一种作业型水下机器人液压推进器的推力控制仿真系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无人水下机器人运动控制技术领域，尤其涉及针对过驱动作业型遥控 水下机器人(R0V-RemotelyOperatedVehicle)的，一种作业型水下机器人液压推进器的 推力控制仿真系统。
【背景技术】
[0002] 作业型R0V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R0V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，提高作业效率 及安全性，具有重要的工程价值和现实意义。
[0003] 为了保证较强的水下作业能力，作业型R0V通常是过驱动型的，即所安装推进器的 个数大于其所要控制的自由度数。本发明中所研究的R0V安装8个成矢量布置型式的液压螺 旋桨推进器。为了实现作业型R0V六自由度运动控制，需要同时控制8个推进器动作，这属于 典型的过驱动推力分配问题。同时，由于液压推进器的执行存在较大的滞后特性，研究液压 推进器的推力控制仿真系统，对研究作业型R0V仿真训练模拟器具有重要的工程价值。因 此，液压推进器的推力控制仿真系统成了开发作业型R0V仿真训练模拟器的关键技术之一。
[0004] 目前，水下机器人推进器的推力控制通常是通过直接控制螺旋桨的转速来实现 的。然而，由于海底海流流速或R0V运动速度的变化，会导致螺旋桨进速系数的改变，进一步 会导致推进器的转矩系数和推力系数的变化，如果直接采用转速反馈来调节推进器的推 力，难以实现推力的稳定输出，也就难以实现作业型R0V的稳定控制。目前，由于技术比较敏 感，国内外公开资料很少有公开关于作业型R0V推进系统的控制仿真技术方面的相关文献 与资料。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种能够提高稳定性的，作业型水下机器人液压推进器的推 力控制仿真系统。
[0006] -种作业型水下机器人液压推进器的推力控制仿真系统，包括放大器1、放大器2、 电液伺服阀传递函数模型、阀控液压马达传递函数模型、马达排量模块Dm、螺旋桨推进器动 力学系统模型、螺旋桨转矩及推力系数计算模型；
[0007] 将期望推力Ti输入到放大器1后，得到控制电压uT;将控制电压uT传送给放大器2 后，输出控制电流i给电液伺服阀传递函数模型，得到伺服阀阀芯位移xv传送给阀控液压马 达传递函数模型，输出液压马达两端油液压力差R给马达排量模块Dm，输出扭矩Tg;
[0008] 将螺旋桨的进速VA和反馈转速n，输入到螺旋桨转矩及推力系数计算模型，得到转 矩系数KQ和推力系数Κτ，传送给螺旋桨推进器动力学系统模型；
[0009] 螺旋桨推进器动力学系统模型根据接收的扭矩Tg、转矩系数KQ和推力系数Κτ，计算 出推进器的推力Τ和反馈转速η，将反馈转速η传送给螺旋桨转矩及推力系数计算模型，推进 器的推力T为输出结果。
[0010] 本发明一种作业型水下机器人液压推进器的推力控制仿真系统，还可以包括：
[0011] 1、电液伺服阀传递函数模型为：
[0012]
[00?3 ] 其中Ksν 伺服阀增益;Tv 伺服阀常数；
[0014] 阀控液压马达传递函数模型为：
[0015]
[0016] 其中，PL-一液压马达高压油路和低压油路的压力值之差;Xv-一电液伺服阀阀芯 移动距尚，为Xν的幅值;Kq--流量增益;Dm--液压马达的理论排量;Vt--阀腔、马达腔 和连接管道的总容积;&一一等效体积弹性模量;Bm-一负载和液压马达的粘性阻尼系数；J一一液压马达和负载的总惯性量，负载为螺旋桨转矩;Km-一总的流量或压力系数。
[0017] 2、螺旋桨推进器动力学系统模型为：
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]其中：?Υ-一作用在液压马达的外负载力矩，外负载力矩即为螺旋桨的扭矩Q;
-一螺旋桨扭矩;Kq-一螺旋桨转矩系数;P-一海水密度;η-一螺旋桨 的转速;D-一螺旋桨的直径;Κτ一一螺旋桨推力系数。
[0022] 有益效果：
[0023]本发明建立了一种作业型R0V液压推进器的推力控制系统的数学模型及仿真模 型，提出了一种通过控制液压马达的两端油液压力来间接控制螺旋桨输出稳定推力的方 法。通过控制液压马达两端油液压力差，可实现液压推进器的螺旋桨负载力矩和推力控制； 可实现在不同水流进速条件下液压推进器的稳定推力控制仿真。
[0024]本发明中的液压推进器的推力控制仿真系统具有结构简单、使用方便，可以比较 真实的描述作业型R0V液压推进器内部控制体系结构，可以逼真模拟作业型R0V运动控制过 程中的液压推进器的动态响应过程，可实现在海流速度及R0V运动速度变化时，液压推进器 的推力稳定输出等优点。
【附图说明】
[0025]图1作业型R0V液压推进器的推力控制仿真系统；
[0026]图2电液伺服阀控制液压马达传递函数的原理图；
[0027]图3电液伺服阀控制液压马达的主要技术参数表。
【具体实施方式】
[0028]下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0029]本发明目的在于提供一种可应用于作业型R0V液压推进器的推力控制仿真系统。 如图1所示:本发明包括:放大器1、放大器2、电液伺服阀传递函数模型、阀控液压马达的传 递函数模型、螺旋桨推进器动力学系统模型、螺旋桨转矩及推力系数计算模型等。本专利建 立了一种作业型R0V液压推进器的推力控制系统的数学模型，提出一种通过控制液压马达 的两端油液压力来间接控制螺旋桨输出推力的方法，在海底海流速度或R0V运动速度变化 而导致螺旋桨的进速系数发生变化时，能够自动调节螺旋桨的转速，来达到液压推进器的 稳定推力输出的目的。
[0030]本发明的目的是这样实现的：如图1所示，作业型R0V控制器输出某个推进器的期 望推力Tuh输入到放大器1后，按照式（1)计算输出控制电压ut;ut输入到放大器2后，按照 式(2)计算输出控制电流i;i输入到电液伺服阀传递函数模型后，按照式(3)输出伺服阀阀 芯位移Xv;x4俞入到阀控液压马达传递函数模型后，按照式(4)输出液压马达两端油液压力 差PL;PL输入到马达排量模块Dm后，按照式(5)输出扭矩仏;Tg和螺旋桨的转矩系数Kq及推力 系数Κτ输入螺旋桨推进器动力学系统后，按照式(6)-(8)输出推进器的转速η及推力T。
[0031]如图1所示，螺旋桨的转矩系数KQ及推力系数Κτ是这样计算的：将螺旋桨的进速Va和螺旋桨的反馈转速n，输入到螺旋桨转矩及推力系数计算模块，根据公式(9)，得到螺旋桨 的进速系数J;对于几何形状一定的螺旋桨而言，推力系数Κτ与转矩系数KQ仅与进速系数J有 关，KQ、KT与J之间的曲线成为螺旋桨的特性曲线。可根据所研究具体推进器的螺旋桨特性曲 线，建立螺旋桨KQ、KT和进速系数J之间关系数据库，根据实时计算得到进速系数J，实时查找 数据库，即可得到转矩系数KQ和推力系数Κτ。
[0032]由式(6)-(7)可以看出：当邊=〇:时，由于螺旋桨的粘性阻尼力矩系数Βμ很小，可以 认为当螺旋桨的进速系数发生变化时，螺旋桨输出扭矩Q基本保持不变，即Q近似等于液压 马达的输出力矩!^。根据常见螺旋桨的特性曲线图，转矩系数KQ和推力系数Κτ基本成线性关 系。当螺旋桨转矩Q能够保持稳定输出，螺旋桨输出推力Τ也能保持稳定。这样就实现了在液 压马达油液压力一定时，即使螺旋桨的进速发生变化，能达到液压推进器的输出稳定推力 的目的。
[0033]本发明所设计的作业型R0V的液压推进器的推力控制仿真系统具有结构简单、层 次清晰、使用方便，可以比较真实的描述实际电液伺服阀控制的液压螺旋桨推进器的内部 控制体系结构，具有能够准确的模拟实际作业型R0V的液压推进器的推力控制功能及动态 控制过程的特点。
[0034] 放大器1可视为比例环节，按照下式计算：
[0035]
(1)
[0036] 式中：Ut--控制电压，为ut的幅值。
[0037]伺服阀驱动电路一一伺服放大器为高阻抗输出电压-电流转换器，频带比液压固 有频率高得多，可将其简化为比例环节，放大器2可用下式表示：
[0038]
⑵：
[0039] 式中：I一一为伺服阀控制电流，为i的幅值。
[0040] 电液伺服阀传递函数可视为一个惯性环节，可表示为：
[0041]
(3)
[0042] 式中:Ksv-一伺服阀增益;IV-一伺服阀常数。
[0043] 阀控液压马达的传递函数可用下式表示：
[0044]
[0045] 式中：PL-一液压马达高压油路和低压油路的压力值之差;Xv-一电液伺服阀阀芯 移动距尚，为Xv的幅值;Kq--流量增益;Dm--液压马达的理论排量;Vt--阀腔、马达腔 和连接管道的总容积;&一一等效体积弹性模量;Bm-一负载和液压马达的粘性阻尼系数；J一一液压马达和负载的总惯性量，此处负载为螺旋桨转矩;Km-一总的流量/压力系数。
[0046] 由图2可以看出电液伺服阀控制液压马达的基本组成框图，图2中各参数意义如 下:Qi--液压马达总流量;Ct。--液压缸的总泄露系数;Ql--负载油液流量;θ--液压 马达角位移；多--液压马达角速度。
[0047]液压马达的输出力矩可按下式计算：
[0048]Tg=DMpL (5)
[0049] 式中：Tg-一液压马达的输出扭矩，即驱动力矩。
[0050]液压马达和负载力矩的平衡方程为：
[0051：