水下渦輪機系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制研究

羅　凱，張學(xué)雷，王曉欣，羅　鑫

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安，710072）

水下渦輪機系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制研究

羅凱，張學(xué)雷，王曉欣，羅鑫

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安，710072）

應(yīng)用于高速水下航行器的開式渦輪機系統(tǒng)具有耗氣量低、焓降大和結(jié)構(gòu)簡單等特點，但該系統(tǒng)對工況敏感。采用調(diào)節(jié)燃料泵泵角的閉環(huán)控制策略，建立開式渦輪機動力系統(tǒng)及其泵角執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計合理的控制算法并研制轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器，首次實現(xiàn)了水下渦輪機的無級變速控制。半物理仿真試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的控制器可保證系統(tǒng)轉(zhuǎn)速在變工況下跟隨指令轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的過渡時間不大于7 s，最大轉(zhuǎn)速偏差不大于20 r/min，燃燒室壓強超調(diào)不大于5%，保證了系統(tǒng)的安全性，可以有效地支持航行器新型制導(dǎo)規(guī)律的實現(xiàn)。

自主式水下航行器； 開式渦輪機； 閉環(huán)控制； 控制器； 無級變速

0　引言

受制于當(dāng)前材料、設(shè)計和工藝水平等因素，應(yīng)用于高速水下航行器的筒形活塞發(fā)動機的性能潛力已發(fā)揮至極限，難以在目前500 kW的水平上進一步提高［1］。采用渦輪機作為動力推進系統(tǒng)，是進一步提高水下航行器航速的主要選擇之一。水下渦輪機具有耗氣量低、焓降大、結(jié)構(gòu)簡單等特點，然而開式渦輪機動力系統(tǒng)對工況的敏感程度遠遠超過活塞機系統(tǒng)［2］，為獲得穩(wěn)定可控的轉(zhuǎn)速，研究水下渦輪機系統(tǒng)的閉環(huán)控制十分必要。

相比傳統(tǒng)的開環(huán)控制策略，閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠提供航行器彈道控制所需的燃料余量、當(dāng)前航深下的可能變速范圍等計算參量，可實現(xiàn)航行器的最佳導(dǎo)引彈道。國外在該方面的研究較早并已成功應(yīng)用于水下航行器。如英國的spearfish魚雷已很好地解決了轉(zhuǎn)速控制與調(diào)節(jié)的難題，該魚雷采用開式循環(huán)燃氣渦輪機動力系統(tǒng)，最高航速70 kn，最大航深可達900 m［3］。國內(nèi)對于水下動力系統(tǒng)的閉環(huán)控制研究多針對活塞機系統(tǒng)，如西北工業(yè)大學(xué)的李代金等人在實驗室條件下實現(xiàn)對水下活塞機的無級變速控制［5］。然而尚未發(fā)現(xiàn)成功實現(xiàn)水下渦輪機系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的相關(guān)文獻。

文章針對開式渦輪機動力系統(tǒng)，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計合理控制算法，研制應(yīng)用于渦輪機的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器，并通過半物理仿真試驗驗證了設(shè)計的實用性。

1　水下渦輪機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制策略

水下渦輪機動力推進系統(tǒng)原理如圖1所示，其主要由電控變排量燃料泵、渦輪發(fā)動機、燃燒室、擠代式燃料儲倉、推進器、轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器、輔機（中頻電機、滑油泵、海水泵等輔件）等組成［4］。

圖1　水下渦輪機動力推進系統(tǒng)原理圖Fig. 1　Principle of underwater turbine propulsion system

海水進入海水電池后，通過電爆管引燃燃燒室里的固體藥柱，系統(tǒng)隨之啟動。渦輪機輸出軸帶動推進器和輔機轉(zhuǎn)動，海水經(jīng)海水泵增壓后，一部分用于燃燒室冷卻，另一部分通過減壓閥進入燃料儲倉擠代燃料，確保燃料泵泵前壓力恒定。燃料經(jīng)燃料泵增壓通過單向閥進入燃燒室，經(jīng)噴嘴霧化后燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃氣推動渦輪機做功。渦輪機輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)過減速器適當(dāng)降低后驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，同時，做功后的低溫低壓廢氣經(jīng)推進軸內(nèi)孔排出體外。

轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器接收的指令為上位機發(fā)送的啟動指令、轉(zhuǎn)速指令和航深指令等信號，所接受的反饋信號是渦輪機的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，因渦輪機以恒速比帶動發(fā)電機，所以只要用轉(zhuǎn)速傳感器測出發(fā)電機轉(zhuǎn)速即可計算出渦輪機轉(zhuǎn)速。燃料泵斜盤角（對應(yīng)泵的排量）受控于轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器?？刂破鞲鶕?jù)當(dāng)前指令及反饋轉(zhuǎn)速，輸出控制信號到變量燃料泵伺服系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)——伺服電機根據(jù)信號適當(dāng)調(diào)整燃料泵泵角，改變進入燃燒室的燃料流量，以實現(xiàn)對航行器轉(zhuǎn)速控制。

2　系統(tǒng)模型

2.1動力系統(tǒng)模型

對于使用泵供式、渦輪發(fā)動機的開式循環(huán)熱動力推進系統(tǒng)，其系統(tǒng)機理模型由以下方程構(gòu)成。航行器縱平面運動學(xué)方程

縱平面動力學(xué)方程，

燃料泵執(zhí)行機構(gòu)特性

燃燒室壓強特性

動力系統(tǒng)動力學(xué)方程［6］

2.2泵角執(zhí)行機構(gòu)模型

此外，以兒童在來生信念測量的總分為因變量，以2(父母宗教信仰組別)× 2(年齡：4～5歲、5～6歲)進行方差分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于兒童來生信念測量的總分，年齡與父母宗教信仰組別交互作用不顯著，父母宗教信仰組別(宗教信仰組：M=6.18，SD=3.61；無宗教信仰組：M=8.89，SD=2.98)主效應(yīng)顯著，F(xiàn)(1, 53)=8.20，p=0.006，η2=0.14。

泵角執(zhí)行機構(gòu)本身是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。其指令輸入是轉(zhuǎn)速控制器輸出的控泵電壓信號，它與斜盤角位置反饋電壓形成電壓誤差； 誤差經(jīng)過幅度放大（比例控制）形成驅(qū)動伺服電機的電壓指令。為了充分發(fā)揮電機的潛力，加快運動響應(yīng)速度，該幅度放大環(huán)節(jié)可設(shè)置為帶飽和的非線性環(huán)節(jié)； 電機驅(qū)動電路響應(yīng)放大了的電壓指令，形成PWM調(diào)制波驅(qū)動直流伺服電機； 電機轉(zhuǎn)速對于該驅(qū)動電壓的響應(yīng)是慣性環(huán)節(jié)，電機的轉(zhuǎn)速通過減速機構(gòu)比例轉(zhuǎn)化為斜盤角擺動角速度； 該擺動角速度通過一次積分，得到斜盤角位置并通過位置傳感器形成反饋電壓。變排量燃料泵及泵角執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及實物如圖2、圖3所示。

圖2　變量泵結(jié)構(gòu)圖Fig. 2　Structure of a variable pump

圖3　變量泵實物圖Fig. 3　Picture of a variable pump

系統(tǒng)泵控電壓至斜盤角傳遞函數(shù)可表達為

為簡化分析過程，考慮到泵角過渡過程的小超調(diào)特征，使用慣性環(huán)節(jié)來替代上述2階環(huán)節(jié)［7-8］，即系統(tǒng)泵控電壓至斜盤角的傳遞函數(shù)可近似描述為

寫成微分方程的形式為

其中，0α為泵控電壓為零時對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)泵角。

3　控制算法

文中采用調(diào)節(jié)燃料泵的排量實現(xiàn)對渦輪機轉(zhuǎn)速的控制。根據(jù)已建立的渦輪機動力系統(tǒng)模型，得到動力系統(tǒng)各個部分的控制框圖如圖4所示。

圖4　渦輪機動力推進系統(tǒng)各部分控制框圖Fig. 4　Control block diagram of turbine propulsion system

電機轉(zhuǎn)速對于驅(qū)動電壓的響應(yīng)可近似為慣性環(huán)節(jié)

發(fā)動機流量對于泵排量的響應(yīng)特性為

工作深度對于俯仰角的響應(yīng)特性為

背壓對于深度的響應(yīng)特性為

發(fā)動機的傳遞函數(shù)可近似描述為

整個控制算法包括轉(zhuǎn)速控制環(huán)和泵角位置控制環(huán)。轉(zhuǎn)速控制算法采用比例積分環(huán)節(jié)

泵角控制算法采用比例環(huán)節(jié)

根據(jù)轉(zhuǎn)速控制算法Gc，可由指令轉(zhuǎn)速cω和反饋轉(zhuǎn)速ω求得泵角位置控制指令qc。根據(jù)電機控制算法Ggc，可由泵角位置指令qc和泵角位置反饋q，從而控制泵角的位置，當(dāng)航行器的俯仰角Θ不為0時，航行器做變深運動，為泵角位置指令的負反饋。由此可得，整個動力的控制方程為

從而

因此發(fā)動機的轉(zhuǎn)速

由上式可看出，轉(zhuǎn)速對航深y和指令轉(zhuǎn)速cω?zé)o靜態(tài)誤差。

4　轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器的設(shè)計

基于以上算法研制了以C8051f920為控制核心的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器，以實現(xiàn)接受上位機指令并根據(jù)指令驅(qū)動及控制變排量燃料泵直流電機的功能。硬件設(shè)計過程中充分考慮系統(tǒng)抗干擾的能力，以保證設(shè)計的可靠性及穩(wěn)定性。軟件方面，系統(tǒng)對渦輪機轉(zhuǎn)速和燃料泵泵角位置的采樣周期低于5 μs，并將ADC的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)累加32次求平均值以保證反饋信息的準確，泵角位置的控制周期0.1 ms，轉(zhuǎn)速控制周期75 ms。其程序流程見圖5。

5　仿真試驗與分析

為驗證該控制系統(tǒng)的可靠性和實用性，在新型水下熱動力系統(tǒng)試驗臺上對其進行試驗并對試驗數(shù)據(jù)記錄分析。

該試驗臺由實物分系統(tǒng)及模擬分系統(tǒng)構(gòu)成。其中，燃燒室、渦輪發(fā)動機、推進器由數(shù)學(xué)模型代替； 實物分系統(tǒng)由燃料泵、燃料供給子系統(tǒng)、測控子系統(tǒng)、電力拖動實體及其他輔機組成。

試驗系統(tǒng)設(shè)定在30 m定深啟動，歷經(jīng)火藥柱單獨燃燒、藥柱和燃料混合燃燒、燃料單獨燃燒階段，在0～12 s完成啟動過程，發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定至Ⅰ速； 在33～45 s完成恒速上爬過程，航深變至10 m； 在73～80 s完成恒深變速過程，發(fā)動機轉(zhuǎn)速變至Ⅱ速； 在110～117 s完成恒深變速過程，轉(zhuǎn)速變至Ⅰ速； 在149～173 s完成恒速下潛過程，航深變至50 m； 在200～206 s完成恒深變速過程，轉(zhuǎn)速變至Ⅱ速。系統(tǒng)在后續(xù)過程中完成恒深變速、恒速變航深各2次，往復(fù)試驗增加試驗可信度。

圖5　轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器程序流程Fig. 5　Program flow chart of closed-loop rotary velocity controller

上述半物理仿真試驗過程中航深、燃料泵流量、燃燒室壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和推進器角速度隨時間變化曲線見圖6～圖8，其中圖7和圖8縱坐標為當(dāng)前時刻該參數(shù)與其最大設(shè)計值的相對值。

系統(tǒng)變工況可分為變速和變航深2個過程。對比圖6、圖7和圖8可發(fā)現(xiàn)： 1）系統(tǒng)定航深變速（切換至高速或低速）時，燃料泵出口處流量會相應(yīng)變化（增大或減?。?，燃燒室壓力正比于燃料泵流量，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過渡時間不大于7 s； 2）系統(tǒng)變航深（下潛或上爬）時，燃料泵出口處流量會相應(yīng)變化（增大或減小），燃燒室壓力正比于燃料泵流量，以補償渦輪機出口背壓的變化，確保發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變； 3）系統(tǒng)變工況過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速最大偏差不超過20 r/min； 4）系統(tǒng)各個指標參數(shù)（燃燒室壓力等）對于變速、變航深的響應(yīng)，均不會發(fā)生超調(diào)。切換動作、下潛、上爬、變速以及系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指標均合乎要求。

圖6　航行器航深隨時間變化曲線Fig. 6　Curve of depth versus time for an AUV

圖7　燃料泵輸出流量和燃燒室壓力隨時間變化曲線Fig. 7　Curves of fuel pump output flow and combustion chamber pressure versus time

圖8　發(fā)動機轉(zhuǎn)速和推進器角速度隨時間變化曲線Fig. 8　Curves of turbine rotary velocity and propeller angular velocity versus time

6　結(jié)束語

應(yīng)用于高速水下航行器的開式渦輪機動力系統(tǒng)對工況敏感，文中采用了一種基于調(diào)節(jié)變排量燃料泵斜盤角的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制策略，建立了渦輪機動力系統(tǒng)模型和變量泵泵角執(zhí)行機構(gòu)模型，設(shè)計合理的控制算法，并研制了以C8051為控制核心的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器。

半物理試驗仿真結(jié)果表明，所建立的系統(tǒng)模型合理，所研制的控制器穩(wěn)態(tài)精度高，動態(tài)性能良好，變工況時系統(tǒng)轉(zhuǎn)速波動在合理范圍之內(nèi)，變速無超調(diào)，滿足水下航行器渦輪機動力系統(tǒng)的應(yīng)用要求。因為試驗過程中的轉(zhuǎn)速指令為模擬信號，變量泵斜盤角也是連續(xù)可調(diào)的，即每一個泵角位置對應(yīng)著一個轉(zhuǎn)速，所研制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器已具備無級變速的能力。

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［2］趙寅生. 魚雷渦輪機原理［M］. 西安： 西北工業(yè)大學(xué)出版社，1995.

［3］石秀華，王曉娟. 水中兵器概論（魚雷分冊）［M］. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［4］羅凱，黨建軍，王育才. 水下熱動力推進系統(tǒng)自動控制［M］. 西安： 西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［5］李代金，張宇文，羅凱，等. 水下熱動力推進系統(tǒng)的無級變速控制研究［J］. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，27（2）：195-198.

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（責(zé)任編輯： 陳曦）

A Closed-loop Rotary Velocity Controller for Underwater Turbine Propulsion System

LUO Kai，ZHANG Xue-lei，WANG Xiao-xin，LUO Xin
（School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China）

The open circle turbine propulsion system applied to high-speed autonomous underwater vehicle （AUV）has the outstanding characteristics of low gas consumption，large enthalpy drop and simple structure. But this system is sensitive to varying conditions. In this study，the closed-loop control strategy was adopted by adjusting the fuel pump angle to establish mathematical models of the open circle turbine propulsion system and the pump angle actuator. A reasonable control algorithm was designed. Based on the models and the algorithm，a closed-loop rotary velocity controller was developed. Thus，the stepless speed control of underwater turbine was achieved. Hardware-in-the-loop simulation result shows that the proposed controller can keep the system′s rotary velocity following the command velocity in varying conditions （variable depth or velocity）. The transition time of the rotary velocity regulation is less than 7 s，and the maximum deviation of rotary velocity is less than 20 r/min. The combustion chamber pressure overshoot is less than 5%，which ensures the security of the system. The controller may effectively support the implementation of new guidance law of an AUV.

autonomous underwater vehicle（AUV）； open circle turbine； closed-loop control； controller； stepless speed

TJ630.32； TK323

A

1673-1948（2015）01-0044-05

2014-09-27；

2014-11-10.

羅凱（1972-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為水下動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及自動控制.