一種作業(yè)型水下機(jī)器人液壓推進(jìn)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(wú)人水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及針對(duì)過驅(qū)動(dòng)作業(yè)型遙控 水下機(jī)器人(R0V-RemotelyOperatedVehicle)的，一種作業(yè)型水下機(jī)器人液壓推進(jìn)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(diǎn)是能在危險(xiǎn)深海環(huán)境中完成高強(qiáng)度、大負(fù)荷和高精度作業(yè)， 它是我國(guó)實(shí)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(duì)作業(yè)人員進(jìn)行崗位培訓(xùn)，并對(duì)水下作業(yè)進(jìn)行預(yù)演，提高作業(yè)效率 及安全性，具有重要的工程價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
[0003] 為了保證較強(qiáng)的水下作業(yè)能力，作業(yè)型R0V通常是過驅(qū)動(dòng)型的，即所安裝推進(jìn)器的 個(gè)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(gè)成矢量布置型式的液壓螺 旋槳推進(jìn)器。為了實(shí)現(xiàn)作業(yè)型R0V六自由度運(yùn)動(dòng)控制，需要同時(shí)控制8個(gè)推進(jìn)器動(dòng)作，這屬于 典型的過驅(qū)動(dòng)推力分配問題。同時(shí)，由于液壓推進(jìn)器的執(zhí)行存在較大的滯后特性，研究液壓 推進(jìn)器的推力控制仿真系統(tǒng)，對(duì)研究作業(yè)型R0V仿真訓(xùn)練模擬器具有重要的工程價(jià)值。因 此，液壓推進(jìn)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(jī)器人推進(jìn)器的推力控制通常是通過直接控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn) 的。然而，由于海底海流流速或R0V運(yùn)動(dòng)速度的變化，會(huì)導(dǎo)致螺旋槳進(jìn)速系數(shù)的改變，進(jìn)一步 會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)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(lái)調(diào)節(jié)推進(jìn)器的推 力，難以實(shí)現(xiàn)推力的穩(wěn)定輸出，也就難以實(shí)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(guó)內(nèi)外公開資料很少有公開關(guān)于作業(yè)型R0V推進(jìn)系統(tǒng)的控制仿真技術(shù)方面的相關(guān)文獻(xiàn) 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(jī)器人液壓推進(jìn)器的推 力控制仿真系統(tǒng)。
[0006] -種作業(yè)型水下機(jī)器人液壓推進(jìn)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(dá)傳遞函數(shù)模型、馬達(dá)排量模塊Dm、螺旋槳推進(jìn)器動(dòng) 力學(xué)系統(tǒng)模型、螺旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計(jì)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(dá)傳遞函數(shù)模型，輸出液壓馬達(dá)兩端油液壓力差R給馬達(dá)排量模塊Dm，輸出扭矩Tg;
[0008] 將螺旋槳的進(jìn)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(jì)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(jìn)器動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型；
[0009] 螺旋槳推進(jìn)器動(dòng)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(jì)算 出推進(jìn)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(jì)算模型，推進(jìn) 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(jī)器人液壓推進(jìn)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(dá)傳遞函數(shù)模型為：
[0015]
[0016] 其中，PL-一液壓馬達(dá)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(dòng)距尚，為Xν的幅值;Kq--流量增益;Dm--液壓馬達(dá)的理論排量;Vt--閥腔、馬達(dá)腔 和連接管道的總?cè)莘e;&一一等效體積彈性模量;Bm-一負(fù)載和液壓馬達(dá)的粘性阻尼系數(shù)；J一一液壓馬達(dá)和負(fù)載的總慣性量，負(fù)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(jìn)器動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型為：
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]其中：?Υ-一作用在液壓馬達(dá)的外負(fù)載力矩，外負(fù)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(jìn)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(dá)的兩端油液壓力來(lái)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(dá)兩端油液壓力差，可實(shí)現(xiàn)液壓推進(jìn)器的螺旋槳負(fù)載力矩和推力控制； 可實(shí)現(xiàn)在不同水流進(jìn)速條件下液壓推進(jìn)器的穩(wěn)定推力控制仿真。
[0024]本發(fā)明中的液壓推進(jìn)器的推力控制仿真系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，可以比較 真實(shí)的描述作業(yè)型R0V液壓推進(jìn)器內(nèi)部控制體系結(jié)構(gòu)，可以逼真模擬作業(yè)型R0V運(yùn)動(dòng)控制過 程中的液壓推進(jìn)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，可實(shí)現(xiàn)在海流速度及R0V運(yùn)動(dòng)速度變化時(shí)，液壓推進(jìn)器 的推力穩(wěn)定輸出等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0025]圖1作業(yè)型R0V液壓推進(jìn)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(dá)傳遞函數(shù)的原理圖；
[0027]圖3電液伺服閥控制液壓馬達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)表。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)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(jìn)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(dá)的傳 遞函數(shù)模型、螺旋槳推進(jìn)器動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型、螺旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計(jì)算模型等。本專利建 立了一種作業(yè)型R0V液壓推進(jìn)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(dá) 的兩端油液壓力來(lái)間接控制螺旋槳輸出推力的方法，在海底海流速度或R0V運(yùn)動(dòng)速度變化 而導(dǎo)致螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)發(fā)生變化時(shí)，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速，來(lái)達(dá)到液壓推進(jìn)器的 穩(wěn)定推力輸出的目的。
[0030]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：如圖1所示，作業(yè)型R0V控制器輸出某個(gè)推進(jìn)器的期 望推力Tuh輸入到放大器1后，按照式（1)計(jì)算輸出控制電壓ut;ut輸入到放大器2后，按照 式(2)計(jì)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(dá)傳遞函數(shù)模型后，按照式(4)輸出液壓馬達(dá)兩端油液壓力 差PL;PL輸入到馬達(dá)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(jìn)器動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)后，按照式(6)-(8)輸出推進(jìn)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(jì)算的：將螺旋槳的進(jìn)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(jì)算模塊，根據(jù)公式(9)，得到螺旋槳 的進(jìn)速系數(shù)J;對(duì)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(jìn)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。可根據(jù)所研究具體推進(jìn)器的螺旋槳特性曲 線，建立螺旋槳KQ、KT和進(jìn)速系數(shù)J之間關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算得到進(jìn)速系數(shù)J，實(shí)時(shí)查找 數(shù)據(jù)庫(kù)，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(dāng)邊=〇:時(shí)，由于螺旋槳的粘性阻尼力矩系數(shù)Βμ很小，可以 認(rèn)為當(dāng)螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)發(fā)生變化時(shí)，螺旋槳輸出扭矩Q基本保持不變，即Q近似等于液壓 馬達(dá)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(dāng)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(shí)現(xiàn)了在液 壓馬達(dá)油液壓力一定時(shí)，即使螺旋槳的進(jìn)速發(fā)生變化，能達(dá)到液壓推進(jìn)器的輸出穩(wěn)定推力 的目的。
[0033]本發(fā)明所設(shè)計(jì)的作業(yè)型R0V的液壓推進(jìn)器的推力控制仿真系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、層 次清晰、使用方便，可以比較真實(shí)的描述實(shí)際電液伺服閥控制的液壓螺旋槳推進(jìn)器的內(nèi)部 控制體系結(jié)構(gòu)，具有能夠準(zhǔn)確的模擬實(shí)際作業(yè)型R0V的液壓推進(jìn)器的推力控制功能及動(dòng)態(tài) 控制過程的特點(diǎn)。
[0034] 放大器1可視為比例環(huán)節(jié)，按照下式計(jì)算：
[0035]
(1)
[0036] 式中：Ut--控制電壓，為ut的幅值。
[0037]伺服閥驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)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(gè)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(dá)的傳遞函數(shù)可用下式表示：
[0044]
[0045] 式中：PL-一液壓馬達(dá)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(dòng)距尚，為Xv的幅值;Kq--流量增益;Dm--液壓馬達(dá)的理論排量;Vt--閥腔、馬達(dá)腔 和連接管道的總?cè)莘e;&一一等效體積彈性模量;Bm-一負(fù)載和液壓馬達(dá)的粘性阻尼系數(shù)；J一一液壓馬達(dá)和負(fù)載的總慣性量，此處負(fù)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(dá)的基本組成框圖，圖2中各參數(shù)意義如 下:Qi--液壓馬達(dá)總流量;Ct。--液壓缸的總泄露系數(shù);Ql--負(fù)載油液流量;θ--液壓 馬達(dá)角位移；多--液壓馬達(dá)角速度。
[0047]液壓馬達(dá)的輸出力矩可按下式計(jì)算：
[0048]Tg=DMpL (5)
[0049] 式中：Tg-一液壓馬達(dá)的輸出扭矩，即驅(qū)動(dòng)力矩。
[0050]液壓馬達(dá)和負(fù)載力矩的平衡方程為：
[0051：