水下滑翔機深度模擬裝置仿真及實驗研究

， 　， ， 寶仁(華中科技大學 機械科學與工程學院， 湖北 武漢　430074)

引言

水下滑翔機是一種新型水下自主觀測設備，具有低噪聲、低功耗、長航程、高隱蔽性等特點，可以長期部署在水下用于監測海洋環境、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陸地半實物仿真的重要組成部分，可以在實驗室條件下對水下滑翔機縱向深度控制系統的各項性能指標和參數進行測試，對縮短水下滑翔機的研制周期，降低其實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，通過伺服閥控制密閉容腔的進出油，從而實現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，設計一種具有很好適應性和魯棒性的非線性PID控制方法，實現了最大深度550 m的高精度深度模擬[3]。潘成梁等設計了一種基于零相差PID控制器的深度模擬器，實現了系統的快速響應性，并減小了高頻時系統的動態跟蹤誤差[4, 5]。在此基礎上，結合水下滑翔機自身的特點，設計了一種深度模擬裝置，并采用增量式PID控制器實現壓力的精確控制。

1　系統組成及工作原理

海洋深度模擬器由兩部分組成：電控系統和液壓系統。電控系統包括控制器、壓力傳感器、數據采集卡等，用于系統的信號采集和壓力控制；液壓系統包括油箱、液壓泵、先導式電磁溢流閥、伺服閥、進油過濾器、回油過濾器、密閉容腔等，用于系統供油。其原理圖見圖1。

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

系統工作原理為：液壓系統中，電動機帶動油泵向系統中提供壓力油；電控系統接受控制信號和壓力傳感器反饋的實際壓力值，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出油，以實現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，可向水下滑翔機深度控制系統輸出深度信號。根據某型號水下滑翔機深度控制系統的各項技術指標，本研究中海洋深度模擬裝置的相關指標如下：系統最大輸出壓力為10 MPa，最高響應頻率為1 Hz，響應時間小于50 ms，幅值比誤差小于10%，相位誤差小于10°。

2　系統數學模型

海洋深度模擬裝置為一種電液壓力伺服控制系統，通過對該系統的分析，并結合液壓伺服控制的相關理論[6]，推導出該系統的數學模型，其傳遞函數方框圖如圖2所示。

圖2　系統傳遞函數方框圖

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，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，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傳遞函數為：

根據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。由于系統壓力變化范圍不大，可取E=0.7 GPa，根據裝置大小取V=0.5 L，將數據代入傳遞函數中得：

3　控制器設計

PID控制器具有結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便的特點，因此在工業控制領域得到了廣泛的應用。離散PID表達式為：

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有關，計算時需要對ei進行累加，這不僅使得計算任務較大，而且如果系統在某一時刻出現故障，輸出量可能會大幅度變化，有可能造成硬件系統的損壞。為避免這種情況的發生，本系統采用增量式PID控制器，其表達式為：

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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，不僅可以極大的減小運算量，提高系統的處理速度，而且誤動作造成的影響也較小，提高系統的實時性和可靠性[7]。根據所設計系統的開環傳遞函數，增量式PID控制器控制參數分別為Kp=13.5、Ki=Kp/Ti=1、Ki=KpTi=0.005。

4　仿真和實驗分析

基于MATLAB/Simulink構建系統數學模型和控制器模型并進行仿真，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的輸入信號，仿真結果如圖3所示。

圖3　仿真結果

由圖3可知：在仿真中，系統對于階躍信號的響應時間為最大37 ms，超調量最大為4.2%；5 MPa和10 MPa 的動態響應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°。仿真結果表明，所設計系統的響應速度和動態跟蹤精度在理論上均能夠滿足海洋深度模擬裝置的指標要求。

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

根據所設計的系統進行計算選型，搭建了試驗平臺，所搭建的實驗平臺如圖4所示，采用與仿真相同的輸入信號對系統進行實驗。

實驗結果如圖5所示。

圖5　實驗結果

由圖5可知：在實驗中，系統對于階躍信號的響應時間為最大46 ms，超調量最大為6.5%；5 MPa和10 MPa 的動態響應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　深度變化模擬實驗結果

由圖6可知，系統在深度模擬實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的深度變化。

實驗結果表明，該系統具有較高的響應速度和動態跟蹤精度，可以為水下滑翔機提供精確的海洋深度變化環境，以滿足其陸地半實物仿真的需求；同時，實驗結果與仿真結果基本吻合，驗證了所構建數學模型及控制器設計的正確性。

5　結論

針對水下滑翔機半實物仿真的需要，設計了一種采用電液伺服控制系統的深度模擬裝置。通過理論分析，建立系統的數學模型，并基于PID控制策略完成仿真分析，結果表明所設計的系統在理論上可以滿足要求，進而搭建實驗平臺，進行了實驗研究，結果表明該系統具有較高的響應速度和動態跟蹤精度，可以滿足水下滑翔機陸地半實物仿真的需求，同時也驗證了所構建數學模型及控制器設計的正確性，為進一步理論研究奠定了一定的基礎。

參考文獻：

[1]葉祥明.基于深度模擬器控制系統的仿真研究[J].水雷戰與艦船防護，2009,17(4):52-55.

[2]高永寧.深度模擬器控制系統設計與仿真[J].水雷戰與艦船防護,2011,19(3):15-18.

[3]萬亞民.高性能深度模擬器控制系統研究[J].魚雷技術,2002,10(3):24-26.

[4]潘成梁.海洋深度模擬器的電液控制系統研究[D].武漢:華中科技大學,2012.

[5]李寶仁.基于零相差PID控制器的深度模擬器仿真[J].華中科技大學學報(自然科學版),2012,40(6)：6-10.

[6]王春行.液壓控制系統[M].北京:機械工業出版社,2007.

[7]劉金琨.先進PID控制和MATLAB仿真[M].北京:電子工業出版社,2011.

[8]劉念,沈紅,王帆.新型兩級伺服油缸設計及應用[J]. 液壓與氣動,2014,(11):116-119.