一種作業(yè)型水下機器人液壓推進器的推力控制仿真系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無人水下機器人運動控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及針對過驅(qū)動作業(yè)型遙控 水下機器人(R0V-RemotelyOperatedVehicle)的，一種作業(yè)型水下機器人液壓推進器的 推力控制仿真系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 作業(yè)型R0V的最大特點是能在危險深海環(huán)境中完成高強度、大負荷和高精度作業(yè)， 它是我國實施深海資源開發(fā)戰(zhàn)略不可或缺的重大技術(shù)裝備之一。開發(fā)作業(yè)型R0V仿真訓(xùn)練 模擬器，可在虛擬環(huán)境中對作業(yè)人員進行崗位培訓(xùn)，并對水下作業(yè)進行預(yù)演，提高作業(yè)效率 及安全性，具有重要的工程價值和現(xiàn)實意義。
[0003] 為了保證較強的水下作業(yè)能力，作業(yè)型R0V通常是過驅(qū)動型的，即所安裝推進器的 個數(shù)大于其所要控制的自由度數(shù)。本發(fā)明中所研究的R0V安裝8個成矢量布置型式的液壓螺 旋槳推進器。為了實現(xiàn)作業(yè)型R0V六自由度運動控制，需要同時控制8個推進器動作，這屬于 典型的過驅(qū)動推力分配問題。同時，由于液壓推進器的執(zhí)行存在較大的滯后特性，研究液壓 推進器的推力控制仿真系統(tǒng)，對研究作業(yè)型R0V仿真訓(xùn)練模擬器具有重要的工程價值。因 此，液壓推進器的推力控制仿真系統(tǒng)成了開發(fā)作業(yè)型R0V仿真訓(xùn)練模擬器的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0004] 目前，水下機器人推進器的推力控制通常是通過直接控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn) 的。然而，由于海底海流流速或R0V運動速度的變化，會導(dǎo)致螺旋槳進速系數(shù)的改變，進一步 會導(dǎo)致推進器的轉(zhuǎn)矩系數(shù)和推力系數(shù)的變化，如果直接采用轉(zhuǎn)速反饋來調(diào)節(jié)推進器的推 力，難以實現(xiàn)推力的穩(wěn)定輸出，也就難以實現(xiàn)作業(yè)型R0V的穩(wěn)定控制。目前，由于技術(shù)比較敏 感，國內(nèi)外公開資料很少有公開關(guān)于作業(yè)型R0V推進系統(tǒng)的控制仿真技術(shù)方面的相關(guān)文獻 與資料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高穩(wěn)定性的，作業(yè)型水下機器人液壓推進器的推 力控制仿真系統(tǒng)。
[0006] -種作業(yè)型水下機器人液壓推進器的推力控制仿真系統(tǒng)，包括放大器1、放大器2、 電液伺服閥傳遞函數(shù)模型、閥控液壓馬達傳遞函數(shù)模型、馬達排量模塊Dm、螺旋槳推進器動 力學(xué)系統(tǒng)模型、螺旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計算模型；
[0007] 將期望推力Ti輸入到放大器1后，得到控制電壓uT;將控制電壓uT傳送給放大器2 后，輸出控制電流i給電液伺服閥傳遞函數(shù)模型，得到伺服閥閥芯位移xv傳送給閥控液壓馬 達傳遞函數(shù)模型，輸出液壓馬達兩端油液壓力差R給馬達排量模塊Dm，輸出扭矩Tg;
[0008] 將螺旋槳的進速VA和反饋轉(zhuǎn)速n，輸入到螺旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計算模型，得到轉(zhuǎn) 矩系數(shù)KQ和推力系數(shù)Κτ，傳送給螺旋槳推進器動力學(xué)系統(tǒng)模型；
[0009] 螺旋槳推進器動力學(xué)系統(tǒng)模型根據(jù)接收的扭矩Tg、轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ和推力系數(shù)Κτ，計算 出推進器的推力Τ和反饋轉(zhuǎn)速η，將反饋轉(zhuǎn)速η傳送給螺旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計算模型，推進 器的推力T為輸出結(jié)果。
[0010] 本發(fā)明一種作業(yè)型水下機器人液壓推進器的推力控制仿真系統(tǒng)，還可以包括：
[0011] 1、電液伺服閥傳遞函數(shù)模型為：
[0012]
[00?3 ] 其中Ksν 伺服閥增益;Tv 伺服閥常數(shù)；
[0014] 閥控液壓馬達傳遞函數(shù)模型為：
[0015]
[0016] 其中，PL-一液壓馬達高壓油路和低壓油路的壓力值之差;Xv-一電液伺服閥閥芯 移動距尚，為Xν的幅值;Kq--流量增益;Dm--液壓馬達的理論排量;Vt--閥腔、馬達腔 和連接管道的總?cè)莘e;&一一等效體積彈性模量;Bm-一負載和液壓馬達的粘性阻尼系數(shù)；J一一液壓馬達和負載的總慣性量，負載為螺旋槳轉(zhuǎn)矩;Km-一總的流量或壓力系數(shù)。
[0017] 2、螺旋槳推進器動力學(xué)系統(tǒng)模型為：
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]其中：?Υ-一作用在液壓馬達的外負載力矩，外負載力矩即為螺旋槳的扭矩Q;
-一螺旋槳扭矩;Kq-一螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù);P-一海水密度;η-一螺旋槳 的轉(zhuǎn)速;D-一螺旋槳的直徑;Κτ一一螺旋槳推力系數(shù)。
[0022] 有益效果：
[0023]本發(fā)明建立了一種作業(yè)型R0V液壓推進器的推力控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及仿真模 型，提出了一種通過控制液壓馬達的兩端油液壓力來間接控制螺旋槳輸出穩(wěn)定推力的方 法。通過控制液壓馬達兩端油液壓力差，可實現(xiàn)液壓推進器的螺旋槳負載力矩和推力控制； 可實現(xiàn)在不同水流進速條件下液壓推進器的穩(wěn)定推力控制仿真。
[0024]本發(fā)明中的液壓推進器的推力控制仿真系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，可以比較 真實的描述作業(yè)型R0V液壓推進器內(nèi)部控制體系結(jié)構(gòu)，可以逼真模擬作業(yè)型R0V運動控制過 程中的液壓推進器的動態(tài)響應(yīng)過程，可實現(xiàn)在海流速度及R0V運動速度變化時，液壓推進器 的推力穩(wěn)定輸出等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0025]圖1作業(yè)型R0V液壓推進器的推力控制仿真系統(tǒng)；
[0026]圖2電液伺服閥控制液壓馬達傳遞函數(shù)的原理圖；
[0027]圖3電液伺服閥控制液壓馬達的主要技術(shù)參數(shù)表。
【具體實施方式】
[0028]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0029]本發(fā)明目的在于提供一種可應(yīng)用于作業(yè)型R0V液壓推進器的推力控制仿真系統(tǒng)。 如圖1所示:本發(fā)明包括:放大器1、放大器2、電液伺服閥傳遞函數(shù)模型、閥控液壓馬達的傳 遞函數(shù)模型、螺旋槳推進器動力學(xué)系統(tǒng)模型、螺旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計算模型等。本專利建 立了一種作業(yè)型R0V液壓推進器的推力控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，提出一種通過控制液壓馬達 的兩端油液壓力來間接控制螺旋槳輸出推力的方法，在海底海流速度或R0V運動速度變化 而導(dǎo)致螺旋槳的進速系數(shù)發(fā)生變化時，能夠自動調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速，來達到液壓推進器的 穩(wěn)定推力輸出的目的。
[0030]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：如圖1所示，作業(yè)型R0V控制器輸出某個推進器的期 望推力Tuh輸入到放大器1后，按照式（1)計算輸出控制電壓ut;ut輸入到放大器2后，按照 式(2)計算輸出控制電流i;i輸入到電液伺服閥傳遞函數(shù)模型后，按照式(3)輸出伺服閥閥 芯位移Xv;x4俞入到閥控液壓馬達傳遞函數(shù)模型后，按照式(4)輸出液壓馬達兩端油液壓力 差PL;PL輸入到馬達排量模塊Dm后，按照式(5)輸出扭矩仏;Tg和螺旋槳的轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kq及推力 系數(shù)Κτ輸入螺旋槳推進器動力學(xué)系統(tǒng)后，按照式(6)-(8)輸出推進器的轉(zhuǎn)速η及推力T。
[0031]如圖1所示，螺旋槳的轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ及推力系數(shù)Κτ是這樣計算的：將螺旋槳的進速Va和螺旋槳的反饋轉(zhuǎn)速n，輸入到螺旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計算模塊，根據(jù)公式(9)，得到螺旋槳 的進速系數(shù)J;對于幾何形狀一定的螺旋槳而言，推力系數(shù)Κτ與轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ僅與進速系數(shù)J有 關(guān)，KQ、KT與J之間的曲線成為螺旋槳的特性曲線?？筛鶕?jù)所研究具體推進器的螺旋槳特性曲 線，建立螺旋槳KQ、KT和進速系數(shù)J之間關(guān)系數(shù)據(jù)庫，根據(jù)實時計算得到進速系數(shù)J，實時查找 數(shù)據(jù)庫，即可得到轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ和推力系數(shù)Κτ。
[0032]由式(6)-(7)可以看出：當邊=〇:時，由于螺旋槳的粘性阻尼力矩系數(shù)Βμ很小，可以 認為當螺旋槳的進速系數(shù)發(fā)生變化時，螺旋槳輸出扭矩Q基本保持不變，即Q近似等于液壓 馬達的輸出力矩!^。根據(jù)常見螺旋槳的特性曲線圖，轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ和推力系數(shù)Κτ基本成線性關(guān) 系。當螺旋槳轉(zhuǎn)矩Q能夠保持穩(wěn)定輸出，螺旋槳輸出推力Τ也能保持穩(wěn)定。這樣就實現(xiàn)了在液 壓馬達油液壓力一定時，即使螺旋槳的進速發(fā)生變化，能達到液壓推進器的輸出穩(wěn)定推力 的目的。
[0033]本發(fā)明所設(shè)計的作業(yè)型R0V的液壓推進器的推力控制仿真系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、層 次清晰、使用方便，可以比較真實的描述實際電液伺服閥控制的液壓螺旋槳推進器的內(nèi)部 控制體系結(jié)構(gòu)，具有能夠準確的模擬實際作業(yè)型R0V的液壓推進器的推力控制功能及動態(tài) 控制過程的特點。
[0034] 放大器1可視為比例環(huán)節(jié)，按照下式計算：
[0035]
(1)
[0036] 式中：Ut--控制電壓，為ut的幅值。
[0037]伺服閥驅(qū)動電路一一伺服放大器為高阻抗輸出電壓-電流轉(zhuǎn)換器，頻帶比液壓固 有頻率高得多，可將其簡化為比例環(huán)節(jié)，放大器2可用下式表示：
[0038]
⑵：
[0039] 式中：I一一為伺服閥控制電流，為i的幅值。
[0040] 電液伺服閥傳遞函數(shù)可視為一個慣性環(huán)節(jié)，可表示為：
[0041]
(3)
[0042] 式中:Ksv-一伺服閥增益;IV-一伺服閥常數(shù)。
[0043] 閥控液壓馬達的傳遞函數(shù)可用下式表示：
[0044]
[0045] 式中：PL-一液壓馬達高壓油路和低壓油路的壓力值之差;Xv-一電液伺服閥閥芯 移動距尚，為Xv的幅值;Kq--流量增益;Dm--液壓馬達的理論排量;Vt--閥腔、馬達腔 和連接管道的總?cè)莘e;&一一等效體積彈性模量;Bm-一負載和液壓馬達的粘性阻尼系數(shù)；J一一液壓馬達和負載的總慣性量，此處負載為螺旋槳轉(zhuǎn)矩;Km-一總的流量/壓力系數(shù)。
[0046] 由圖2可以看出電液伺服閥控制液壓馬達的基本組成框圖，圖2中各參數(shù)意義如 下:Qi--液壓馬達總流量;Ct。--液壓缸的總泄露系數(shù);Ql--負載油液流量;θ--液壓 馬達角位移；多--液壓馬達角速度。
[0047]液壓馬達的輸出力矩可按下式計算：
[0048]Tg=DMpL (5)
[0049] 式中：Tg-一液壓馬達的輸出扭矩，即驅(qū)動力矩。
[0050]液壓馬達和負載力矩的平衡方程為：
[0051：