一種新型矢量推進器設計與控制

蘇恒， 張瓊， 馬永敬， 劉兵， 譚杰， 鄧學文

（1.長沙市電子工業學校，長沙 410116；2.湖南師范大學工程與設計學院，長沙 410081；3.長沙航空職業技術學院，長沙 410124；4.芷江民族職業中專學校，湖南 懷化 418000；5.靖州縣職業教育總校，湖南 懷化 418499）

0 引言

水下探測器的轉向舵轉彎半徑大且推進裝置無法轉向，導致其無法輕易完成原地轉彎等動作，為解決該問題，眾多研究提出了一種方向和大小均發生改變的矢量推進力裝置，通過對推進器進行動力學分析，得到運動參數和力矩的變化規律[1-2]，采用模糊PID算法，以偏航角控制為例，設計了水下航行器的模糊PID控制器[3]，通過引入非線性矢量運動算法，進行推進器的運動數學模型建立分析[4]，這些研究均基于現有的推進器展開。本文根據F-35發動機矢量尾噴管原理設計一種新型矢量推進裝置，驗證其可行性，并設計了模糊-單神經元控制器，為水下探測器高機動推進系統研究提供一定指導。

1 矢量推進器設計

1.1 自由度計算

為了實現空間中螺旋槳姿態的調整，提出樣機主要技術指標，如表1所示。

表1 推進器主要技術指標

圖1為該矢量推進器的機械運動簡圖，螺旋槳柔性軸安裝在主軸電動機外殼10上，轉向電動機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齒輪，通過控制轉向電動機的轉動，3個筒體即可完成沿斜切面的相對旋轉，進而使螺旋槳軸線完成全方位擺動。

圖1 新型矢量推進器機構運動簡圖

該矢量推進器的自由度公式為

式中：F為機構的自由度；n為構件數；g為運動副數；fi為第i個運動副的相對自由度數。

得出該新型矢量推進器的自由度數為4。

1.2 截面偏角計算

圖2為新型矢量推進器的幾何特征示意圖。該矢量推進器由3段筒體構成，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為相鄰兩筒體的結合面。圖3為該推進器筒體偏轉至最大偏角時的型面示意圖，α為截面2-2和4-4的夾角，β為螺旋槳的偏轉角度。

圖2 新型矢量推進器幾何特征示意圖

圖3 推進器最大偏角型面示意圖

根據偏轉規律可知，α和β滿足如下關系式：

由式（2）可得，當螺旋槳軸線偏角為90°時，截面夾角應為22.5°。

1.3 推進器結構

圖4為新型矢量推進器的機構，該矢量推進器通過控制3段筒體的旋轉實現螺旋槳的全方位擺動，其主要由主軸電動機、傳動軸、3個轉向電動機、3段筒體、傳動齒輪及密封件等構成。

圖4 新型矢量推進器結構

2 推進器偏轉模型

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

圖5 新型矢量推進器偏轉規律模型

坐標系x0y0z0繞坐標系xyz的x軸旋轉角度-θ1的余弦矩陣為

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

3 偏轉角度耦合驗證

為驗證該推進器螺旋槳軸線的最大偏轉角度，設置偏轉電動機參數（如表2），其中令電動機2轉向為正向“+”，得到螺旋槳軸線角度變化如圖6和圖7所示。

表2 偏轉電動機參數

由圖6可知，在30 s設定時間內，螺旋槳軸線最大偏轉角度為90°，而軸線的偏轉角度區間為[-90°,90°]，在0.82 s時偏轉角度為0°，在7.32 s時偏轉角度為90°，則偏轉角周期近似為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，由于只是一個過渡點，機構的投影角度并未發生突變。耦合驗證結果表明，螺旋槳軸線能實現最大偏轉角度為90°的偏轉，且可實現螺旋槳軸繞中心軸進行360°旋轉。

圖6 螺旋槳軸線偏轉角度

圖7 螺旋槳軸線yz 面投影角度

4 模糊-神經元PID控制

矢量推進器控制系統結構如圖8所示，當筒體發生偏轉，會產生偏轉角度誤差。

圖8 矢量推進器控制系統結構框圖

伺服電動機調速系統傳遞函數[6-7]為

第一筒體旋轉角度θ1和第二筒體旋轉角度θ2的轉速誤差為

神經元可以提高神經網絡的魯棒性和容錯性[8]，模糊-單神經元PID 控制結構如圖9所示。

圖9 模糊-單神經元PID 控制器結構

增量式的單神經元控制算法為：

引入PID控制后筒體轉速誤差如圖10所示，階躍響應下的3種PID控制方法下的結果如圖11所示。

圖10 筒體轉速誤差

圖10 中引入PID控制后，轉速誤差由0.1下降至0.07 左右。圖11中，PID控制下響應時間為1.5 s，模糊PID控制下響應時間1.2 s，而在模糊-單神經元PID控制下響應時間為0.8 s，系統響應更加迅速；在4 s時加入8%的干擾信號，模糊-單神經元PID穩定時間更短，提高了系統的穩定性。

圖11 干擾仿真結果對比

5 結論

1）設計了一種新型矢量推進器，利用電動機控制3段筒體偏轉實現全方位擺動，并耦合驗證了該結構的可行性。

2）設計了模糊-單神經元PID控制器，結果表明，該控制器可以減少系統的響應時間并提高系統的穩定性。