r>[0052]式中：Tl一一作用在液壓馬達(dá)的外負(fù)載力矩，對(duì)于液壓推進(jìn)器來(lái)說(shuō)，外負(fù)載力矩即 為螺旋槳的扭矩Q
[0053]螺旋槳扭矩可用下式計(jì)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(jì)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(jìn)速系數(shù)按下式計(jì)算：
[0060] (^))
[0061 ]式中:n--螺旋槳轉(zhuǎn)速;Va--螺旋槳的進(jìn)速，即為螺旋槳的縱向進(jìn)水速度。
[0062] -種作業(yè)型水下機(jī)器人的液壓推進(jìn)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(jìn)器的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型，提出了一種通過(guò)控制液壓馬達(dá)的兩端油液壓 力來(lái)間接控制螺旋槳推力輸出的方法。本發(fā)明可比較真實(shí)的仿真電液伺服閥控制液壓推進(jìn) 器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程;通過(guò)控制液壓馬達(dá)兩端油液壓力差，可實(shí)現(xiàn)液壓推進(jìn)器的螺旋槳負(fù)載 力矩和推力控制;可實(shí)現(xiàn)在不同水流進(jìn)速條件下液壓推進(jìn)器的穩(wěn)定推力控制仿真。
[0063] 建立閥控液壓馬達(dá)的傳遞函數(shù)模型，將輸入期望推力轉(zhuǎn)換成液壓馬達(dá)兩端油液壓 力;建立液壓螺旋槳推進(jìn)器動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型，將油液壓力轉(zhuǎn)化為液壓馬達(dá)的扭矩輸出，用這 個(gè)扭矩來(lái)調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而間接控制螺旋槳的輸出推力。
[0064] 在期望推力值一定時(shí)，液壓馬達(dá)輸出扭矩保持可保持穩(wěn)定輸出，根據(jù)液壓馬達(dá)和 負(fù)載力矩的平衡方程，進(jìn)而可使螺旋槳負(fù)載扭矩保持穩(wěn)定輸出，也就實(shí)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(dá)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(jìn)速改變時(shí)，通過(guò)自動(dòng)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(jìn)而實(shí)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(shí)施方式，并結(jié)合附圖1-3加以說(shuō)明：首先根據(jù)圖1中的作 業(yè)型R0V液壓推進(jìn)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(dá)的傳遞函數(shù)模型、螺旋槳推進(jìn)器動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型、螺 旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計(jì)算模型。
[0067]本發(fā)明以SMD公司的作業(yè)型R0V所安裝的推進(jìn)器為研究對(duì)象，來(lái)說(shuō)明液壓推進(jìn)器的 推力控制仿真系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算方法。推進(jìn)器的型號(hào)為CurvetechHT-380BA-32,采用馬達(dá)為 Rexroth公司斜軸式軸向柱塞定量液壓馬達(dá)，具體參數(shù)參考相關(guān)資料。推進(jìn)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(dá)兩端的壓力輸出范 圍為[_30MPa，+30MPa]，馬達(dá)固定排量為32cc/min。推進(jìn)器的螺旋槳進(jìn)速系數(shù)、推力系數(shù)及 扭矩系數(shù)參見(jiàn)HT-380BA-32推進(jìn)器的特性曲線圖，并建立螺旋槳進(jìn)速系數(shù)和推力及扭矩系 數(shù)之間數(shù)據(jù)庫(kù)。閥控液壓馬達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)可參見(jiàn)圖3。將上述參數(shù)代入公式(1)-(9)，可 計(jì)算出各環(huán)節(jié)增益系數(shù)及傳遞函數(shù)。
[0068]液壓馬達(dá)的排量為：
[0069]
[0070]由推進(jìn)器的特性曲線圖，并可參見(jiàn)HT-380BA-32型推進(jìn)器相關(guān)資料，螺旋槳的水流 進(jìn)速為0時(shí)，在壓力為250Bar時(shí)，由式(5)計(jì)算推進(jìn)器輸出的扭矩為：
[0071]Tg = 25X106X5X10-6=125N·m
[0072] 根據(jù)HT-380BA-32推進(jìn)器相關(guān)資料，由式(8)可得：
[0073]
[0074] 根據(jù)HT-380BA-32推進(jìn)器的特性曲線圖，由公式(6)可計(jì)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(dá)的傳遞函數(shù)為：
[0080]
[0081]對(duì)于液壓推進(jìn)器來(lái)說(shuō)，可以認(rèn)為外負(fù)載力矩為螺旋槳的負(fù)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(dá)兩端油液壓力穩(wěn)定時(shí)，則馬達(dá)輸出扭矩 Tg-定。由式（10)可以看出：當(dāng)螺旋槳進(jìn)速系數(shù)變化時(shí)，KQ也發(fā)生變化，則可自動(dòng)調(diào)節(jié)螺旋槳 轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到上式（10)的平衡。當(dāng)# = 〇時(shí)，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(rèn)為當(dāng)螺旋槳的進(jìn) 速系數(shù)發(fā)生變化時(shí)，螺旋槳輸出扭矩Q基本保持不變，即Q近似等于液壓馬達(dá)的輸出力矩Tg。 根據(jù)HT-380BA-32推進(jìn)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(wú)誤后，在Matlab中運(yùn)行仿真程序后，通過(guò)給定 推進(jìn)器一個(gè)期望推力值，并設(shè)定一個(gè)給定的螺旋槳進(jìn)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(jìn)速值大小，可以看出螺旋 槳的轉(zhuǎn)速的變化，而推進(jìn)器的輸出扭矩和推力在很短的時(shí)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(jìn)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(jì)中。
[0088]本發(fā)明屬于無(wú)人水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種作業(yè)型水下機(jī)器人 (R0V-RemotelyOperatedVehicle)液壓推進(jìn)器的推力控制仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dá)的傳遞函數(shù)模型、螺旋槳推進(jìn) 器動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型、螺旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計(jì)算模型等。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)以下功能:可較真實(shí) 的仿真模擬作業(yè)型R0V的電液伺服閥控制的液壓馬達(dá)及螺旋槳的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程;提出了一 種通過(guò)控制液壓馬達(dá)的兩端油液壓力來(lái)間接控制螺旋槳推力輸出的方法;實(shí)現(xiàn)在水下機(jī)器 人運(yùn)動(dòng)速度或海流速度變化條件下，液壓推進(jìn)器的穩(wěn)定推力輸出控制。本發(fā)明中的液壓推 進(jìn)器的推力控制仿真系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，可以比較真實(shí)的描述作業(yè)型R0V液壓推 進(jìn)器內(nèi)部控制體系結(jié)構(gòu)，可以逼真模擬作業(yè)型R0V運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中的液壓推進(jìn)器的動(dòng)態(tài)響 應(yīng)過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)在海流速度及R0V運(yùn)動(dòng)速度變化時(shí)，液壓推進(jìn)器的推力穩(wěn)定輸出等優(yōu)點(diǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種作業(yè)型水下機(jī)器人液壓推進(jìn)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(dá)傳遞函數(shù)模型、馬達(dá)排量模塊Dm、螺旋 槳推進(jìn)器動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型、螺旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計(jì)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(dá)傳 遞函數(shù)模型，輸出液壓馬達(dá)兩端油液壓力差R給馬達(dá)排量模塊Dm，輸出扭矩T g; 將螺旋槳的進(jìn)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(jì)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(jìn)器動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型； 螺旋槳推進(jìn)器動(dòng)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(jì)算出推 進(jìn)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(jì)算模型，推進(jìn)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(jī)器人液壓推進(jìn)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(dá)傳遞函數(shù)模型為：其中，PL-一液壓馬達(dá)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(dòng) 距尚，為Xv的幅值;Kq--流量增益;Dm--液壓馬達(dá)的理論排量;Vt--閥腔、馬達(dá)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(fù)載和液壓馬達(dá)的粘性阻尼系數(shù);J 一一 液壓馬達(dá)和負(fù)載的總慣性量，負(fù)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(jī)器人液壓推進(jìn)器的推力控制仿真系統(tǒng)，其 特征在于:所述的螺旋槳推進(jìn)器動(dòng)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(dá)的外負(fù)載力矩，外負(fù)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(kāi)了一種作業(yè)型水下機(jī)器人液壓推進(jìn)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(dá)傳遞函數(shù)模型，輸出液壓馬達(dá)兩端油液壓力差給馬達(dá)排量模塊，輸出扭矩；將螺旋槳的進(jìn)速和反饋轉(zhuǎn)速，輸入到螺旋槳轉(zhuǎn)矩及推力系數(shù)計(jì)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(jìn)器動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型；螺旋槳推進(jìn)器動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型計(jì)算出推進(jìn)器的推力和反饋轉(zhuǎn)速。本發(fā)明具有在海流速度及ROV運(yùn)動(dòng)速度變化時(shí)，液壓推進(jìn)器的推力穩(wěn)定輸出的優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】G05B17/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105425610
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510756847
【發(fā)明人】李新飛, 韓端鋒, 袁利毫, 姜邁, 宋磊, 徐詩(shī)婧
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年3月23日
【申請(qǐng)日】2015年11月9日