海水液壓可調壓載系統(tǒng)控制策略與節(jié)能方法研究.pdf

1、隨著國際海洋資源競爭逐漸走向深遠極海域，研發(fā)具備更強機動性能、更大作業(yè)范圍的潛水器已成為各海洋國家的迫切需求?？烧{壓載系統(tǒng)是拓展?jié)撍鳈C動性能、延長潛水器作業(yè)時間的重要子系統(tǒng)。海水液壓可調壓載系統(tǒng)(WHVBS, Sea Water Hydraulic Variable Ballast System)直接使用海水作為介質，通過海水液壓元件構建的開式系統(tǒng)對壓載水艙及海洋環(huán)境中的海水進行交換，較其它實現(xiàn)方式具有環(huán)境友好、系統(tǒng)簡單、性能穩(wěn)定、調

2、節(jié)范圍大等突出優(yōu)點，是目前可調壓載系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。
　　但由于WHVBS工作狀態(tài)惡劣且介質污染嚴重，現(xiàn)有WHVBS多為開關型系統(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)，不能精確地對壓載水量進行控制，極大地降低了WHVBS在復雜作業(yè)工況及操縱精度要求較高的應用場合下的競爭力。同時，由于缺乏中間流量，開關型WHVBS在對潛水器進行垂直面操縱的過程中易產(chǎn)生不必要的振蕩，這會降低潛水器的操縱精度、延長調節(jié)

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

4、浮定深場景下對使用不同性能WHVBS的潛水器進行了操縱仿真。通過結果分析，揭示了WHVBS壓載控制性能與潛水器操縱精度間的對應關系，從而為后文的相關研究指明了方向。
　　其后，提出了 FCWHVBS的總體方案，該方案采用了抗污染能力強且可靠性高的海水液壓電磁開關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開關閥控(閥控模式)兩種方式對 WHVBS中的壓載流量進行調節(jié)。并建立了FCWHVBS中關鍵元件的

5、數(shù)學模型，在此基礎上根據(jù) FCWHVBS實際工作流程搭建了該系統(tǒng)的數(shù)字仿真平臺。
　　FCWHVBS中開關閥/定量泵的流量調節(jié)精度差，僅靠FCWHVBS中流量控制元件進行壓載水量開環(huán)控制無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，并選擇廣義預測控制(GPC)作為基本控制策略。隨后，為解決傳統(tǒng)GPC直接用于FCWHVBS時在部分工況下的辨識參數(shù)振蕩、控制精度惡化的問題

6、，針對 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型廣義預測控制策略PMIGPC，為閥控模式提出了一種基于電磁閥特性補償?shù)膹V義預測控制策略 SVCGPC。并通過數(shù)字仿真平臺與 FCWHVBS樣機試驗平臺，對PMIGPC與SVCGPC的有效性進行了仿真與試驗驗證。
　　最后，為進一步優(yōu)化FCWHVBS的能效水平，對FCWHVBS的能耗及節(jié)能方法開展了相關研究?；贔CWHVBS的能量流分析，建立了FCWH

7、VBS的能耗計算模型。利用樣機搭建了 FCWHVBS能耗測試平臺，驗證了能耗計算模型的有效性，并對泵控模式與閥控模式的能耗水平進行了對比測試。提出了一種工況自適應的泵閥復合節(jié)能控制方法，該方法能利用壓載水艙內的氣壓以及海洋環(huán)境壓力進行無動力閥控注排水，減少了FCWHVBS應用過程中從“高壓”往“低壓”注排水時不必要的能量消耗。隨后，通過數(shù)種典型場景下的潛水器操縱仿真，對泵閥復合控制方法的節(jié)能效果進行了驗證。
　　鑒于目前國際上流量