本发明属于无人水下机器人运动控制的
技术领域：
，尤其涉及针对作业型遥控水下机器人(ROV—RemotelyOperatedVehicle)的，一种水下机器人伺服阀控制液压推进器动力学仿真系统及其仿真方法。
背景技术：
：作业型ROV的最大特点是能在危险深海环境中完成高强度、大负荷和高精度作业，它是我国实施深海资源开发战略不可或缺的重大技术装备之一。开发作业型ROV仿真训练模拟器，可在虚拟环境中对作业人员进行岗位培训，并对水下作业进行预演，提高水下作业效率和保证作业安全，具有重要的工程价值和现实意义。本发明中所涉及的作业型ROV安装8台液压螺旋桨推进器，其中水平推进器4台，垂直推进器4台。为了实现作业型ROV的六自由度运动控制，需要控制8台推进器同时动作和输出推力。由于液压推进器动力学系统的执行存在较大的惯性和滞后特性，研究伺服阀控制液压推进器的动力学仿真系统，对研究作业型ROV实际装备和仿真训练模拟器具有重要的工程价值，也成为无人水下机器人控制系统研究的关键技术之一。由于螺旋桨的推力与其进水速度、液压马达的转速和压力具有复杂的非线性关系，螺旋桨的负载转矩与其水流进速、液压马达转速和流量也具有复杂的非线性关系，按照传递函数的方法难以建立水下机器人期望推力和螺旋桨推力之间的线性化数学模型。因此，国内相关领域专家对关于伺服阀控制液压推进器动力学仿真系统的研究成果较少。同时，国外很少有公开关于作业型ROV伺服阀控制液压推进器动力学系统仿真技术方面的相关文献与资料。本发明提出了一种水下机器人伺服阀控制液压推进器动力学系统的仿真方法，建立了一种适合作业型水下机器人的伺服阀控制液压推进器的动力学仿真系统。本发明对液压推进器动力学仿真系统的研究提供了一种有效和实用的解决方法，对作业型ROV仿真训练模拟器和ROV实际作业装备的研制都具有重要的工程价值和指导意义。技术实现要素：本发明的目的是提供一种准确直观、逻辑清晰的水下机器人伺服阀控制液压推进器动力学仿真系统。本发明的目的还包括提供一种实时性强的水下机器人伺服阀控制液压推进器动力学仿真系统的仿真方法。一种水下机器人伺服阀控制液压推进器动力学仿真系统，其特征在于：包括伺服阀传递函数模块、伺服阀流量计算模块、恒压变量泵模块、伺服阀控制液压推进器动力学系统模块、螺旋桨推力计算模块、螺旋桨转矩计算模块、螺旋桨推力与转矩系数计算模块和螺旋桨进速系数计算模块；将与期望控制推力成正比的控制电流iv输入到伺服阀传递函数模块，输出一个伺服阀阀芯开口位移值xv；将伺服阀阀芯开口位移值xv输入到伺服阀流量计算模块，得到伺服阀流量Qv输入给伺服阀控制液压推进器动力学系统模块；将恒压变量泵的工作压力pr输入到伺服阀流量计算模块后输送给伺服阀控制液压推进器动力学系统模块；伺服阀控制液压推进器动力学系统模块根据接收的伺服阀流量Qv和t-1时刻的马达油液压力pt-1和角速度ωt-1，得到马达的由液压力pt、输出扭矩Mg和角速度ωt；将t-1时刻的螺旋桨的进水速度Vt-1和螺旋桨的转速nt-1输入到螺旋桨进速系数计算模块，得到t时刻螺旋桨的进速系数Jt；将t时刻螺旋桨的进速系数Jt输入到螺旋桨推力与转矩系数计算模块，得到t时刻螺旋桨的转矩系数KM和推力系数KT；将t时刻螺旋桨的推力系数KT、马达的角速度ωt输入到螺旋桨推力计算模块得到t时刻螺旋桨推力Tt；将t时刻螺旋桨的转矩系数KM、马达的转速ωt输入到螺旋桨转矩计算模块，得t时刻螺旋桨的转矩Mt。本发明一种水下机器人伺服阀控制液压推进器动力学仿真系统的仿真方法，包括以下步骤：步骤一：将与期望控制推力成正比的控制电流iv输入到伺服阀传递函数模块，输出一个伺服阀阀芯开口位移值xv；步骤二：根据伺服阀阀芯开口位移值xv，得到伺服阀流量Qv：Qv＝Kvxv其中，Kv——伺服阀的流量增益系数；步骤三：计算当前t时刻的马达负载流量Qt：Qt＝Kqxv-Kcp其中：p——液压马达两端油液压力差；Kq——伺服阀流量增益；Kc——伺服阀流量压力增益；步骤四：由当前t时刻的马达负载流量Qt、t-1时刻的马达油液压力pt-1和角速度ωt-1，根据液压马达流量连续性方程确定当前t时刻的马达油液压力增加速度步骤五：由马达油液压力增加速度采样时间Δt和马达油液压力pt-1，确定当前t时刻马达油液压力pt：pt=pt-1+p·×Δt;]]>步骤六：判断马达油液压力pt是否到达恒压变量泵的工作压力pr，若达到，则马达油液压力pt＝pr，否则马达油液压力pt＝pt；步骤七：根据当前t时刻马达压力pt，计算t时刻液压马达输出扭矩Mg：Mg＝DMpt；步骤八：由t时刻液压马达的输出扭矩Mg、t-1时刻液压马达的负载转矩Mt-1和角速度ωt-1，得到液压马达的角加速度ω·=(Mg-BMωt-1+Mt-1)/JM]]>其中：M——液压马达的外负载转矩，即为螺旋桨转矩；液压马达的角加速度；JM——螺旋桨和液压马达轴的转动惯量；Mt——液压马达的负载转矩；步骤九：由马达角加速度采样时间Δt和t-1时刻的马达角速度ωt-1，计算t时刻马达角速度ωt：ωt=ωt-1+Δt×ω·;]]>步骤十：根据t-1时刻的螺旋桨的进水速度Vt-1和螺旋桨的转速nt-1，得到t时刻螺旋桨的进速系数Jt：Jt=Vt-1nt-1D]]>其中，D——螺旋桨的直径；步骤十一：根据t时刻螺旋桨的进速系数Jt，通过螺旋桨的敞水特性曲线得到t时刻螺旋桨的转矩系数KM和推力系数KT；步骤十二：根据t时刻螺旋桨的推力系数KT、螺旋桨的角速度ωt得到t时刻螺旋桨推力Tt：Tt＝KTρnt2D4nt=ωt2π;]]>步骤十三：根据t时刻螺旋桨的转矩系数KM、螺旋桨的转速ωt，得到t时刻螺旋桨的转矩Mt：Mt＝KMρnt2D5；步骤十四：按照pt-1＝pt、Qt-1＝Qt、Mt-1＝Mt、ωt-1＝ωt重新赋初值，返回步骤一。一种水下机器人伺服阀控制液压推进器动力学仿真系统的仿真方法，还可以包括：1、伺服阀传递函数模块中的伺服阀传递函数为：G(s)=Xv(s)I(s)=KsvTvs+1]]>其中，Xv(s)——为伺服阀阀芯位移xv的拉氏变换；I(s)——为伺服阀输入电流iv的拉氏变换；Ksv——伺服阀的放大系数；Tv——伺服阀的时间常数。2、所述的液压马达流量连续性方程为：Q=DMθ·+Ctcp+Vt4βe·p·]]>其中：Q——液压马达负载油液流量；DM——液压马达排量；Vt——阀腔、马达腔和连接管道的总容积；βe——等效体积弹性模量；——液压马达的压力增量；Ctc——液压马达的总泄露系数；θ——液压马达角位移；液压马达角速度。有益效果：本发明将螺旋桨负载转矩引入到液压马达的力矩平衡方程中，使用步步迭代的方法实时求解液压马达的流量、压力、扭矩和转速状态；同时由马达转速和螺旋桨进水速度来实时求解螺旋桨的进速系数；最后将马达转速和螺旋桨进速系数代入螺旋桨的负载转矩和推力方程中，从而实时求解螺旋桨的负载转矩和推力。本方法可以在考虑液压马达转速和螺旋桨负载转矩实时变化的情况下，能够较准确的描述电液伺服阀控制液压推进器动力学系统的动态响应过程。本发明中的水下机器人伺服阀控制液压推进器的动力学仿真系统具有准确直观和逻辑清晰的特点，具有能够较真实的模拟实际作业型ROV的电液伺服阀控制液压推进器的功能及动态响应过程的优点。附图说明图1伺服阀控制液压推进器动力学仿真系统的结构原理图；图2液压推进器的流量、压力、扭矩、转速、转矩和推力的迭代求解方法。具体实施方式下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。本发明目的在于提供一种伺服阀控制液压推进器动力学系统的仿真方法，可应用于作业型ROV仿真训练模拟器的液压推进器动力学仿真系统。如图1所示：本发明包括：伺服阀传递函数模块、伺服阀流量计算模块、恒压变量泵模块、伺服阀控制液压推进器动力学系统模块、螺旋桨推力计算模块、螺旋桨转矩计算模块、螺旋桨推力与转矩系数计算模块、螺旋桨进速系数计算模块等。本发明将螺旋桨负载转矩引入到液压马达的力矩平衡方程中，使用步步迭代的方法实时求解液压马达的流量、压力、扭矩和转速状态；同时由马达转速和螺旋桨进水速度来实时求解螺旋桨的进速系数；最后将马达转速和螺旋桨进速系数代入螺旋桨的负载转矩和推力方程中，从而实时求解螺旋桨的负载转矩和推力。本方法可以在考虑液压马达转速和螺旋桨负载转矩实时变化的情况下，能够较准确的描述电液伺服阀控制液压推进器动力学系统的动态响应过程。本发明中的水下机器人伺服阀控制液压推进器的动力学仿真系统具有准确直观和逻辑清晰的特点，具有能够较真实的模拟实际作业型ROV的电液伺服阀控制液压推进器的功能及动态响应过程的优点。本发明的目的是这样实现的，如图1和图2所示：第一步，与期望控制推力成正比的控制电流iv输入到“伺服阀传递函数”模块，按照下式(1)计算，输出一个伺服阀阀芯开口位移值xv。伺服阀传递函数可由下式来表示：G(s)=Xv(s)I(s)=KsvTvs+1---(1)]]>式中：Xv(s)——为伺服阀阀芯位移xv的拉氏变换；I(s)——为伺服阀输入电流iv的拉氏变换；Ksv——伺服阀的放大系数；Tv——伺服阀的时间常数。第二步，xv输入到“伺服阀流量计算”模块，按照下式(2)计算，伺服阀输出一个液压油流量Qv。恒压泵的工作压力为p0，伺服阀的阀芯位移为xv，则伺服阀的流量Qv可按下式计算：Qv＝Kvxv(2)式中：Kv——伺服阀的流量增益系数。第三步，将上一t-1时刻的液压马达油液压力pt-1，根据下式(3)计算得到当前t时刻的马达负载流量Qt。伺服阀控制液压马达的负载流量可用下式表示：Qt＝Kqxv-Kcp(3)式中：p——液压马达两端油液压力差；xv——伺服阀阀芯移动距离；Kq——伺服阀流量增益；Kc——伺服阀流量压力增益。第四步，由当前t时刻的马达负载流量Qt、t-1时刻的马达油液压力pt-1和角速度ωt-1，根据下式(4)计算当前t时刻的马达油液压力增加速度液压马达流量连续性方程可以写为下式：Q=DMθ·+Ctcp+Vt4βe·p·---(4)]]>式中：Q——液压马达负载油液流量；DM——液压马达排量；Vt——阀腔、马达腔和连接管道的总容积；βe——等效体积弹性模量；——液压马达的压力增量；Ctc——液压马达的总泄露系数；θ——液压马达角位移；θ——液压马达角位移；液压马达角速度。第五步，由马达油液压力增加速度采样时间Δt和马达油液压力pt-1，计算当前t时刻马达油液压力pt。第六步，判断pt是否到达液压泵的工作压力pr，若达到，则马达压力pt＝pr，否则马达压力pt＝pt。第七步，由当前t时刻马达压力pt，根据下式(5)计算t时刻液压马达输出扭矩Mg。液压马达的输出力矩Mg可按下式计算：Mg＝DMp(5)第八步，由t时刻液压马达的输出扭矩Mg、t-1时刻液压马达的负载转矩Mt-1和角速度ωt-1，由下式(6)计算液压马达的角加速度液压马达和负载力矩的平衡方程为：Mg=JMθ··+BMθ·+Mt---(6)]]>式中：M——液压马达的外负载转矩，即为螺旋桨转矩；液压马达的角加速度；JM——螺旋桨和液压马达轴的转动惯量；Mt——液压马达的负载转矩。液压马达(螺旋桨)的转速n和角速度ω存在如下关系：n=ω2π---(7)]]>第九步，由马达角加速度采样时间Δt和t-1时刻的马达角速度ωt-1，计算t时刻马达角速度ωt。第十步，由t时刻的ωt和转矩系数KM，按照下式(7)-(9)计算t时刻液压螺旋桨的负载转矩Mt。螺旋桨转矩Mt可用下式计算：Mt＝KMρn2D5(8)式中：KM——螺旋桨转矩系数；ρ——海水密度；n——螺旋桨的转速。可由t时刻螺旋桨的进速系数，通过螺旋桨的敞水特性曲线，得到t时刻螺旋桨的转矩系数KM和推力系数KT。t时刻螺旋桨的进速系数J按下式计算：J=VAnD---(9)]]>式中：n——螺旋桨的转速；VA——螺旋桨的进速；即为螺旋桨的纵向进水速度；D——螺旋桨的直径。第十一步，由t时刻马达角速度ωt和实时推力系数KT，按照下式(7)和(10)计算t时刻螺旋桨的推力Tt。螺旋桨推力Tt可用下式计算：T＝KTρn2D4(10)式中：KT——螺旋桨推力系数。螺旋桨的角速度ω和角位移θ存在如下关系：ω=θ·---(11)]]>第十二步，按照pt-1＝pt、Qt-1＝Qt、Mt-1＝Mt、ωt-1＝ωt重新赋初值。一种水下机器人伺服阀控制液压推进器动力学系统的仿真方法，建立了一种适合水下机器人的伺服阀控制液压推进器的动力学仿真系统，提出了一种液压推进器的流量、压力、扭矩、转速、转矩和推力的迭代求解方法。本发明可较真实的模拟通过电液伺服阀来控制液压马达两端油液流量、压力、扭矩和转速的变化，进而调节螺旋桨输出转矩和推力的动态响应过程；可较真实的模拟螺旋桨负载连续变化条件下，液压马达的流量、压力和转速的动态响应过程。本发明对水下机器人的伺服阀控制液压推进器动力学仿真系统提供了一种有效和实用的解决方法。一种液压推进器的流量、压力、扭矩、转速、螺旋桨转矩和推力的迭代计算方法，螺旋桨推力与其进水速度、液压马达流量和转速具有复杂的非线性关系，螺旋桨负载转矩与其进水速度、液压马达压力和转速也具有复杂的非线性关系，按照传递函数的方法难以建立水下机器人期望推力和螺旋桨输出推力之间的线性关系模型。本发明将螺旋桨实时负载转矩引入到液压马达的力矩平衡方程中，使用步步迭代的方法实时求解液压马达的流量、压力、扭矩和转速，进而实时求解螺旋桨的负载转矩和推力。一种适合水下机器人的伺服阀控制液压推进器的动力学仿真系统，建立电液伺服阀的传递函数模型，将电流控制信号转换成阀芯位移信号；建立阀芯位移与液压阀流量的传递函数模型，将阀芯位移信号转换成伺服阀流量信号；建立伺服阀流量和负载流量的关系模型，将伺服阀流量转化为负载流量；建立液压螺旋桨推进器动力学系统模型，将马达负载流量转化为液压马达的油液压力、扭矩和转速，从而使螺旋桨输出转矩和推力。可较真实模拟螺旋桨负载连续变化条件下，液压马达的流量、压力、扭矩和转速的动态响应过程，在输入控制电流信号不变的条件下，当螺旋桨负载减小时，螺旋桨负载扭矩降低，从而使马达转速增加，马达两端油液压力降低，最终负载流量增加，转速进一步增加；当马达负载流量增加到伺服阀的最大输入流量时，马达负载流量不再增加，马达转速也不再增加，保持恒定转速运行。当螺旋桨负载增加时，马达转速、压力和流量的变化规律和以上过程相反。本发明属于无人水下机器人运动控制
技术领域：
，具体涉及一种作业型水下机器人(ROV—RemotelyOperatedVehicle)伺服阀控制液压推进器动力学系统的仿真方法。本发明目的在于建立了一种适合水下机器人的伺服阀控制液压推进器的动力学仿真系统，并提出了一种液压推进器的压力、扭矩、转速、螺旋桨转矩和推力的迭代求解方法。本发明包括：伺服阀传递函数模块、伺服阀流量计算模块、恒压变量泵模块、伺服阀控制液压推进器动力学系统模块、螺旋桨推力计算模块、螺旋桨转矩计算模块、螺旋桨推力与转矩系数计算模块、进速系数计算模块等。本发明可较真实的模拟通过电液伺服阀来控制液压马达两端油液流量、压力、扭矩和转速的变化，进而调节螺旋桨输出转矩和推力的动态过程；可较真实的模拟螺旋桨负载连续变化条件下，液压马达的流量、压力扭矩和转速的动态响应过程。本发明对作业型水下机器人的伺服阀控制液压推进器动力学仿真系统提供了一种可行、有效的解决方法。一种水下机器人伺服阀控制液压推进器动力学仿真系统的仿真方法：第一步，如图2所示，按照公式p0＝0、Q0＝0、M0＝0、ω0＝0对液压推进器动力学仿真系统进行初始化。第二步，如图1所示，将控制电流iv输入到“伺服阀传递函数”模块，可以计算得到t时刻伺服阀的开口位移值xv，其中控制电流iv和推进器的期望控制推力成正比。第三步，如图1-2所示，将伺服阀的开口位移值xv输入到“伺服阀流量计算”模块，可以计算得到t时刻伺服阀流量Qv。第四步，如图2所示，将伺服阀流量Qv输入到“计算马达负载流量”模块，并根据t-1时刻的液压马达油液压力pt-1，由下式(12)计算当前t时刻的马达负载流量Qt。Qt＝Kqxv-Kcpt-1(12)第五步，如图2所示，将马达负载流量Qt输入到“计算马达油液压力增加速度”模块，并根据t-1时刻的液压马达油液压力pt-1、马达角速度ωt-1，由下式(13)计算当前t时刻的马达负载压力增加速度p·=4βe(Qt-DMωt-1-Ctcpt-1)/Vt---(13)]]>第六步，如图2所示，将马达负载压力增加速度输入到“计算马达油液压力”模块，由下式(14)计算当前t时刻的马达的油液压力pt。pt=pt-1+p·×Δt---(14)]]>第七步，如图2所示，将当前t时刻的马达的油液压力pt输入到“判断当前是否达到当前液压泵的压力”模块。若达到当前工作压力，则pt＝pr；否则pt＝pt。第八步，如图2所示，t时刻的马达的油液压力pt输入到计算马达输出扭矩模块，由下式(15)计算当前t时刻的马达的输出扭矩Mg。Mg＝DMpt(15)第九步，如图2所示，将t时刻的马达的输出扭矩Mg、t-1时刻的螺旋桨负载转矩Mt-1和螺旋桨转动角速度ωt-1输入到“计算马达角加速度模块”，按照下式(16)计算t时刻液压马达的角加速度ω·=(Mg-BMωt-1+Mt-1)/JM---(16)]]>式中：第十步，如图2所示，将t时刻的液压马达的角加速度输入到“计算马达角速度”模块，按照下式(17)计算t时刻液压马达的角加速度ωt。ωt=ωt-1+Δt×ω·---(17)]]>第十一步，如图1所示，将t-1时刻的螺旋桨的进水速度Vt-1和螺旋桨的转速nt-1输入到“进速系数计算”模块，按照下式(18)计算t时刻螺旋桨的进速系数Jt：Jt=Vt-1nt-1D---(18)]]>式中：第十二步，如图1所示，将t时刻螺旋桨的进速系数Jt分别输入到“螺旋桨推力系数计算”模块和“螺旋桨转矩系数计算”模块，按照对应螺旋桨的敞水特性曲线计算t时刻螺旋桨的转矩系数KM和推力系数KT。第十三步，如图2所示，将t时刻螺旋桨的推力系数KT、螺旋桨的角速度ωt输入到“计算螺旋桨推力”模块，按照下式(19)-(20)，可得t时刻螺旋桨推力Tt。nt=ωt2π---(19)]]>Tt＝KTρnt2D4(20)第十四步，如图2所示，将t时刻螺旋桨的转矩系数KM、螺旋桨的转速ωt分别输入到“计算螺旋桨转矩”模块，按照下式(21)可得t时刻螺旋桨的转矩Mt。Mt＝KMρnt2D5(21)第十五步，按照下式(22)-(25)给液压推进器动力学仿真系统重新赋初值。pt-1＝pt(22)Qt-1＝Qt(23)Mt-1＝Mt(24)ωt-1＝ωt(25)在以上模块各自功能调试及联调无误后，设定一个螺旋桨进速初始值，给一个期望推力值对应的控制电流iv。在Matlab中运行仿真程序后，在输入电流控制不变的条件下，当螺旋桨负载减小时，螺旋桨负载扭矩降低，从而使马达转速增加，马达两端油液压力降低，最终负载流量增加，转速进一步增加；当马达负载流量增加到伺服阀的最大输入流量时，马达负载流量不再增加，马达转速也不再增加，保持恒定转速运行。当螺旋桨负载增加时，马达转速、压力和流量的变化规律和以上过程相反。在Matlab中运行仿真程序后，当输入与期望推力成正比的控制电流时，螺旋桨可输出与期望推力值一致的推力。本发明可较真实模拟螺旋桨负载连续变化条件下，液压马达的转速、压力及流量的动态响应过程。本发明最终应用于作业型ROV仿真训练模拟器的设计中，可较真实的模拟在8台液压推进器的共同控制作用下，作业型ROV六自由度的运动和姿态的动态响应过程。符号说明：iv——伺服阀控制电流；xv——伺服阀开口位移值；pr——恒压泵的工作压力；Qv——伺服阀的流量；ω——液压马达的转动角速度；M——螺旋桨的负载转矩；T——螺旋桨的推力；KM——螺旋桨转矩系数；KT——螺旋桨推力系数；J——螺旋桨的进速系数；VA——螺旋桨的水流进速。Qt——t时刻的负载流量；——马达油液压力增加速度；pt——t时刻的马达负载压力；Mg——t时刻的马达输出扭矩；——液压马达的角加速度；ωt——t时刻的液压马达角速度；Tt——t时刻的螺旋桨推力；Qt-1——t-1时刻的负载流量；pt-1——t-1时刻的马达负载压力；ωt-1——t-1时刻的液压马达角速度；Tt-1——t-1时刻的螺旋桨推力；Q0——初始时刻的负载流量；p0——初始时刻的马达负载压力；ω0——初始时刻的液压马达角速度；M0——初始时刻螺旋桨的负载转矩。当前第1页1 2 3