r>[0052]式中：Tl一一作用在液壓馬達的外負載力矩，對于液壓推進器來說，外負載力矩即 為螺旋槳的扭矩Q
[0053]螺旋槳扭矩可用下式計算：
[0054] Q=KQpn2D5 (7)
[0055] 式中：Q-一螺旋槳扭矩;KQ-一螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù);P-一海水密度;η-一螺旋槳的 轉(zhuǎn)速;D-一螺旋槳的直徑；
[0056]螺旋槳推力可用下式計算：
[0057] T=KxPn2D4 (8)
[0058] 式中:Κτ一一螺旋槳推力系數(shù)。
[0059]螺旋槳的進速系數(shù)按下式計算：
[0060] (^))
[0061 ]式中:n--螺旋槳轉(zhuǎn)速;Va--螺旋槳的進速，即為螺旋槳的縱向進水速度。
[0062] -種作業(yè)型水下機器人的液壓推進器的推力控制仿真系統(tǒng)，建立一種電液伺服閥 控制的液壓螺旋槳推進器的動力學(xué)系統(tǒng)模型，提出了一種通過控制液壓馬達的兩端油液壓 力來間接控制螺旋槳推力輸出的方法。本發(fā)明可比較真實的仿真電液伺服閥控制液壓推進 器的動態(tài)響應(yīng)過程;通過控制液壓馬達兩端油液壓力差，可實現(xiàn)液壓推進器的螺旋槳負載 力矩和推力控制;可實現(xiàn)在不同水流進速條件下液壓推進器的穩(wěn)定推力控制仿真。
[0063] 建立閥控液壓馬達的傳遞函數(shù)模型，將輸入期望推力轉(zhuǎn)換成液壓馬達兩端油液壓 力;建立液壓螺旋槳推進器動力學(xué)系統(tǒng)模型，將油液壓力轉(zhuǎn)化為液壓馬達的扭矩輸出，用這 個扭矩來調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速，進而間接控制螺旋槳的輸出推力。
[0064] 在期望推力值一定時，液壓馬達輸出扭矩保持可保持穩(wěn)定輸出，根據(jù)液壓馬達和 負載力矩的平衡方程，進而可使螺旋槳負載扭矩保持穩(wěn)定輸出，也就實現(xiàn)了螺旋槳推力的 穩(wěn)定輸出控制。
[0065]在期望推力值一定條件下，液壓馬達輸出扭矩保持可保持穩(wěn)定輸出；在期望推力 不變條件下，當(dāng)螺旋槳的水流進速改變時，通過自動調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速值，使螺旋槳的輸出 扭矩基本保持穩(wěn)定，進而實現(xiàn)螺旋槳的穩(wěn)定推力控制。
[0066]下面給出本發(fā)明專利的實施方式，并結(jié)合附圖1-3加以說明：首先根據(jù)圖1中的作 業(yè)型R0V液壓推進器的推力控制仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，在matlab中建立放大器1、放大器2、電 液伺服閥傳遞函數(shù)模型、閥控液壓馬達的傳遞函數(shù)模型、螺旋槳推進器動力學(xué)系統(tǒng)模型、螺 旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計算模型。
[0067]本發(fā)明以SMD公司的作業(yè)型R0V所安裝的推進器為研究對象，來說明液壓推進器的 推力控制仿真系統(tǒng)的參數(shù)計算方法。推進器的型號為CurvetechHT-380BA-32,采用馬達為 Rexroth公司斜軸式軸向柱塞定量液壓馬達，具體參數(shù)參考相關(guān)資料。推進器的推力輸出范 圍為[-6001^，6001^];放大器1的電壓輸出范圍為[-5￥，+5￥];放大器2輸出電流范圍為[-50mA，+50mA;]電液伺服閥輸出閥芯位移范圍為[-5mm，+5mm]，液壓馬達兩端的壓力輸出范 圍為[_30MPa，+30MPa]，馬達固定排量為32cc/min。推進器的螺旋槳進速系數(shù)、推力系數(shù)及 扭矩系數(shù)參見HT-380BA-32推進器的特性曲線圖，并建立螺旋槳進速系數(shù)和推力及扭矩系 數(shù)之間數(shù)據(jù)庫。閥控液壓馬達的主要技術(shù)參數(shù)可參見圖3。將上述參數(shù)代入公式(1)-(9)，可 計算出各環(huán)節(jié)增益系數(shù)及傳遞函數(shù)。
[0068]液壓馬達的排量為：
[0069]
[0070]由推進器的特性曲線圖，并可參見HT-380BA-32型推進器相關(guān)資料，螺旋槳的水流 進速為0時，在壓力為250Bar時，由式(5)計算推進器輸出的扭矩為：
[0071]Tg = 25X106X5X10-6=125N·m
[0072] 根據(jù)HT-380BA-32推進器相關(guān)資料，由式(8)可得：
[0073]
[0074] 根據(jù)HT-380BA-32推進器的特性曲線圖，由公式(6)可計算出參數(shù)如下：
[0075] Bm=0.02
[0076]Kq= 0.0232
[0077]將相關(guān)參數(shù)代入式(4)，可得電液伺服閥的傳遞函數(shù)為：
[0078]
[0079]將相關(guān)參數(shù)代入式(4)，則閥控液壓馬達的傳遞函數(shù)為：
[0080]
[0081]對于液壓推進器來說，可以認為外負載力矩為螺旋槳的負載扭矩，S卩IY=Q，由式 (5)可得下式成立：
[0082]
[0083]
[0084]由式(5)和（10)可以看出，當(dāng)控制液壓馬達兩端油液壓力穩(wěn)定時，則馬達輸出扭矩 Tg-定。由式（10)可以看出：當(dāng)螺旋槳進速系數(shù)變化時，KQ也發(fā)生變化，則可自動調(diào)節(jié)螺旋槳 轉(zhuǎn)速來達到上式（10)的平衡。當(dāng)# = 〇時，根據(jù)式（10)-(11)，可得下式成立：
[0085]
(i2)
[0086]由式（12)可以看出：由于螺旋槳的粘性阻尼系數(shù)Bm很小，可以認為當(dāng)螺旋槳的進 速系數(shù)發(fā)生變化時，螺旋槳輸出扭矩Q基本保持不變，即Q近似等于液壓馬達的輸出力矩Tg。 根據(jù)HT-380BA-32推進器的特性曲線圖，轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ和推力系數(shù)Κτ基本成線性關(guān)系。當(dāng)螺旋 槳轉(zhuǎn)矩Q能夠保持穩(wěn)定輸出，螺旋槳輸出推力Τ也能保持穩(wěn)定。
[0087] 在以上模塊各自功能調(diào)試及聯(lián)調(diào)無誤后，在Matlab中運行仿真程序后，通過給定 推進器一個期望推力值，并設(shè)定一個給定的螺旋槳進速值，可以看出輸出推力值能夠跟蹤 上期望推力值。當(dāng)推力器的期望推力值保持不變，調(diào)節(jié)螺旋槳的進速值大小，可以看出螺旋 槳的轉(zhuǎn)速的變化，而推進器的輸出扭矩和推力在很短的時間內(nèi)恢復(fù)到期望推力值附近，保 持了穩(wěn)定的推力輸出。本發(fā)明的液壓推進器推力控制仿真系統(tǒng)最終應(yīng)用在作業(yè)型R0V仿真 訓(xùn)練模擬器的設(shè)計中。
[0088]本發(fā)明屬于無人水下機器人運動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種作業(yè)型水下機器人 (R0V-RemotelyOperatedVehicle)液壓推進器的推力控制仿真系統(tǒng)的設(shè)計方法，包括： 放大器1、放大器2、電液伺服閥傳遞函數(shù)模型、閥控液壓馬達的傳遞函數(shù)模型、螺旋槳推進 器動力學(xué)系統(tǒng)模型、螺旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計算模型等。本發(fā)明可實現(xiàn)以下功能:可較真實 的仿真模擬作業(yè)型R0V的電液伺服閥控制的液壓馬達及螺旋槳的動態(tài)響應(yīng)過程;提出了一 種通過控制液壓馬達的兩端油液壓力來間接控制螺旋槳推力輸出的方法;實現(xiàn)在水下機器 人運動速度或海流速度變化條件下，液壓推進器的穩(wěn)定推力輸出控制。本發(fā)明中的液壓推 進器的推力控制仿真系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，可以比較真實的描述作業(yè)型R0V液壓推 進器內(nèi)部控制體系結(jié)構(gòu)，可以逼真模擬作業(yè)型R0V運動控制過程中的液壓推進器的動態(tài)響 應(yīng)過程，可實現(xiàn)在海流速度及R0V運動速度變化時，液壓推進器的推力穩(wěn)定輸出等優(yōu)點。
【主權(quán)項】
1. 一種作業(yè)型水下機器人液壓推進器的推力控制仿真系統(tǒng)，其特征在于:包括放大器 1、放大器2、電液伺服閥傳遞函數(shù)模型、閥控液壓馬達傳遞函數(shù)模型、馬達排量模塊Dm、螺旋 槳推進器動力學(xué)系統(tǒng)模型、螺旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計算模型； 將期望推力T1輸入到放大器1后，得到控制電壓UT;將控制電壓Ut傳送給放大器2后，輸 出控制電流i給電液伺服閥傳遞函數(shù)模型，得到伺服閥閥芯位移Xv傳送給閥控液壓馬達傳 遞函數(shù)模型，輸出液壓馬達兩端油液壓力差R給馬達排量模塊Dm，輸出扭矩T g; 將螺旋槳的進速Va和反饋轉(zhuǎn)速n，輸入到螺旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計算模型，得到轉(zhuǎn)矩系 數(shù)Kq和推力系數(shù)Kt，傳送給螺旋槳推進器動力學(xué)系統(tǒng)模型； 螺旋槳推進器動力學(xué)系統(tǒng)模型根據(jù)接收的扭矩Tg、轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kq和推力系數(shù)Κτ，計算出推 進器的推力T和反饋轉(zhuǎn)速η，將反饋轉(zhuǎn)速η傳送給螺旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計算模型，推進器的 推力T為輸出結(jié)果。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種作業(yè)型水下機器人液壓推進器的推力控制仿真系統(tǒng)，其 特征在于:所述的電液伺服閥傳遞函數(shù)模型為：其中KsV 伺服閥增益;TV 伺服閥常數(shù)； 閥控液壓馬達傳遞函數(shù)模型為：其中，PL-一液壓馬達高壓油路和低壓油路的壓力值之差;Xv-一電液伺服閥閥芯移動 距尚，為Xv的幅值;Kq--流量增益;Dm--液壓馬達的理論排量;Vt--閥腔、馬達腔和連 接管道的總?cè)莘e;& 一一等效體積彈性模量;Bm一一負載和液壓馬達的粘性阻尼系數(shù);J 一一 液壓馬達和負載的總慣性量，負載為螺旋槳轉(zhuǎn)矩;Km-一總的流量或壓力系數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種作業(yè)型水下機器人液壓推進器的推力控制仿真系統(tǒng)，其 特征在于:所述的螺旋槳推進器動力學(xué)系統(tǒng)模型為：Q = KQPn2D5 T = KxPn2D4 其中：Tl一一作用在液壓馬達的外負載力矩，外負載力矩即為螺旋槳的扭矩Q;Q--螺旋槳扭矩;Kq--螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù);P--海水密度;η--螺旋槳的轉(zhuǎn)速； D一一螺旋槳的直徑;Kt 一一螺旋槳推力系數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種作業(yè)型水下機器人液壓推進器的推力控制仿真系統(tǒng)。將期望推力輸入到放大器1后，得到控制電壓；將控制電壓傳送給放大器2后，輸出控制電流給電液伺服閥傳遞函數(shù)模型，得到伺服閥閥芯位移傳送給閥控液壓馬達傳遞函數(shù)模型，輸出液壓馬達兩端油液壓力差給馬達排量模塊，輸出扭矩；將螺旋槳的進速和反饋轉(zhuǎn)速，輸入到螺旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計算模型，得到轉(zhuǎn)矩系數(shù)和推力系數(shù)，傳送給螺旋槳推進器動力學(xué)系統(tǒng)模型；螺旋槳推進器動力學(xué)系統(tǒng)模型計算出推進器的推力和反饋轉(zhuǎn)速。本發(fā)明具有在海流速度及ROV運動速度變化時，液壓推進器的推力穩(wěn)定輸出的優(yōu)點。
【IPC分類】G05B17/02
【公開號】CN105425610
【申請?zhí)枴緾N201510756847
【發(fā)明人】李新飛, 韓端鋒, 袁利毫, 姜邁, 宋磊, 徐詩婧
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年11月9日