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、隨著國際海洋資源競爭逐漸走向深遠(yuǎn)極海域，研發(fā)具備更強(qiáng)機(jī)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{(diào)壓載系統(tǒng)是拓展?jié)撍鳈C(jī)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(diào)壓載系統(tǒng)(WHVBS, Sea Water Hydraulic Variable Ballast System)直接使用海水作為介質(zhì)，通過海水液壓元件構(gòu)建的開式系統(tǒng)對壓載水艙及海洋環(huán)境中的海水進(jìn)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(diào)

2、節(jié)范圍大等突出優(yōu)點，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)用場合下的競爭力。同時，由于缺乏中間流量，開關(guān)型WHVBS在對潛水器進(jìn)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(diào)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(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(jìn)行了系統(tǒng)深入的理論與試驗研究。論文具體研究內(nèi)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(jié)了WHVBS對潛水器進(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、浮定深場景下對使用不同性能WHVBS的潛水器進(jìn)行了操縱仿真。通過結(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開關(guān)閥控(閥控模式)兩種方式對 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實際工作流程搭建了該系統(tǒng)的數(shù)字仿真平臺。
　　FCWHVBS中開關(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(yù)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(jìn)型廣義預(yù)測控制策略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)測控制策略 SVCGPC。并通過數(shù)字仿真平臺與 FCWHVBS樣機(jī)試驗平臺，對PMIGPC與SVCGPC的有效性進(jìn)行了仿真與試驗驗證。
　　最后，為進(jìn)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(guān)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(jī)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(jìn)行了對比測試。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)行無動力閥控注排水，減少了FCWHVBS應(yīng)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(fù)合控制方法的節(jié)能效果進(jìn)行了驗證。
　　鑒于目前國際上流量