、8、9等3段筒體上，且筒體上裝有嚙合傳動(dòng)齒輪，通過(guò)控制轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，3個(gè)筒體即可完成沿斜切面的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使螺旋槳軸線完成全方位擺動(dòng)。

圖1 新型矢量推進(jìn)器機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

該矢量推進(jìn)器的自由度公式為

式中：F為機(jī)構(gòu)的自由度；n為構(gòu)件數(shù)；g為運(yùn)動(dòng)副數(shù)；fi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)自由度數(shù)。

得出該新型矢量推進(jìn)器的自由度數(shù)為4。

1.2 截面偏角計(jì)算

圖2為新型矢量推進(jìn)器的幾何特征示意圖。該矢量推進(jìn)器由3段筒體構(gòu)成，截面a-a至bb為第一段筒體，截面b-b和c-c之間為第二段筒體，截面c-c和d-d為第三段筒體，且截面bb和c-c為相鄰兩筒體的結(jié)合面。圖3為該推進(jìn)器筒體偏轉(zhuǎn)至最大偏角時(shí)的型面示意圖，α為截面2-2和4-4的夾角，β為螺旋槳的偏轉(zhuǎn)角度。

圖2 新型矢量推進(jìn)器幾何特征示意圖

圖3 推進(jìn)器最大偏角型面示意圖

根據(jù)偏轉(zhuǎn)規(guī)律可知，α和β滿(mǎn)足如下關(guān)系式：

由式（2）可得，當(dāng)螺旋槳軸線偏角為90°時(shí)，截面夾角應(yīng)為22.5°。

1.3 推進(jìn)器結(jié)構(gòu)

圖4為新型矢量推進(jìn)器的機(jī)構(gòu)，該矢量推進(jìn)器通過(guò)控制3段筒體的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)螺旋槳的全方位擺動(dòng)，其主要由主軸電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸、3個(gè)轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)、3段筒體、傳動(dòng)齒輪及密封件等構(gòu)成。

圖4 新型矢量推進(jìn)器結(jié)構(gòu)

2 推進(jìn)器偏轉(zhuǎn)模型

為了保證3段筒體的中心線保持在同一平面內(nèi)，建立矢量推進(jìn)器的偏轉(zhuǎn)模型[4-5]如圖5所示。

圖5 新型矢量推進(jìn)器偏轉(zhuǎn)規(guī)律模型

坐標(biāo)系x0y0z0繞坐標(biāo)系xyz的x軸旋轉(zhuǎn)角度-θ1的余弦矩陣為

式中：θ1、θ2、θ3為3段筒體的旋轉(zhuǎn)角度；α為截面2-2和截面4-4的夾角；β為矢量推進(jìn)器螺旋槳的偏轉(zhuǎn)角度。

3 偏轉(zhuǎn)角度耦合驗(yàn)證

為驗(yàn)證該推進(jìn)器螺旋槳軸線的最大偏轉(zhuǎn)角度，設(shè)置偏轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)（如表2），其中令電動(dòng)機(jī)2轉(zhuǎn)向?yàn)檎颉?”，得到螺旋槳軸線角度變化如圖6和圖7所示。

表2 偏轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)

由圖6可知，在30 s設(shè)定時(shí)間內(nèi)，螺旋槳軸線最大偏轉(zhuǎn)角度為90°，而軸線的偏轉(zhuǎn)角度區(qū)間為[-90°,90°]，在0.82 s時(shí)偏轉(zhuǎn)角度為0°，在7.32 s時(shí)偏轉(zhuǎn)角度為90°，則偏轉(zhuǎn)角周期近似為6.5 s。由圖7可知，螺旋槳軸線yz面最大投影角度為180°，而軸線的投影角度區(qū)間為[-180°,180°]，此處的投影角度180°和-180°螺旋槳位于同一位置，由于只是一個(gè)過(guò)渡點(diǎn)，機(jī)構(gòu)的投影角度并未發(fā)生突變。耦合驗(yàn)證結(jié)果表明，螺旋槳軸線能實(shí)現(xiàn)最大偏轉(zhuǎn)角度為90°的偏轉(zhuǎn)，且可實(shí)現(xiàn)螺旋槳軸繞中心軸進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。

圖6 螺旋槳軸線偏轉(zhuǎn)角度

圖7 螺旋槳軸線yz 面投影角度

4 模糊-神經(jīng)元PID控制

矢量推進(jìn)器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示，當(dāng)筒體發(fā)生偏轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角度誤差。

圖8 矢量推進(jìn)器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)傳遞函數(shù)[6-7]為

第一筒體旋轉(zhuǎn)角度θ1和第二筒體旋轉(zhuǎn)角度θ2的轉(zhuǎn)速誤差為

神經(jīng)元可以提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和容錯(cuò)性[8]，模糊-單神經(jīng)元PID 控制結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 模糊-單神經(jīng)元PID 控制器結(jié)構(gòu)

增量式的單神經(jīng)元控制算法為：

引入PID控制后筒體轉(zhuǎn)速誤差如圖10所示，階躍響應(yīng)下的3種PID控制方法下的結(jié)果如圖11所示。

圖10 筒體轉(zhuǎn)速誤差

圖10 中引入PID控制后，轉(zhuǎn)速誤差由0.1下降至0.07 左右。圖11中，PID控制下響應(yīng)時(shí)間為1.5 s，模糊PID控制下響應(yīng)時(shí)間1.2 s，而在模糊-單神經(jīng)元PID控制下響應(yīng)時(shí)間為0.8 s，系統(tǒng)響應(yīng)更加迅速；在4 s時(shí)加入8%的干擾信號(hào)，模糊-單神經(jīng)元PID穩(wěn)定時(shí)間更短，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖11 干擾仿真結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了一種新型矢量推進(jìn)器，利用電動(dòng)機(jī)控制3段筒體偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)全方位擺動(dòng)，并耦合驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的可行性。

2）設(shè)計(jì)了模糊-單神經(jīng)元PID控制器，結(jié)果表明，該控制器可以減少系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。