海水液壓可調(diào)壓載系統(tǒng)控制策略與節(jié)能方法研究.pdf

1、隨著國(guó)際海洋資源競(jìng)爭(zhēng)逐漸走向深遠(yuǎn)極海域，研發(fā)具備更強(qiáng)機(jī)動(dòng)性能、更大作業(yè)范圍的潛水器已成為各海洋國(guó)家的迫切需求?？烧{(diào)壓載系統(tǒng)是拓展?jié)撍鳈C(jī)動(dòng)性能、延長(zhǎng)潛水器作業(yè)時(shí)間的重要子系統(tǒng)。海水液壓可調(diào)壓載系統(tǒng)(WHVBS, Sea Water Hydraulic Variable Ballast System)直接使用海水作為介質(zhì)，通過(guò)海水液壓元件構(gòu)建的開(kāi)式系統(tǒng)對(duì)壓載水艙及海洋環(huán)境中的海水進(jìn)行交換，較其它實(shí)現(xiàn)方式具有環(huán)境友好、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、調(diào)

2、節(jié)范圍大等突出優(yōu)點(diǎn)，是目前可調(diào)壓載系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。
　　但由于WHVBS工作狀態(tài)惡劣且介質(zhì)污染嚴(yán)重，現(xiàn)有WHVBS多為開(kāi)關(guān)型系統(tǒng)，只具有“額定流量排水”、“零流量”以及“額定流量注水”三種工作狀態(tài)，不能精確地對(duì)壓載水量進(jìn)行控制，極大地降低了WHVBS在復(fù)雜作業(yè)工況及操縱精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合下的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，由于缺乏中間流量，開(kāi)關(guān)型WHVBS在對(duì)潛水器進(jìn)行垂直面操縱的過(guò)程中易產(chǎn)生不必要的振蕩，這會(huì)降低潛水器的操縱精度、延長(zhǎng)調(diào)節(jié)

3、耗時(shí)并增加系統(tǒng)能耗。針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于海水液壓電磁開(kāi)關(guān)閥與定量海水泵，提出了一種流量可控型WHVBS方案(FCWHVB)，并搭建了該方案的樣機(jī)。針對(duì)WHVBS面臨的高精度與低能耗這兩個(gè)突出問(wèn)題，對(duì) FCWHVBS建模、控制策略、能耗以及節(jié)能方法進(jìn)行了系統(tǒng)深入的理論與試驗(yàn)研究。論文具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　首先，基于潛水器通用的6自由度運(yùn)動(dòng)模型，歸納總結(jié)了WHVBS對(duì)潛水器進(jìn)行垂直面操縱的2D仿真模型。并利用上述模型，在3種典型懸

4、浮定深場(chǎng)景下對(duì)使用不同性能WHVBS的潛水器進(jìn)行了操縱仿真。通過(guò)結(jié)果分析，揭示了WHVBS壓載控制性能與潛水器操縱精度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而為后文的相關(guān)研究指明了方向。
　　其后，提出了 FCWHVBS的總體方案，該方案采用了抗污染能力強(qiáng)且可靠性高的海水液壓電磁開(kāi)關(guān)閥與定量油水分離式海水泵，且可支持伺服-定量泵控(泵控模式)、低頻 PWM開(kāi)關(guān)閥控(閥控模式)兩種方式對(duì) WHVBS中的壓載流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。并建立了FCWHVBS中關(guān)鍵元件的

5、數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上根據(jù) FCWHVBS實(shí)際工作流程搭建了該系統(tǒng)的數(shù)字仿真平臺(tái)。
　　FCWHVBS中開(kāi)關(guān)閥/定量泵的流量調(diào)節(jié)精度差，僅靠FCWHVBS中流量控制元件進(jìn)行壓載水量開(kāi)環(huán)控制無(wú)法滿足潛水器的高精度操縱要求。為提高 FCWHVBS的壓載控制精度，在FCWHVBS中引入壓載水量閉環(huán)控制，并選擇廣義預(yù)測(cè)控制(GPC)作為基本控制策略。隨后，為解決傳統(tǒng)GPC直接用于FCWHVBS時(shí)在部分工況下的辨識(shí)參數(shù)振蕩、控制精度惡化的問(wèn)題

6、，針對(duì) FCWHVBS中影響壓載控制精度的非線性因素，為泵控模式提出了一種改進(jìn)型廣義預(yù)測(cè)控制策略PMIGPC，為閥控模式提出了一種基于電磁閥特性補(bǔ)償?shù)膹V義預(yù)測(cè)控制策略 SVCGPC。并通過(guò)數(shù)字仿真平臺(tái)與 FCWHVBS樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)PMIGPC與SVCGPC的有效性進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證。
　　最后，為進(jìn)一步優(yōu)化FCWHVBS的能效水平，對(duì)FCWHVBS的能耗及節(jié)能方法開(kāi)展了相關(guān)研究?；贔CWHVBS的能量流分析，建立了FCWH

7、VBS的能耗計(jì)算模型。利用樣機(jī)搭建了 FCWHVBS能耗測(cè)試平臺(tái)，驗(yàn)證了能耗計(jì)算模型的有效性，并對(duì)泵控模式與閥控模式的能耗水平進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。提出了一種工況自適應(yīng)的泵閥復(fù)合節(jié)能控制方法，該方法能利用壓載水艙內(nèi)的氣壓以及海洋環(huán)境壓力進(jìn)行無(wú)動(dòng)力閥控注排水，減少了FCWHVBS應(yīng)用過(guò)程中從“高壓”往“低壓”注排水時(shí)不必要的能量消耗。隨后，通過(guò)數(shù)種典型場(chǎng)景下的潛水器操縱仿真，對(duì)泵閥復(fù)合控制方法的節(jié)能效果進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　鑒于目前國(guó)際上流量