羅才寶---優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計論文(水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)設(shè)計)

1、 摘要 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)設(shè)計 摘要在壓力巨大、競爭激烈、國際環(huán)境復(fù)雜的21世紀(jì)，特別是面對人口、資源、環(huán)境三大方面的難題，海洋已成為人類生存和發(fā)展的重要領(lǐng)域，人類迫切需要向海洋進(jìn)軍，因此，水下推進(jìn)器及控制系統(tǒng)的研究就十分必要，它具有重要的價值和意義。水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)是復(fù)雜、非線性、耦合的控制系統(tǒng)，設(shè)計主要研究的對象是水下推進(jìn)器直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制。設(shè)計的第一步簡述了立題背景、意義和來源及水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)在國內(nèi)外的研究概況和發(fā)展趨勢。然后介紹了水下推進(jìn)器的基本功能、螺旋槳推進(jìn)器及基本結(jié)構(gòu)，并在其中給出了螺旋槳推進(jìn)器機(jī)構(gòu)的簡單模型。接下來就水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的性能和需求進(jìn)行了分析并對螺旋槳

2、控制系統(tǒng)的基本機(jī)構(gòu)及總體控制方案進(jìn)行了設(shè)計。再接下來是設(shè)計的核心部分，先分別介紹了PID控制、模糊控制和自適應(yīng)控制，進(jìn)而針對水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)提出了模糊PID參數(shù)自適應(yīng)整定控制，并進(jìn)行了基于MATLAB/Simulink的建模與仿真。對仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較可以得出模糊PID參數(shù)自適應(yīng)整定控制的控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制和模糊控制，是具有良好的魯棒性和實時性的智能控制系統(tǒng)。最后，對整體設(shè)計進(jìn)行了簡單的總結(jié)和展望。關(guān)鍵詞：水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)，螺旋槳推進(jìn)器，模糊PID自適應(yīng)控制，建模與仿真 I 青海大學(xué) THE CONTROL SYSTEMDESIGN OF UNDERWATER THRUSTE

3、R Abstract In the huge pressure, the fierce competition and complex international environment of the 21st century,especially,in the faces of population,resources and environment three aspects of the problem,ocean has become an important domain of human survival and development,human urgent need to t

4、he sea.Therefore,underwater propulsion and control system of the research is very necessary, it is of important value and significance.Under-water propulsion control system is complex, nonlinear, coupling control system, the main research object of design is underwater propulsion control of dc motor

5、 speed regulating system. The design of the first step,the article discussed the background,significance and source of the subject,and underwater propulsion control system in domestic and international research situation and development trend.Then introduces the basic function of underwater propelle

6、r, the propeller propulsion and the basic structure,and the simple model of propeller mechanism is presented.Then underwater propulsion performance and requirements of the control system are analyzed,and the propeller control system of the overall control scheme and the basic structure are designed.

7、The next is the core part of the design,firstly,respectively introduces the PID control,the Fuzzy control and Adaptive control,again for underwater thruster control system of Fuzzy PID Parameters Adaptive adjusting control is put forward,and the modeling and simulation based on MATLAB/Sim-ulink are

8、done. analyzing by the simulation results can conclud that the Fuzzy PID Parameters Adaptive adjusting control of the control effect is superior to conventional PID control and Fuzzy control,and it is a good robustness and real-time intelligent control system.Last,the simple summary and prospect of

9、this design are done.Keywords:underwater propulsion control system，the propeller，F(xiàn)uzzy PID Adaptive adjusting control，modeling and simulation III 目錄 目錄第1章 緒論.11.1 引言11.2 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢11.3 本設(shè)計研究的主要內(nèi)容2第2章 水下推進(jìn)器機(jī)構(gòu)設(shè)計42.1 水下推進(jìn)器基本功能42.2 螺旋槳推進(jìn)器簡介42.3 水下螺旋槳推進(jìn)器的基本機(jī)構(gòu)42.3.1 螺旋槳推進(jìn)器機(jī)構(gòu)模型42.3.2 推進(jìn)器推力分析52.

10、4 小結(jié)6第3章 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)設(shè)計73.1 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)性能及需求分析73.2 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)基本控制機(jī)構(gòu)設(shè)計73.2.1 水下螺旋槳推進(jìn)器運動轉(zhuǎn)盤的控制73.2.2 永磁直流伺服電機(jī)驅(qū)動的節(jié)能型液壓動力系統(tǒng)83.2.3 螺旋槳推進(jìn)器主軸驅(qū)動和控制機(jī)構(gòu)設(shè)計10 3.3 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計.123.3.1 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的框架設(shè)計123.3.2 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的控制方式設(shè)計133.4 小結(jié)14第4章 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的模糊PID自適應(yīng)控制154.1 PID控制154.1.1 PID控制原理154.1.2 數(shù)字PID控制的基本原理164.1.3 PID控制規(guī)律

11、選擇和參數(shù)整定的簡要分析184.2 模糊控制194.2.1 模糊控制原理194.2.2 模糊控制器194.3 自適應(yīng)控制204.4 模糊PID自適應(yīng)控制254.4.1 模糊PID參數(shù)自適應(yīng)整定控制器的結(jié)構(gòu)及原理254.4.2 模糊PID參數(shù)自適應(yīng)整定控制器算法的實現(xiàn)264.5 小結(jié)32第5章 基于Simulink的模糊PID自適應(yīng)控制的建模與仿真32 5.1 直流推進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的求取.33 5.2 模糊PID自適應(yīng)控制系統(tǒng)的建模與仿真345.2.1 常規(guī)PID控制系統(tǒng)Simulink模型的建立與仿真345.2.2 模糊控制系統(tǒng)Simulink模型的建立與仿真355.2.3 模糊P

12、ID自適應(yīng)控制系統(tǒng)Simulink模型的建立與仿真35III青海大學(xué) 目錄5.2.4 三種控制器的速度跟蹤階躍響應(yīng)結(jié)果比較及分析375.3 小結(jié)37第6章 總結(jié)與展望396.1 設(shè)計總結(jié)39 6.2 設(shè)計創(chuàng)新點.396.3 展望39致謝.41參考文獻(xiàn).42 I1青海大學(xué)昆侖學(xué)院 第1章 緒論 第1章 緒論1.1 引言 在壓力巨大、競爭激烈、國際環(huán)境復(fù)雜的21世紀(jì)，特別是面對人口、資源、環(huán)境三大方面的難題，海洋已成為人類生存和發(fā)展的重要領(lǐng)域，人類迫切需要向海洋進(jìn)軍。目前，世界諸多國家面臨的不僅是保衛(wèi)自己的領(lǐng)海，更重要的是怎樣開發(fā)和利用海洋資源?？捎捎谌梭w自身不能長時間在水下生活或作業(yè)的限制，就不

13、得不依靠相關(guān)航行器來拓展人類在海洋中的活動能力進(jìn)而開發(fā)、索取海洋中可利用的資源。水下推進(jìn)器是航行器穩(wěn)定、安全、可靠運行的關(guān)鍵設(shè)備，良好的水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)是航行器的機(jī)動性、航程、航速等相關(guān)性能的有力保證。當(dāng)今，自動化智能控制系統(tǒng)己經(jīng)在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，在現(xiàn)代過程控制中，直流調(diào)速控制系統(tǒng)因為能夠在廣泛的范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，并且具有良好的起、制動性能而起著重要控制作用，特別是在需要高性能且可控的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。設(shè)計中研究的水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)主要是針對直流調(diào)速系統(tǒng)的控制問題。水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)是復(fù)雜、非線性、時變、耦合的控制系統(tǒng)，對于常規(guī)PID控制是不能滿足要求的，設(shè)

14、計在PID控制的基礎(chǔ)上結(jié)合模糊控制和自適應(yīng)控制，經(jīng)過深入分析和詳細(xì)研究，最終設(shè)計出將PID控制、模糊控制和自適應(yīng)控制相結(jié)合的經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、高效的模糊PID參數(shù)自適應(yīng)整定控制系統(tǒng)。1.2 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢 我國在1814年，將新發(fā)明的水下推進(jìn)器-螺旋槳，成功地安裝在第一艘蒸汽機(jī)驅(qū)動的軍艦上，他帶來了航速和航程質(zhì)的飛躍。由于螺旋槳具有結(jié)構(gòu)簡單，推進(jìn)效率較高，可靠性高等優(yōu)點，在此后的兩百多年里，螺旋槳作為水下推進(jìn)器最主要的形式應(yīng)用在很多航行器中。隨著人類科技的進(jìn)步，水下推進(jìn)器正朝著遠(yuǎn)程化、智能化方向發(fā)展,水下運行時間將達(dá)到上百小時，這對它的控制系統(tǒng)提出了很高的技術(shù)要求

15、。從目前國際上來看，除個別水下推進(jìn)器采用噴水推進(jìn)外，大多浮游式水下推進(jìn)器采用螺旋槳推進(jìn)，并且一般還在螺旋槳外還加有導(dǎo)管，以保證在高滑脫情況下提高推力。推進(jìn)器的驅(qū)動方式一般有電機(jī)驅(qū)動和液壓驅(qū)動，小型水下推進(jìn)器大多采用電動推進(jìn)器，大功率、作業(yè)型水下推進(jìn)器通常采用液壓驅(qū)動。水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢為：水下更深向深海發(fā)展；更遠(yuǎn)向遠(yuǎn)程發(fā)展；功能更強(qiáng)大向作業(yè)型及智能化方向發(fā)展。如下圖1-1和1-2為水下推進(jìn)器應(yīng)用于軍事方面的資料圖。 1青海大學(xué) 目錄 圖1-1 潛艇應(yīng)用于海上戰(zhàn)斗 圖1-2 亮相北京的海豹突擊隊水下推進(jìn)器1.3 設(shè)計研究的主要內(nèi)容 課題，水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)設(shè)計主要研究的對象為直流電機(jī)調(diào)

16、速控制系統(tǒng)，設(shè)計首先分析了選題背景、意義和來源，對水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究概況和發(fā)展趨勢作了簡述，然后分別是：水下推進(jìn)器機(jī)構(gòu)設(shè)計、 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)設(shè)計、水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的模糊PID自適應(yīng)控制、基于Simulink的模糊PID自適應(yīng)控制的建模與仿真、總結(jié)與展望。全文整體分6個章節(jié)，內(nèi)容循序漸進(jìn)，具體安排如下： 第1章：緒論。首先通過前言介紹了設(shè)計的選題背景、意義和來源，接著簡述了水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究概況和發(fā)展趨勢。第2章：水下推進(jìn)器機(jī)構(gòu)設(shè)計。本章節(jié)首先介紹了水下推進(jìn)器的基本功能，螺旋槳推進(jìn)器，然后，從螺旋槳推進(jìn)器機(jī)構(gòu)模型和推進(jìn)器推力分析兩方面給出了水下推進(jìn)器的基本機(jī)構(gòu)。I青

17、海大學(xué)昆侖學(xué)院 第1章 緒論第3章：水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)設(shè)計。該章節(jié)是水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的整體設(shè)計，其中，第1小節(jié)分析了水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的性能及需求，然后從水下螺旋槳推進(jìn)器運動轉(zhuǎn)盤控制、永磁直流伺服電機(jī)驅(qū)動的節(jié)能型液壓動力系統(tǒng)、螺旋槳推進(jìn)器主軸驅(qū)動和控制機(jī)構(gòu)設(shè)計三方面給出了水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)基本機(jī)構(gòu)設(shè)計。最后，從水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的框架和控制方式設(shè)計兩方面給出了水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的總體方案。第4章：水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的模糊PID自適應(yīng)控制。本章是設(shè)計的核心章節(jié)。前三小節(jié)分別介紹了PID控制、模糊控制和自適應(yīng)控制，第四節(jié)是將前三節(jié)介紹的三種控制方式結(jié)合到一起，進(jìn)而給出了設(shè)計的核心部分水下推進(jìn)器控

18、制系統(tǒng)的模糊PID參數(shù)自適應(yīng)整定控制。第5章：基于Simulink的模糊PID自適應(yīng)控制的建模與仿真。本章首先進(jìn)行的工作是直流推進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的求取，然后，分別就常規(guī)PID控制、模糊控制、模糊PID自適應(yīng)整定控制進(jìn)行了基于MATLAB/Simulink的建模與仿真，最終對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析和總結(jié)。 第6章：總結(jié)與展望。對整個設(shè)計過程進(jìn)行了總略性的回顧，比較、分析了常規(guī)PID控制、模糊控制和模糊PID參數(shù)自適應(yīng)整定控制的可行性及優(yōu)缺點，最終，對控制系統(tǒng)中有待于進(jìn)一步完善和優(yōu)化的方面提出了一些解決的思路和想法，并對進(jìn)一步的研究工作做出了簡單的展望。 3青海大學(xué) 第2章 水下推進(jìn)器機(jī)構(gòu)設(shè)

19、計2.1 水下推進(jìn)器基本功能 推進(jìn)器是水下航行器的關(guān)鍵設(shè)備之一，它遵循能量守恒定律，在相關(guān)能量轉(zhuǎn)換原理的基礎(chǔ)上將水下航行器所攜帶的能源轉(zhuǎn)換成推動航行器進(jìn)行相關(guān)運動所必需的機(jī)械能。當(dāng)水下航行器在水下運動時，都會受到水的阻力。水下航行器要正常運行必須具有一定的快速性，即能夠以一定的航速進(jìn)行定位運動，為此，必須提供一個與其運動方向一致的推力。然而，讓航行器前進(jìn)的這個推力是由航行器的推進(jìn)動力裝置（推進(jìn)器）提供的，水下航行器的推進(jìn)器吸收主機(jī)功率產(chǎn)生推力，推動其前進(jìn)運動的同時，航行器還必須有良好的操縱性。操縱性主要包括兩方面的含義：穩(wěn)定性和機(jī)動性。當(dāng)然，二者與航行器的本身的體型、附件、推進(jìn)器和操縱臺的設(shè)計

20、息息相關(guān)，同時還與操縱裝置和控制系統(tǒng)的設(shè)計有關(guān)。2.2 螺旋槳推進(jìn)器簡介 目前航行器常用的水下推進(jìn)方式有：電機(jī)推進(jìn)、液壓推進(jìn)、噴水推進(jìn)、磁流體推進(jìn)和近些年來興起的仿生推進(jìn)。現(xiàn)在中小型航行器的水下推進(jìn)大部分使用電動機(jī)直接驅(qū)動螺旋槳，也稱為電機(jī)推進(jìn)器，他們可以使用直流電機(jī)，無刷直流電機(jī)或者交流電機(jī)；大中型航行器的水下推進(jìn)普遍采用液壓馬達(dá)提供驅(qū)動力。電機(jī)推進(jìn)和液壓推進(jìn)均是采用螺旋槳作為推進(jìn)器的，到現(xiàn)在為止水下推進(jìn)器中螺旋槳推進(jìn)器占主導(dǎo)地位。為了更好的利用螺旋槳推進(jìn)器，很有必有了解其自身的一些特點。螺旋槳推進(jìn)器參數(shù)的確定比較簡單，因為它只需滿足螺旋槳的吸收功率、扭矩和主機(jī)功率、扭矩相平衡即可。但航行器

21、推進(jìn)往往需要如前進(jìn)、橫移、轉(zhuǎn)艏等多種運動，這就要求我們安裝多個推進(jìn)器，導(dǎo)致能耗增大。再就是螺旋槳推進(jìn)器有較大的空泡損失，噪聲也大，還有氣窩的存在，裝在航行器尾部的水下螺旋槳推進(jìn)器往往會受到尾流和內(nèi)河吃水深度的影響，從而限制了推進(jìn)器推進(jìn)的高效性。此外，常規(guī)螺旋槳推進(jìn)器還會產(chǎn)生很大的尾部振動，影響了推進(jìn)效率。當(dāng)前國內(nèi)外正針對如何減少螺旋槳推進(jìn)器的振動量和噪聲，以及提高螺旋槳推進(jìn)速度方面展開集中而深入的研究1。2.3 水下螺旋槳推進(jìn)器的基本機(jī)構(gòu)水下運行的航行器系統(tǒng)是一個非線性、時變、耦合的動力學(xué)系統(tǒng)。需要考慮的影響因素較多，如重力、浮力、推力和水動力這些主要影響航行器推進(jìn)器運行因素參數(shù)的確定比較困難

22、，再加之需要確定的參數(shù)較多，而目前的技術(shù)和測試條件又有限，有些參數(shù)根本無法準(zhǔn)確測定或者無法測定。2.3.1 螺旋槳推進(jìn)器機(jī)構(gòu)模型 設(shè)計研究的是全方位水下推進(jìn)器2，對于螺旋槳推進(jìn)器的設(shè)計理論本身是非常復(fù)雜的，在此不作詳述，這里只給出機(jī)構(gòu)的簡圖如圖2-1所示。I青海大學(xué)昆侖學(xué)院 第2章 水下推進(jìn)器機(jī)構(gòu)設(shè)計 液壓缸連接桿外側(cè)轉(zhuǎn)盤內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)盤 推進(jìn)器軸葉片變速桿 圖2-1 全方位水下推進(jìn)器機(jī)構(gòu)模型圖 此全方位水下推進(jìn)器可以實現(xiàn)對航行器六自由度運動的控制，并且能夠提高航行器的可操縱性和可控性。我們只需要在航行器的艏、艉裝配水下推進(jìn)器就可以根據(jù)運行的需要產(chǎn)生上下、前后、左右六個方向的推力，而且并不影響航行器結(jié)

23、構(gòu)和強(qiáng)度條件的要求以及總體布局的要求，同時還能相應(yīng)地減少推進(jìn)器的數(shù)目，滿足了航行器的操縱性能要求，便于實現(xiàn)水下航行器小型化和輕量化。全方位水下推進(jìn)器是一種在槳葉片旋轉(zhuǎn)一周的過程中,通過槳葉片螺距角的周期性變化，使其不僅產(chǎn)生與推進(jìn)器軸平行的軸向推力，同時還能在側(cè)向產(chǎn)生推力的特種推進(jìn)器。 常規(guī)螺旋槳槳葉同一半徑處的螺距角是相等的，并且槳葉是沿周向均勻分布的，所以槳葉對應(yīng)葉剖面上的環(huán)量均相等，于是各槳葉在不同周向位置上，對應(yīng)葉元體的切向力是相等的，導(dǎo)致整個螺旋槳不會產(chǎn)生側(cè)向推力，只能產(chǎn)生軸向推力；然而，全方位水下推進(jìn)器的槳葉片雖然也是周向均勻分布的，可葉片的幾何螺距角是周期性變化的(通常按正弦或余弦

24、規(guī)律變化)，這樣，每當(dāng)葉片處于不同的角度時，葉片的攻角同時隨角度的變化而變換，進(jìn)而使得各葉片對應(yīng)葉元體上的切向力也跟隨角度變化，這時，在側(cè)向的產(chǎn)生的分力是不能相互抵消的，這就使得槳葉上存在了側(cè)向力。上述說明了全方位水下推進(jìn)器與常規(guī)螺旋槳的本質(zhì)區(qū)別在于:常規(guī)螺旋槳只能產(chǎn)生使航行器沿軸向運動的軸向推力（即縱向運動）；全方位水下推進(jìn)器不但能產(chǎn)生讓航行器縱向運動的推力，而且能產(chǎn)生讓航行器橫向運動和垂直運動的推力，出現(xiàn)這種區(qū)別的原因在于葉片螺距角是否能發(fā)生周期性的變化。由于全方位水下推進(jìn)器在產(chǎn)生側(cè)向推力的同時，也產(chǎn)生了額外的力矩，因此為了清除這一力矩，通常在航行器前后兩端各安裝一只來組合使用，使其在產(chǎn)生

25、側(cè)向推力時不產(chǎn)生垂向力矩。2.3.2推進(jìn)器推力分析 設(shè)計的推進(jìn)器是由驅(qū)動器、定距螺旋槳、直流電機(jī)所共同組成的直流深水電動推進(jìn)器。其中推進(jìn)器的推力可用如下公式描述：5青海大學(xué) (2-1)其中：液體密度（Kg/m3），n：螺旋槳轉(zhuǎn)速（r/s），D：螺旋槳直徑(m)，KT：推力系數(shù)。此時直流電機(jī)需要輸入的力矩為： （2-2）這里的KQ為力矩系數(shù)。其中KT 、KQ與螺旋槳葉片數(shù)目、葉片螺距和葉片形狀都有關(guān)系3，都是進(jìn)速比的函數(shù)（進(jìn)速比：螺旋槳進(jìn)速與葉梢線速度之比值）。從上述公式可以看出，只要螺旋槳確定以后，螺旋槳的直徑便已經(jīng)知道，于是只要通過調(diào)整推進(jìn)器的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n便可控制整個推進(jìn)器的推力，進(jìn)而推動

26、水下航行器一定的速度運行。 2.4 小結(jié) 本章首先從水下推進(jìn)器的運行原理，推進(jìn)作用，操縱性三方面簡要分析了水下推進(jìn)器的基本功能，接下來對螺旋槳推進(jìn)器進(jìn)行了簡單的介紹，然后給出了水下螺旋槳推進(jìn)器的基本機(jī)構(gòu)。水下推進(jìn)器基本機(jī)構(gòu)是從兩方面進(jìn)行闡述的：推進(jìn)器機(jī)構(gòu)模型；推進(jìn)器推力分析。 設(shè)計研究的全方位水下推進(jìn)器是水中航行器的一種新型特種推進(jìn)裝置，它只需要用兩個螺旋槳就可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的六個或者七個螺旋槳才能實現(xiàn)航行器的推進(jìn)和六自由度操縱性能。水中航行器采用全方位水下推進(jìn)器可以明顯減少螺旋槳的使用數(shù)目，不僅能克服傳統(tǒng)推進(jìn)器由于使用多螺旋槳而產(chǎn)生相互耦合的負(fù)面影響，而且還可以優(yōu)化航行器的結(jié)構(gòu)布局，從而提高了機(jī)

27、構(gòu)的物理操作性能和工作效率，同時還節(jié)省了能源，為人類開發(fā)利用水中資源做出了很好的貢獻(xiàn)。 1青海大學(xué)昆侖學(xué)院 第3章 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)設(shè)計 第3章 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)設(shè)計3.1 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)性能及需求分析 由于水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)本身特殊的應(yīng)用范圍和工作環(huán)境，要求控制系統(tǒng)自身必須具有良好的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性，且能在不同溫度環(huán)境的條件下正常運行，這就要求控制系統(tǒng)擁有較強(qiáng)的運動控制核心處理器。該控制核心處理器除了自身基本功能要求外，還必須滿足特殊的性能要求。這些特殊的性能不但與系統(tǒng)的整體特性緊密相連，而且影響著系統(tǒng)的適用范圍。特殊性能要求如下： （1）時效性好 近幾年來對水下推進(jìn)器運動精度

28、和位置伺服技術(shù)的要求越來越高，因此，對控制核心處理器也提出了很高的要求。控制核心處理器就是一種實時計算機(jī)，數(shù)據(jù)采樣時間通常為幾毫秒到幾十毫秒之間，處理器接口主要用來實時信息的輸入和輸出。設(shè)計選用具有高時效性的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）作為控制核心處理器，但它也不能準(zhǔn)確無誤的保證整個控制系統(tǒng)的實時性?？刂葡到y(tǒng)運行過程中，現(xiàn)場可編程門陣列需要不時的與外界進(jìn)行信息交換，即FPGA并不是一直在單獨運行。這樣以來倘若外圍器件運行速度跟不上節(jié)奏，自然就會影響到現(xiàn)場可編程門陣列的工作時效性，導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)優(yōu)越的性能不能很好地發(fā)揮，這就要求控制系統(tǒng)中其他器件的時效性也要重點考慮。 （2）性價比高雖然控制系

29、統(tǒng)中的控制器件性能越高越能滿足應(yīng)用要求，但一味追求高性能器件，會導(dǎo)致不必要的浪費。再者如果控制系統(tǒng)的整體功耗太高的話，會使控制系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，系統(tǒng)的可靠性得不到很好的保證，因此在設(shè)計控制系統(tǒng)時，盡量選擇性能滿足要求，功耗低的性價比高的器件。 （3）體積小推進(jìn)器控制系統(tǒng)很大一部分是嵌入式產(chǎn)品，由于它通常需要放在狹小的儀器艙中，尤其是小體積水下航行器中，它的重量和體積會受到嚴(yán)格的限制。水下推進(jìn)裝置控制器的重量和幾何外形都會受到特殊規(guī)定，在設(shè)計過程中要盡量力求電路簡單、器件集成度高、占用體積小，盡力做到小型化4。3.2 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)基本控制機(jī)構(gòu)設(shè)計3.2.1 水下螺旋槳推進(jìn)器運動轉(zhuǎn)盤的控制3.

30、2.1.1 液壓油缸液壓伺服系統(tǒng)利用液壓器件組成的伺服系統(tǒng)稱作液壓伺服系統(tǒng)。液壓伺服系統(tǒng)是由液壓動力機(jī)構(gòu)和反饋機(jī)構(gòu)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，它分為機(jī)械液壓伺服系統(tǒng)和電氣液壓伺服系統(tǒng)（簡稱電液伺服系統(tǒng)）兩類。其工作原理是流體動力的反饋控制，也就是利用反饋連接獲得偏差信號，用偏差信號再去控制液壓能源輸入到系統(tǒng)的能量，讓系統(tǒng)總是朝著減小偏差的方向進(jìn)行，盡力讓實際輸出與期望值相同。液壓伺服系統(tǒng)易于實現(xiàn)直線運動的速度、位移和力的控制并且其具有加速性能好，控制精度高，穩(wěn)定性能好，驅(qū)動性能優(yōu)越，尺寸小、重量輕的特點，在推進(jìn)器控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用5。1青海大學(xué)設(shè)計中的水下螺旋槳推進(jìn)器轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)是通過三個液壓油

31、缸的位移運動完成的，具體是通過三個液壓油缸位移運動的組合進(jìn)而轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)盤的三個自由度運動（兩個旋轉(zhuǎn)運動，一個位移運動），其中每個液壓油缸的位移運動又是通過一個閉環(huán)液壓伺服系統(tǒng)來驅(qū)動和控制的。其實現(xiàn)方式為：通過指令元件輸出的信號經(jīng)過控制器的處理轉(zhuǎn)換，將得到的控制信號輸入到放大器，再將經(jīng)過放大器放大后的控制信號輸入到液壓動力系統(tǒng)，液壓動力系統(tǒng)輸出位移信號驅(qū)動液壓油缸，接下來通過位移傳感器將發(fā)生的位移反饋到控制器的輸入端以達(dá)到校正的目的，驅(qū)使液壓油缸的輸出位移最大限度的跟隨輸入控制信號，以達(dá)到準(zhǔn)確控制的目的。圖3-1為螺旋槳推進(jìn)器運動轉(zhuǎn)盤液壓油缸液壓伺服系統(tǒng)框圖。指令元件放大器液壓動力系統(tǒng)液壓油缸運動

32、轉(zhuǎn)盤位移傳感器 + - 圖3-1 液壓油缸液壓伺服系統(tǒng)控制框圖 3.2.1.2 液壓伺服系統(tǒng)的控制 過往通常采用常規(guī)PID控制方法對液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，可是水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)是時變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，控制系統(tǒng)中的參數(shù)往往會隨著周圍環(huán)境條件變化而變化，況且液壓伺服系統(tǒng)經(jīng)常存在外部負(fù)載的干擾，這些干擾往往又難以預(yù)測甚至是不可預(yù)測的，從而會嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的工作性能。以此分析，常規(guī)PID控制是不能達(dá)到控制要求的，設(shè)計采用將自適應(yīng)控制、模糊控制和PID控制相結(jié)合的模糊PID自適應(yīng)控制，結(jié)合各控制的優(yōu)點達(dá)到綜合控制的良好效果。 3.2.2 永磁直流伺服電機(jī)驅(qū)動的節(jié)能型液壓動力系統(tǒng)3.2.2.1 永磁

33、直流伺服電機(jī)的選型 永磁直流電機(jī)是用永磁體建立磁場，實現(xiàn)直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種直流電機(jī)，由于不需要輸入勵磁電流，也就不會因勵磁電流而引起功率消耗，又由于轉(zhuǎn)子磁極是基本恒定的，所以永磁電機(jī)在低速運轉(zhuǎn)或是在高速運轉(zhuǎn)時都能夠輸出較大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。此外，永磁電機(jī)還具有過載倍數(shù)大、響應(yīng)速度快、運行平穩(wěn)和體積小等優(yōu)點，所以液壓動力系統(tǒng)選用永磁電機(jī)。 此次研究的液壓動力系統(tǒng)采用濟(jì)南科亞電子科技公司生產(chǎn)的的ZYT系列永磁直流電機(jī),該永磁直流電機(jī)采用鐵磁體永久磁鐵激磁，系封閉自冷式，這種電機(jī)以廉價見長，且性能良好。具體選用型號為：90 ZYT 08/H2電動機(jī)，如圖3-2所示：I青海大學(xué)昆侖學(xué)院 圖3-2 永

34、磁直流電動機(jī)它具有體積小、重量輕、力性能指標(biāo)高、噪音低、產(chǎn)品系列化程度高、零部件通用化程度強(qiáng)等特點。型號90 ZYT 08/H2說明： 90 ZYT 08/H2 機(jī)座代號 鐵芯長代號 永磁式直流電機(jī) 機(jī)座外徑/mm其主要技術(shù)參數(shù)如下表： 表3-1 選定的永磁直流電機(jī)技術(shù)參數(shù)額定功率/W額定線電壓（DC）/V額定電流/A額定轉(zhuǎn)矩/N.M額定轉(zhuǎn)速/（r/min）201100.340.6373000 3.2.2.2 永磁直流伺服電機(jī)驅(qū)動的節(jié)能型液壓動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 如下圖3-3是永磁直流伺服電機(jī)驅(qū)動的節(jié)能型液壓動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，該系統(tǒng)由永磁直流伺服電機(jī)、伺服控制器、液壓油泵和傳感器等組成。系統(tǒng)采用了

35、效率高、機(jī)械特性好、過載倍數(shù)大和調(diào)速性能優(yōu)越的永磁伺服電機(jī)拖動油泵，同時還采用了壓力、流量雙閉環(huán)控制和電機(jī)電壓、電流對系統(tǒng)流量、壓力的冗余監(jiān)測系統(tǒng)，并且具有油液溫度自動補(bǔ)償功能。系統(tǒng)可以針對不同的液壓負(fù)載情況啟用壓力自適應(yīng)、流量自適應(yīng)和功率自適應(yīng)三種工作模式，并且不同的工作模式可以采用相應(yīng)的控制策略。由于具有上述特點，該系統(tǒng)具有應(yīng)用范圍廣、效率高、低速穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快和調(diào)速精度高等優(yōu)點6。9青海大學(xué)上位機(jī) 伺服控制器油液溫度傳感器永磁直流電機(jī)液壓油泵負(fù)載壓力、電流傳感器光電編碼器油箱 圖3-3 永磁直流伺服電機(jī)驅(qū)動的節(jié)能液壓動力系統(tǒng)框圖 3.2.3 螺旋槳推進(jìn)器主軸驅(qū)動和控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計近

36、些年來，隨著電力電子技術(shù)、材料技術(shù)、電力半導(dǎo)體技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)等的高速發(fā)展，電力推進(jìn)技術(shù)得到了很好的提高并日趨完善，目前已作為一種先進(jìn)的推進(jìn)方式獲得了廣泛應(yīng)用。由于電力推進(jìn)系統(tǒng)7不僅在技術(shù)方面較為成熟、可靠性高，而且容易實現(xiàn)動力裝置整體布局緊湊化、重量最佳化和維護(hù)簡便化等優(yōu)越性，因此，它已成為國內(nèi)外現(xiàn)代潛器、船舶推進(jìn)方式中的新型發(fā)展方向，已被廣泛應(yīng)用于水下推進(jìn)裝置。(1） 螺旋槳主軸推進(jìn)電機(jī)控制機(jī)構(gòu)設(shè)計設(shè)計中的螺旋槳主軸的旋轉(zhuǎn)運動是通過一套電力推進(jìn)機(jī)構(gòu)來控制和驅(qū)動的，設(shè)計研究的水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)中所有推進(jìn)電機(jī)均為直流電機(jī)，它們的基本工作原理是一致的，所不一樣的只是電機(jī)的特征參數(shù)

37、。如下圖3-4為螺旋槳主軸推進(jìn)電機(jī)控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖：I青海大學(xué)昆侖學(xué)院 可編程邏輯器件 （CPLD）引導(dǎo)加載ROMDSP內(nèi)核A/D轉(zhuǎn)換電機(jī)驅(qū)動器 直流電機(jī)傳感器原動機(jī)蓄電池電機(jī)負(fù)載 圖3-4 螺旋槳主軸推進(jìn)電機(jī)控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖 (2） 可編程邏輯器件（CPLD）的選型 對于可編程邏輯器件（CPLD）選用深圳市珍瓊科技有限公司生產(chǎn)型號為：XC9536XL-VQ44BMN的芯片，其具體圖樣如圖3-5所示： 圖3-5 可編程邏輯器件（CPLD）芯片圖 11青海大學(xué) （3） 設(shè)計研究的控制對象設(shè)計是以一臺工作在復(fù)雜水文環(huán)境下的螺旋槳推進(jìn)器作為研究對象，它的主要技術(shù)參數(shù)如下：.螺旋槳葉片數(shù)（片）：2

38、；.螺旋槳直徑（m）:0.3；.額定功率（KW）:0.25；.額定電流（A）：3.7；.額定電壓（V）：110；.額定轉(zhuǎn)速（r/min）:1500；.最高轉(zhuǎn)速（r/min）:3000；.飛輪轉(zhuǎn)動慣量（N*m2）:0.0794。 （4） 根據(jù)水下螺旋槳推進(jìn)器的技術(shù)參數(shù)，可以求出推進(jìn)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)及傳遞函數(shù)8： 研究的直流電機(jī)為理想空載情況下，負(fù)載電流IdL=0，則可以求得電機(jī)的傳遞函數(shù)為： （3-1）3.3 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計 3.3.1 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的框架設(shè)計 此次設(shè)計的水下螺旋槳推進(jìn)器控制系統(tǒng)2包括信息處理智能單元、艏部螺旋槳全方位推進(jìn)器控制系統(tǒng)，艉部螺旋槳全方位推進(jìn)器控制

39、系統(tǒng)和水下航行器，外部機(jī)構(gòu)單元連接信息處理智能單元，信息處理智能單元連接艏部螺旋槳全方位推進(jìn)器控制系統(tǒng)和艉部螺旋槳全方位推進(jìn)器控制系統(tǒng)，艏部螺旋槳全方位推進(jìn)器控制系統(tǒng)和艉部螺旋槳全方位推進(jìn)器控制系統(tǒng)均連接在水下航行器上，其中艏部螺旋槳全方位推進(jìn)器控制系統(tǒng)和艉部螺旋槳全方位推進(jìn)器控制系統(tǒng)均由螺距角控制機(jī)構(gòu)和主軸I青海大學(xué)昆侖學(xué)院推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)組成。螺距角控制機(jī)構(gòu)包括三個相同的液壓伺服系統(tǒng)、運動轉(zhuǎn)盤和機(jī)械傳動裝置，三個相同的液壓伺服系統(tǒng)均與運動轉(zhuǎn)盤連相接，進(jìn)而運動轉(zhuǎn)盤與機(jī)械傳動裝置相連接，最后機(jī)械傳動裝置連接在艏部螺旋槳全方位推進(jìn)器和艉部螺旋槳全方位推進(jìn)器上；主軸推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)

40、器、功放裝置、電機(jī)控制機(jī)構(gòu)、電機(jī)、減速器、電流傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，其中，信息處理智能單元連接轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器連接電流調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器連接功放裝置，功放裝置連接電機(jī)控制機(jī)構(gòu)，電機(jī)控制機(jī)構(gòu)連接電機(jī)，電機(jī)再連接電流傳感器和減速器，減速器最后連接水下航行器的艏部或艉部和轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器連接轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。其具體控制系統(tǒng)模塊組成簡圖如圖3-6所示： 艏部螺旋槳全方位推進(jìn)器控制系統(tǒng)信息處理智能單元液壓伺服系統(tǒng)1液壓伺服系統(tǒng)3運動轉(zhuǎn)盤機(jī)械傳動艏部轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器功放裝置電機(jī)控制機(jī)構(gòu)電機(jī)減速器水下航行器電流傳感器轉(zhuǎn)速傳感器艉部螺旋槳全方位推進(jìn)器控制系統(tǒng)艉部液壓伺服系統(tǒng)2 螺距 主 軸 合力矩 導(dǎo)

41、入 主軸推進(jìn) 螺距角 圖3-6 水下螺旋槳推進(jìn)器控制系統(tǒng)簡圖 3.3.2 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的控制方式設(shè)計 設(shè)計的最終目的在于提出一種能夠解決水下推進(jìn)器控制機(jī)構(gòu)的非線性、時變等問題的合適控制方案，做到對水下航行器的六自由度運動實現(xiàn)可靠、穩(wěn)定、性能優(yōu)越的控制，同時提高水下航行器的可操縱性和可控性，并且優(yōu)化推進(jìn)器控制裝置。 13青海大學(xué) 對于水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)控制方式一般采用PID控制，PID控制方法憑借自身算法簡單，控制性能優(yōu)越，可靠性能好等優(yōu)點，迄今為止在控制領(lǐng)域中一直占有非常重要的地位。可對于非線性、時變、耦合的控制機(jī)構(gòu)，使用傳統(tǒng)的PID控制方法是很難達(dá)到理想的控制效果，近些年來隨著人

42、工智能的問世，出現(xiàn)了譬如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)、遺傳算法等一系列的新型智能控制方法。對于水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)非線性、時變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定性的復(fù)雜特點，加之現(xiàn)代工藝要求不斷提升，常規(guī)PID控制根本達(dá)不到控制效果或無法實現(xiàn)控制目的，然而智能控制在控制非線性、時變、耦合、參數(shù)不確定等方面卻擁有一定的優(yōu)勢恰好能夠解決復(fù)雜機(jī)構(gòu)的控制問題，可以彌補(bǔ)PID控制的一些不足之處，設(shè)計采用了智能控制與傳統(tǒng)PID控制方法相結(jié)合的模糊PID自適應(yīng)控制的控制方式來實現(xiàn)對水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的控制。. 小結(jié)此章節(jié)為水下螺旋槳推進(jìn)器控制系統(tǒng)的簡要框架設(shè)計。首先從時效性、性價比、占用體積三個方面對水下推進(jìn)器控制

43、系統(tǒng)進(jìn)行了性能需求分析。第二大節(jié)給出了水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)基本機(jī)構(gòu)設(shè)計：運動轉(zhuǎn)盤控制，節(jié)能型液壓動力系統(tǒng)，主軸驅(qū)動和控制機(jī)構(gòu)，并從中給出了液壓伺服系統(tǒng)、永磁直流伺服電機(jī)的選型、可編程邏輯器件（CPLD）的選型等。最后從控制系統(tǒng)框架和控制方式兩方面給出了控制系統(tǒng)總體方案。整章為實現(xiàn)對水下推進(jìn)器的穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速、全面的控制打下了堅實的理論基礎(chǔ)，同時為控制系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計和實際工程控制提供了一定的參考依據(jù)。I青海大學(xué)昆侖學(xué)院 第4章 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的模糊PID自適應(yīng)控制 第4章 水下推進(jìn)器控制系統(tǒng)的模糊PID自適應(yīng)控制4.1 PID控制 PID（Proportion Integration Di

44、fferentiation）發(fā)展至今已有70多年的歷史，得到了工程界的廣泛應(yīng)用并已成為技術(shù)成熟的一種控制策略。經(jīng)過在工程領(lǐng)域的長期實踐和應(yīng)用，控制方式和典型結(jié)構(gòu)已日趨成熟，也是最早發(fā)展起來的線性控制方式之一。日本的KDD研究和開發(fā)實驗室研制出來的“AQUA探索者”號船只，日本東京大學(xué)研制出來的“Twin Burger”水下機(jī)器人，在航行姿態(tài)控制中均采用了PID和PD控制算法，法國的（Super Safir ROV）也采用PID控制對航行器的航行狀態(tài)進(jìn)行控制，應(yīng)用于科學(xué)考察場合的“The towfish Hok-ieStone”等也采用PID控制9。 4.1.1 PID控制原理 常規(guī)PID控制器

45、（模擬PID控制器）是一種采用線性控制方式的線性控制器，由于它的控制方式簡便、控制算法簡單、可靠性高、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢而得到了廣泛的應(yīng)用，其最大的優(yōu)點就是其自身由于積分作用的存在而使控制系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)精度高的特點?？沙Ｒ?guī) PID控制器需要較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型且系統(tǒng)須為線性定常系統(tǒng)，才能確定PID控制器的參數(shù)（Kp、Ki、Kd），而水下推進(jìn)器在運行過程中，水紋環(huán)境中的復(fù)雜性往往具有時變性、非線性、動態(tài)不確定性等因素，操作條件不斷變化，使得控制器精確的數(shù)學(xué)模型很難建立，甚至不可能建立。所以，常規(guī)PID控制器在處理這些問題時受到很大的限制，很有可能產(chǎn)生比較差的操縱性能，難以實現(xiàn)有效控制。 PID控制的特點就是只需要對控制器參數(shù)（比例系數(shù)KP、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd）進(jìn)行整定，就能夠得到滿意的調(diào)控結(jié)果。PID控制系統(tǒng)是由PID控制器和被控對象共同組成。它是按照偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)的線性組合構(gòu)成控制量，根據(jù)設(shè)定目標(biāo)給的定值r( t) 與實際輸出值y( t)構(gòu)