一种具有高动态品质的深度模拟器及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及深度模拟器设计技术领域，具体为一种具有高动态品质的深度模拟器 及其控制方法，适用于水下航行器控制系统半实物仿真。
【背景技术】
[0002] 大深度模拟系统是水下航行器鉴定定型试验靶场的内场半实物仿真试验系统中 不可或缺的重要设备，在水下航行器全弹道半实物仿真试验及鉴定定型仿真试验中，大深 度模拟系统的精度及响应的快速性会直接影响到仿真试验中深度模拟的准确性，进而影响 仿真试验数据的可信度，从而决定是否能够全面、准确、客观地评价水下航行器在实战条件 下的战技指标和效能。
[0003] 由于大深度模拟器具有精度高及响应快等特点，传统的PID控制方法由于常规控 制算法自身的一些缺陷，比如积分饱和问题、抗干扰问题、动态过程加速问题等，很难获得 良好的动态特性。另外由于受系统非实时性的制约和传感器元件测量精度、范围的限制，深 度模拟器的响应速度及精度难以提高。
【发明内容】
[0004] 由于目前传统的深度模拟器受技术条件的限制：常规PID控制算法自身缺陷、系 统非实时性的制约和传感器测量精度、范围的限制，深度模拟器存在系统稳定性差、系统动 态跟随性差、系统精度低的不足，为此本发明提出了一种具有高动态品质的深度模拟器及 其控制方法，使得系统在大深度范围的情况下仍然具有很快的响应速度和很高的精度，明 显提高了系统的动态性能，对非线性扰动的适应能力也得到了加强。
[0005] 本发明的技术方案为：
[0006] 所述一种具有高动态品质的深度模拟器，其特征在于：包括机柜、主控计算机、控 制系统和液压系统；控制系统和液压系统安装在机柜内；
[0007] 所述控制系统由上位机和PID控制器组成，上位机用于人机操作和界面显示；主 控计算机接收上位机的输入指令后，解算出深度指令并反馈给上位机显示以及输出给PID 控制器；上位机将流程指令输出给PID控制器，PID控制器将流程指令响应输出给上位机以 显示；PID控制器接收液压系统中传感器的压力反馈信号并进行PID控制，PID控制器输出 控制信号给液压系统的伺服阀；
[0008] 所述液压系统包括油源系统、伺服阀、压力传感器，油源系统向伺服阀提供压力满 足深度模拟器最大深度模拟要求的恒定压力油，伺服阀向外部输出压力；压力传感器测量 伺服阀的输出压力，并将测量的压力信号反馈给PID控制器。
[0009] 进一步的优选方案，所述一种具有高动态品质的深度模拟器，其特征在于：主控计 算机与上位机通过反射内存、串口和以太网方式进行通讯，上位机与PID控制器通过串口 方式进行通讯；所述上位机采用带有触摸屏的计算机；所述PID控制器采用PC104产品。
[0010] 进一步的优选方案，所述一种具有高动态品质的深度模拟器，其特征在于：液压系 统中的传感器采用大量程传感器和小量程传感器，大量程传感器的压力范围是7Mpa，综合 误差0. 1 %，绝对误差0. 7m ;小量程传感器的压力范围是1. 5Mpa，耐压可达7. 5Mpa，综合误 差0. 05%，绝对误差0. 08m ;当模拟深度小于150m，采用小量程传感器数据，当模拟深度不 小于150m，采用大量程传感器数据。
[0011] 进一步的优选方案，所述一种具有高动态品质的深度模拟器，其特征在于：所述油 源系统包括油箱、电机、油栗、单向阀、滤油器、蓄能器、溢流阀、油源压力表；电机驱动油栗 转动，油栗从油箱吸油，液压油经过单向阀后由滤油器进行过滤，而后输出给蓄能器，蓄能 器和溢流阀使油压恒定在满足深度模拟器最大深度模拟要求的压力上，油源压力表显示油 源系统的输出压力。
[0012] 进一步的优选方案，所述一种具有高动态品质的深度模拟器，其特征在于：控制系 统安装在机柜上部，液压系统安装在机柜下部，上位机安装高度与操作人员身高相当；传感 器电源与其余部件电源分开供电；电机、油栗安装在机柜的底部，油箱悬挂在电机之上，阀 块装在油箱顶盖上；油箱内部具有油液循环油槽，备有注油油滤和放油阀门；电机以及油 栗与机柜底部连接处铺设减振橡胶垫，油栗的吸油管路和出油管路采用软管；机柜的最底 层还安装一个承油槽。
[0013] 进一步的优选方案，所述一种具有高动态品质的深度模拟器，其特征在于：溢流 阀、伺服阀、传感器均安装在整体阀块上。
[0014] -种具有高动态品质的深度模拟器的控制方法，其特征在于：PID控制器的控制 量u通过以下公式计算：
[0015] u = kp [e (k) -e (k~l) ] +k；e (k) +kd [e (k) ~2e (k~l) +e (k~2)]
[0016] 其中e (k)为第k次采样的控制误差，e (k) = r (k) -y (k)，r (k)为PID控制器第k 次采样的输入指令，y (k)为PID控制器第k次采样接收的反馈；
[0017] kp 为比例系数：kp= {afJleGO |] + (l_a)f2[|e(k) |-|e(k_l) |]}kp。;其中 f J*]和 f2[*]分别为修正函数，a取0~1的实数，kp。为基准比例系数；
[0018] h为积分系数：
[0020] 其中h。为基准积分系数，e iniax为设定的积分有效上限，μ为调节系数；
[0021] kd为微分系数，取定值；
[0022] kp。、k1(]、kd的取值由深度模拟器在开始使用时，通过试凑法获得。
[0023] 有益效果
[0024] 本发明的有益效果是：对于数字PID控制器以从控制方法入手，对传统的PID控制 中产生的问题进行修正，最大限度的降低其对控制系统的影响，有效地加快了控制的动态 过程；对于控制系统的实时性问题，采用了嵌入式实时系统，大幅提高了系统的响应速度； 使用高精度的传感器，其压力范围满足系统的大深度要求，使综合误差和绝对误差都显著 减小，从而提尚系统的快速稳定性。
【附图说明】
[0025] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中：
[0026] 图1 :深度模拟器原理图；
[0027] 图2 :油路原理图；
[0028] 图3 :深度模拟器结构示意图；
[0029] 其中：1、上位机（平板触摸电脑）；2、控制机箱（PID控制器和控制电源）；3、附件 箱；4、压力表；5、阀块（带有传感器、伺服阀和溢流阀）；6、油箱；7、电机；8、内啮合齿轮栗； 9、滤油器。
【具体实施方式】
[0030] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0031] 如图1和图3所示，本实施例中的具有高动态品质的深度模拟器，包括机柜、主控 计算机、控制系统和液压系统；控制系统和液压系统安装在机柜内。
[0032] 由于深度模拟器具有控制精度要求高、响应时间快速的特性，为保证系统的控制 速度和精度，控制系统采用上、下位机的模式来实现。上位机（显控计算机）用于人机操作、 界面的显示，下位机（PID控制器）完成PID算法并输出，用以控制伺服系统，达到快速响 应的效果。所述上位机采用带有触摸屏的计算机；所述PID控制器采用PC104产品，PC104 是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，是一种紧凑型的IEEE-P996工业总线规 范，是一种优化的小型栈接式结构的嵌入式实时控制系统。
[0033] 附图1中，主控计算机接收操作人员通过上位机输入的指令后，解算出深度指令 并反馈给上位机显示以及输出给PID控制器；上位机将流程指令输出给PID控制器，PID控 制器将流程指令响应输出给上位机以显示；PID控制器接收液压系统中传感器的压力反馈 信号并进行PID控制，PID控制器输出控制信号给液压系统的伺服阀。
[0034] 主控计算机与上位机通过反射内存、串口和以太网方式进行通讯，实现远程控制， 上位机与PID控制器通过串口方式进行通讯，上下位机协同工作，流程指令响应与实时控 制过程同步进彳丁，提尚系统的动态特性。
[0035] 液压系统包括油源系统、伺服阀、压力传感器，油源系统向伺服阀提供压力满足深 度模拟器最大深度模拟要求的恒定压力油，伺服阀向外部输出压力；压力传感器测量伺服 阀的输出压力，并将测量的压力信号反馈给PID控制器。
[0036] 为保证输出压力稳定，油源系统需要向伺服阀提供恒定的压力油，本实施例模拟 深度最大值为600m，换算压力为6. OMPa，因此油源系统压力应能稳定在6. 5MPa左右。液压 系统油路原理如附图2所示。油源系统包括油箱、电机、油栗、单向阀、滤油器、蓄能器、溢流 阀、油源压力表；电机驱动内啮合齿轮油栗转动，油栗从油箱吸油，液压油经过单向阀后由 滤油器进行过滤，而后输出给蓄能器，蓄能器和溢流阀使油压恒定在在6. 5MPa，油源压力表 在6. 5MPa显示油源系统的输出压力。压力恒定的油源系统输出油液接入电液伺服阀的压 力腔，通过控制伺服阀，使其工作腔产生期望的压力输出。大、小量程传感器测量输出压力， 并将测量结果反馈回下位计算机，油源压力表和控制压力表分别显示油源压力及系统的输 出压力值