水下滑翔机深度模拟装置仿真及实验研究

， 　， ， 宝仁(华中科技大学 机械科学与工程学院， 湖北 武汉　430074)

引言

水下滑翔机是一种新型水下自主观测设备，具有低噪声、低功耗、长航程、高隐蔽性等特点，可以长期部署在水下用于监测海洋环境、研究海洋生物、勘探海洋资源等。海洋深度模拟器作为水下滑翔机陆地半实物仿真的重要组成部分，可以在实验室条件下对水下滑翔机纵向深度控制系统的各项性能指标和参数进行测试，对缩短水下滑翔机的研制周期，降低其实验成本具有一定的意义[1]。

海洋深度模拟器是一种电液压力伺服控制系统，通过伺服阀控制密闭容腔的进出油，从而实现密闭容腔的压力控制[2]。万亚民等研制了一种高性能深度模拟器，设计一种具有很好适应性和鲁棒性的非线性PID控制方法，实现了最大深度550 m的高精度深度模拟[3]。潘成梁等设计了一种基于零相差PID控制器的深度模拟器，实现了系统的快速响应性，并减小了高频时系统的动态跟踪误差[4, 5]。在此基础上，结合水下滑翔机自身的特点，设计了一种深度模拟装置，并采用增量式PID控制器实现压力的精确控制。

1　系统组成及工作原理

海洋深度模拟器由两部分组成：电控系统和液压系统。电控系统包括控制器、压力传感器、数据采集卡等，用于系统的信号采集和压力控制；液压系统包括油箱、液压泵、先导式电磁溢流阀、伺服阀、进油过滤器、回油过滤器、密闭容腔等，用于系统供油。其原理图见图1。

1.油箱　2.油泵　3.进油过滤器　4.先导式电磁溢流阀 5.回油过滤器　6.伺服阀　7.密闭容腔　8.压力传感器

系统工作原理为：液压系统中，电动机带动油泵向系统中提供压力油；电控系统接受控制信号和压力传感器反馈的实际压力值，通过控制器解算出控制量，控制电液伺服阀的阀芯位移，从而控制密闭容腔的进出油，以实现对密闭容器的压力控制；密闭容腔的一端留有压力信号的输出接口，可向水下滑翔机深度控制系统输出深度信号。根据某型号水下滑翔机深度控制系统的各项技术指标，本研究中海洋深度模拟装置的相关指标如下：系统最大输出压力为10 MPa，最高响应频率为1 Hz，响应时间小于50 ms，幅值比误差小于10%，相位误差小于10°。

2　系统数学模型

海洋深度模拟装置为一种电液压力伺服控制系统，通过对该系统的分析，并结合液压伺服控制的相关理论[6]，推导出该系统的数学模型，其传递函数方框图如图2所示。

图2　系统传递函数方框图

图中：r(s)为输入压力；y(s)为输出压力；K1为电流信号与压力信号之间的增益；Gsv为伺服阀的传递函数，其中Ksv为伺服阀流量增益；ωsv为伺服阀固有频率；ξ为伺服阀的阻尼比；Gv为密闭容腔的传递函数，其中E为油液体积弹性模量；V为密闭容腔容积。

由此可推出海洋深度模拟装置的开环传递函数为：

根据伺服阀的样本手册可知：

Ksv=3.78 mm3/(s·A)；ωsv=1130 rad/s，ξ=0.5，

K1=6.667×10-3A/MPa。由于系统压力变化范围不大，可取E=0.7 GPa，根据装置大小取V=0.5 L，将数据代入传递函数中得：

3　控制器设计

PID控制器具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便的特点，因此在工业控制领域得到了广泛的应用。离散PID表达式为：

式中，T为采样周期，ei和ei-1分别表示第i和第i-1时刻的偏差信号，可以看出，每次输出均与过去状态有关，计算时需要对ei进行累加，这不仅使得计算任务较大，而且如果系统在某一时刻出现故障，输出量可能会大幅度变化，有可能造成硬件系统的损坏。为避免这种情况的发生，本系统采用增量式PID控制器，其表达式为：

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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仅与第i、第i-1和第i-2次的采样有关，不仅可以极大的减小运算量，提高系统的处理速度，而且误动作造成的影响也较小，提高系统的实时性和可靠性[7]。根据所设计系统的开环传递函数，增量式PID控制器控制参数分别为Kp=13.5、Ki=Kp/Ti=1、Ki=KpTi=0.005。

4　仿真和实验分析

基于MATLAB/Simulink构建系统数学模型和控制器模型并进行仿真，取采样时间为1 ms，采用阶跃信号和频率为1 Hz、幅值为0.05 MPa、偏置分别分5 MPa 和10 MPa的正弦信号作为系统的输入信号，仿真结果如图3所示。

图3　仿真结果

由图3可知：在仿真中，系统对于阶跃信号的响应时间为最大37 ms，超调量最大为4.2%；5 MPa和10 MPa 的动态响应的幅值比误差分别为2.3%和2.9%，相位滞后分别为5.1°和6.7°。仿真结果表明，所设计系统的响应速度和动态跟踪精度在理论上均能够满足海洋深度模拟装置的指标要求。

1.油箱　2.电机　3.油泵　4.进油过滤器　5.压力表 6.伺服阀　7.先导式电磁溢流阀　8.密闭容腔　9.压力传感器

根据所设计的系统进行计算选型，搭建了试验平台，所搭建的实验平台如图4所示，采用与仿真相同的输入信号对系统进行实验。

实验结果如图5所示。

图5　实验结果

由图5可知：在实验中，系统对于阶跃信号的响应时间为最大46 ms，超调量最大为6.5%；5 MPa和10 MPa 的动态响应的幅值比误差分别为3.6%和4.5%，相位滞后分别为6.1°和7.6°。

图6　深度变化模拟实验结果

由图6可知，系统在深度模拟实验的各个阶段都有较高的跟踪精度，从而可以精确模拟水下滑翔机的深度变化。

实验结果表明，该系统具有较高的响应速度和动态跟踪精度，可以为水下滑翔机提供精确的海洋深度变化环境，以满足其陆地半实物仿真的需求；同时，实验结果与仿真结果基本吻合，验证了所构建数学模型及控制器设计的正确性。

5　结论

针对水下滑翔机半实物仿真的需要，设计了一种采用电液伺服控制系统的深度模拟装置。通过理论分析，建立系统的数学模型，并基于PID控制策略完成仿真分析，结果表明所设计的系统在理论上可以满足要求，进而搭建实验平台，进行了实验研究，结果表明该系统具有较高的响应速度和动态跟踪精度，可以满足水下滑翔机陆地半实物仿真的需求，同时也验证了所构建数学模型及控制器设计的正确性，为进一步理论研究奠定了一定的基础。

参考文献：

[1]叶祥明.基于深度模拟器控制系统的仿真研究[J].水雷战与舰船防护，2009,17(4):52-55.

[2]高永宁.深度模拟器控制系统设计与仿真[J].水雷战与舰船防护,2011,19(3):15-18.

[3]万亚民.高性能深度模拟器控制系统研究[J].鱼雷技术,2002,10(3):24-26.

[4]潘成梁.海洋深度模拟器的电液控制系统研究[D].武汉:华中科技大学,2012.

[5]李宝仁.基于零相差PID控制器的深度模拟器仿真[J].华中科技大学学报(自然科学版),2012,40(6)：6-10.

[6]王春行.液压控制系统[M].北京:机械工业出版社,2007.

[7]刘金琨.先进PID控制和MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2011.

[8]刘念,沈红,王帆.新型两级伺服油缸设计及应用[J]. 液压与气动,2014,(11):116-119.