（机械电子工程专业论文）小型潜器变体积控制装置研制及其参数辨识.pdf

摘要 摘要 随着社会经济的发展，深海采矿是大势所趋，也是国家利益所在。各国都在研 究与发展深海采矿技术。在深海采矿技术中，如何检测采矿船升沉运动，向升沉补 偿系统提供控制信号，是深海采矿首要突破的难题之一。 以水下深度不变的潜器为基准坐标，测量采矿船的实时升沉运动，并以此作为 深海采矿升沉补偿控制系统的输入信号，这是广东工业大学机电液智能控制研究室 的吴百海教授等人提出的深海采矿补偿系统的采矿船升沉运动检测新方法。如何保 证坐标潜器在水下的深度保持不变，是这一方法中的重点技术之一。在水中产生控 制潜器深度不变的恢复力的方法有两种：螺旋桨和变密度。由于螺旋桨产生的推进 力难以精确调节，本文在前期研究的基础上增加了变密度装置以产生精确的恢复 力。保持质量不变、改变体积大小是改变潜器密度的一种方法。本文调节体积的具 体结构采用活塞，通过活塞的移动来改变潜器的体积，以此产生控制潜器深度不变 的恢复力；接着建立了活塞运动的动态模型，并基于能量转换的方法对模型的参数 进行了辨识，获得了潜器的变体积装置的辨识模型，为坐标潜器在水下保持深度不 变的控制提供了技术支持。主要研究内容如下： ( 1 ) 开发了变体积控制系统的控制电路，主要包括伺服电机控制电路板、伺服电 机电压输入控制电路、速度输入信号电路板、扭矩输入信号控制电路板等。 编制了伺服电机的控制程序、信号采集程序等软件，对伺服电机进行了控制 并检测。 ( 2 ) 开展了模拟装置的运行调试，通过实验，测得了活塞运动、伺服电机扭矩等 随时间变化的数据，建立了活塞运动的速度一时问的关系、位移一时间的关 系。 ( 3 ) 根据牛顿欧拉运动定理，建立了活塞动态模型，并基于能量转换方法建立了 该模型的辨识方程，并开展了辨识实验，然后进行了参数辨识，得到了变体 积装置的辨识模型。 本文的研究工作主要探索了活塞运动动态模型的辨识方法与技术，为坐标潜器 在水下保持深度不变的控制技术提供了有效支持。 广东t 业人学硕f j 学位论文 关键字：水下潜器、变体模型、参数辨识、控制 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h es o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，i ti sag e n e r a lt r e n dt od e v e l o pt h e d e e p - s e am i n i n g , b u ta l s ot h en a t i o n a li n t e r e s t sl i e m a n yc o u n t r i e sr e s e a r c ha n dd e v e l o p t h et e c h n o l o g yi nd e e p s e am i n i n g i nd e e p s e am i n i n gt e c h n o l o g y , h o wt od e t e c t m o v e m e n to fm i n i n gs h i ph e a v e ，a n dp r o v i d ec o n t r o ls i g n a l st oh e a v ec o m p e n s a t i o n s y s t e m ，i ti sa ni m p o r t a n td i f f i c u l ti nd e e p - s e am i n i n g c o n s i d e rt h es u b m e r s i b l e ，w h i c hi si nt h es a m ed e p t hi nt h ew a t e r , a sr e f e r e n c ef r a m e t om e a s u r et h er e a l t i m em o v e m e n to ft h em i n i n gs h i ph e a v e ，a n du s et h em e a s u r e m e n t a st h ei n p u ts i g n a lo fh e a v ec o m p e n s a t i o nc o n t r o ls y s t e mo f d e e p s e am i n i n g i ti sa n e w m e t h o do fd e t e c t i n gt h eh e a v em o t i o no ft h em i n i n gs h i pi nt h ed e e p s e am i n i n gh e a v e c o m p e n s a t i o ns y s t e mw h i c hi sa p p l i e db yp r o f e s s o rw ub a i h a ia n do t h e r si n t h e l a b o r a t o r yf o rr e s e a r c h i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o lo fe l e c t r o m e c h a n i c a la n dh y d r a u l i ei n g u a n g d o n gu n i v e r s i t y o ft e c h n o l o g y s o ，i nt h i s m e t h o d ，t h e r ei s a ni m p o r t a n t t e c h n o l o g yt ob es o l v e dh o w t oc o n t r o lt h es u b m e r s i b l et oh o v e ro nt h es a m el e v e l t h e r e a r et w ow a y st og e n e r a t et h er e s t o r i n gf o r c eo fs u b m e r s i b l ei nt h ew a t e r ：t h ep r o p e l l e r a n dv a r i a b l ed e n s i t y b e c a u s ei ti sd i f f i c u l tt oa c c u r a t e l ya d j u s tt h ep r o p e l l e rp r o p u l s i o n ， i nt h i sp a p e r , i ti n c r e a s et h ev a r i a b l ed e n s i t yd e v i c et og e n e r a t ea c c u r a t er e s i l i e n c eb a s e d o np r e l i m i n a r ys t u d i e s k e e p i n gt h eq u a l i t y , a n dc h a n g i n gt h ev o l u m eo fs u b m e r s i b l ei s o n ew a yt oc h a n g et h ed e n s i t yo ft h es u b m e r s i b l e i nt h i sp a p e r , t h es p e c i f i cs t r u c t u r eo f t h ev o l u m er e g u l a t i o ni sp i s t o na n di tc h a n g e st h es i z eo fs u b m e r s i b l et h r o u g ht h e m o v e m e n to fp i s t o nw h i c hi su s e dt og e n e r a t et h er e s t o r i n gf o r c et om a k et h e s u b m e r s i b l e h o v e r i n gi nt h es a m ed e p t hu n d e rt h ew a t e r ；a n dt h e nad y n a m i cm o d e lo f p i s t o nm o v e m e n ti se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r , t h ep a r a m e t e r so ft h em o d e la r ei d e n t i f i e d b a s e do nt h em e t h o do fe n e r g yc o n v e r s i o n i tg a i n st h e i d e n t i f i c a t i o nm o d e lo ft h e v a r i a b l ev o l u m eo ft h es u b m e r s i b l ea n dp r o v i d e dt h et e c h n i c a ls u p p o r tt ok e 印t h e s u b m e r s i b l eh o v e r i n gi nt h es a m ed e p t hu n d e r w a t e r t h ec o n c r e t ew o r ko ft 1 1 i st h e s i sh a s b e e ns h o w e dh e r e i n a f t e r ： 广东t 业人学硕i 学位论文 ( 1 ) d e v e l o p e dt h ec o n t r o lc i r c u i to fv a r i a b l ev o l u m ec o n t r o ls y s t e m i tc o n t a i n s ：s e r v o m o t o rc o n t r o lc i r c u i tb o a r d ，s e r v om o t o rc o n t r o lc i r c u i tb o a r df o rv o l t a g ei n p u t ，s p e e d i n p u ts i g n a lc i r c u i tb o a r d ，t o r q u ei n p u ts i g n a lc o n t r o lc i r c u i tb o a r d ，e t c p r e p a r e dt h e p r o c e d u r e sf o rs e r v om o t o rc o n t r o ls i g n a l - s a m p l i n g ，a n dc a r r i e do u to nt h es e r v o m o t o rc o n t r o la n dd e t e c t i o n ( 2 ) c a r r i e do u tt h eo p e r a t i o no fs i m u l a t o rd e b u g g e r , t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，m e a s u r e d t h et i m e - v a r y i n gd a t as u c ha sp i s t o nm o v e m e n t ，s e r v om o t o rt o r q u e a n de s t a b l i s h e d ar e l a t i v eo fs p e e d - t i m e ，d i s p l a c e m e n t - t i m e ( 3 ) a c c o r d i n gt on e w t o n e u l e r st h e o r e mo fm o t i o n , e s t a b l i s h e dt h ed y n a m i cm o d e lo f t h ep i s t o n ，a n de s t a b l i s h e dt h ei d e n t i f i c a t i o ne q u a t i o no ft h em o d e lb a s e do nt h e m e t h o do fe n e r g yc o n v e r s i o n ，c a r r yo u tt h ei d e n t i f i c a t i o ne x p e r i m e n t ，i d e n t i f i e dt h e p a r a m e t e r so ft h em o d e l ，a n dg a i n e di d e n t i f i e dm o d e lo f t h ev a r i a b l ev o l u m e t h i ss t u d ym a i n l ye x p l o r e dt h ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sa n dt e c h n i q u e so ft h ed y n a m i c m o d e lo ft h ep i s t o nm o v e m e n t ，p r o v i d e de f f e c t i v es u p p o r to ft e c h n o l o g yt oc o n t r o lt h e s u b m e r s i b l ec o o r d i n a t ei nt h es a m ed e p t h k e y w o r d s ：s u b m e r s i b l e ，v a r i a n tm o d e l ，p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ，c o n t r o l i v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方之外，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人 或其他用途使用过的成果。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中做了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 指导老师签字：旒建彳 7 1 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 全球经济的发展导致人类对资源的需求与日俱增，虽然人类仍能在陆地上发掘 出大量的资源，但是随着消耗的增加，陆地资源仍不能满足人类长期的需要。因此， 人们把目光投向了海洋。我国是个发展中的海洋大国，海洋中又有我们的国家利益 所在。如何进行深海采矿，也是我国迫切需要研究的课题。 由于被认为具有更高的效率和可靠性，所以集矿机加管道输送采矿较常在海底 采矿时被使用。但在该方案中，采矿装置不可避免地会受到波浪运动的影响产生升 沉运动，影响扬矿管的稳定性和可靠性，甚至会使得扬矿管产生拉伸和变曲变形甚 至疲劳断裂，影响整个采矿系统的正常运行。为解决这一问题，必需在采矿船与扬 矿管之间加装升沉补偿装置，使扬矿管处于一个稳定位置。因此，升沉补偿是浮 式采矿亟待解决的关键技术乜，。 而目f 公认的最有前景的升沉补偿方法，是主动补偿口1 。由于采矿船受海浪影 响均处于运动状态，主动补偿要一个参考坐标作为基准，用以获取采矿船运动位移 作为控制信号，并送到补偿装置实现升沉补偿控制n 1 。 而对采矿船运动的检测，目前主要的方法有：船载蓝绿激光技术、g p s 全球定 位系统、岸基雷达系统、水声定位系统等。但是，由于蓝绿激光在水中衰减大悔们， 有效测深一般不大于1 5 0 米，且测量时要求定向，因此蓝绿激光技术难以直接应用 于大洋深海环境：g p s 全球定位系统是直接用人造卫星全球定位系统进行检测，测 量精度高 1 ，但是g p s 需要跟卫星以及地面通信校准数据，时l 日j 滞后大，无法满足 升沉补偿系统的实时性要求：岸基雷达系统以陆地为参照物，依托陆地上的无线电 基站检测对采矿船进行检测，但是其在纵向的定位精度在+ 1 5 m 碡儿引，无法满足升沉 补偿系统的要求：水声定位系统中，短基线、长基线需要海底安装的水声信标支持， 超短基线主要用于支持母船检测潜器在水下的位置，检测过程需要母船作参考基 准。由此可以看出，这几种定位方法难以直接应用于检测深海采矿船的升沉运动。 可见参考举标是深海采矿- i ，w 一中必须解决的技术难题。 广东下业人学硕f ：学位论文 根据广东工业大学吴卣海教授等人提出的海水零波面理论，采用位于海水零波 面下的潜器作测量基准，可以缩短测量距离幢1 。保持潜器深度不变，将超声波信标 位于潜器上，逆装现有的超短基线系统，检测采矿船升沉运动，即能克服现有方法 的不足，又能满足采样精度和实时性要求，是目前解决海洋采矿工程参考坐标的一 种新方法。由此可见，控制潜器保持深度不变，是这种新方法要解决的技术难题。 控制潜器的深度不变，首先要能控制潜器的升沉运动，使其能保持在同一深度 不变。而对潜器升沉运动的控制，产生恢复力可以采用两种方式：螺旋桨及变体积。 螺旋桨是在潜器上、下两端安装螺旋桨，以螺旋桨的转动产生推进力来驱动潜器的 升沉运动，以控制其保持在同一深度上：但是螺旋桨的推进力是由螺旋桨与水耦合 产生的，难以精确控制，也就无法对潜器的位置进行精确控制：而变体积控制则是 在潜器上安装可以改变潜器体积的装置，依靠控制潜器体积的改变，从而可以精确 地调节推进力，提高潜器在水中的悬停位置精度。变体积装置有多种形式，如：气 囊、活塞等。但是较易实现的方式就是安装活塞。 广东工业大学龙建军博士研制的坐标潜器中同时安装了螺旋桨系统和变体积模 块，单独用螺旋桨对潜器进行悬停控制时，在水池环境下位置精度可达1 0 r a m ，因 此要提高位置精度，需要再加入变体积控制模块，以提高位置控制精度。因此，本 文主要是对潜器的变体积模块进行参数辨识。 论文的主要研究工作有： 1 坐标潜器变体积模块的动态模型建模 2 建立模拟实验系统 3 辨识实验以及参数辨识 1 2 国内外相关研究 近几年来，我国在潜器技术方面取得了很多成就。对潜器的定位控制、潜浮运 动的建模等研究也有了长足进展。 上海交通大学的徐刚，葛彤等人对“海龙3 5 0 0 ”深海潜水器出中继器后的运动 过程进行了仿真并分析，考虑到海流的影响，深海潜器的建模采用通用的动力学模 型，轻缆的建模采用凝聚参数法，获得了有效的仿真结果i w i 提供了轻缆和r o v 系统的仿真模型，可用作实际操作前的模拟计算。国防科技大学的常文君等人对水 2 第一章绪论 下机器人采用了六自由度空间运动模型，并将模型用m a t l a b 矩阵表示，然后结 合水下机器人的环境仿真、推力器仿真与舵翼仿真，建立了水下机器人六自由度运 动仿真器。用该仿真器进行运动仿真，仿真结果与海上试验吻合得很好，表明仿真 系统与实际相符n 1 1 。该仿真系统采用了一种普遍实用的数学模型，精度较高，适用 于任何类型的水下机器人，对研究水下机器人操纵与控制有很大的现实意义。上海 交通大学的马岭、崔维成采用了基于最小二乘准则，以收缩映射遗传算法为辨识算 法，对载人潜器水动力系数进行辨识，获得了水平面动力学系统数学模型。并通过 深海潜器的仿真试验，有效地验证了该模型的可行性n 2 1 。对于超大攻角运动的大深 度潜器的潜浮运动，哈尔滨工程大学的沈明学等人在论文 1 3 3 中给出了一种新型 数学模型来描述，并论述了结合现代仿真技术的应用，使潜水器受流体动力的数学 描述变得便捷、可行。文中还研究了在大深度环境下，潜器潜浮运动时，潜器所受 浮力和重力随深度变化的数学描述。而王波等人以“m a u v - i i 微小型潜器为对象， 基于动量定理和动量矩定理建立了潜器空间运动的非线性数学模型，将潜器受力分 解为各个模块并表达为矩阵形式。在运动非线性数学模型的基础上，结合虚拟现实 技术建立了运动仿真系统，针对所研究潜器的特点，采用s 面控制方法，对此潜器 水下运动的艏向控制和深度控制进行了仿真研究，同时进行了基于目标规划的长距 离航行仿真试验，仿真结果反映了潜器具有较好的空间操纵性能n 。 同时，我国在水下潜器定位控制方面，也取得了一些成果。海军工程大学的刘 振明等人，在基于参数自整定模糊控制的潜器动力定位系统中提出了一种基于 参数自整定的模糊控制方法，并给出了设计过程，然后应用该控制器对潜器在垂直 方向上的动力定位进行了仿真研究。仿真结果表明，较之常规模糊控制器，采用参 数自整定的模糊控制器能使系统获得更快的动态响应速度和更高的定位精度n 盯。 哈尔滨工程大学的戴学丰、边信黔、严浙平三位以安装有4 只机械手的6 自由 度无人水下潜器的定位过程为背景研究了基于高散事件系统监控理论的定位过程 监控问题。首先对该监控理论中可控事件和平可控事件赋予了新的含义，然后建立 了定位过程的自动机模型，并通过对潜器结构的舟析，利用等价类概念对自对机模 型进行了简化，同时讨论了监控问题fn 0 。余成伟，郭莹两人则根据潜器的6 自由度运 动方程，在充分考虑了水动力因素的基础上，使用q u a s i l a g r a n g e 方程建立潜器 的数学模型，并将其分解为一系列相互关联的子系统。采用滑模控制方法用于潜器 3 广东丁业人学顾i j 学位论文 的定深控制，并对其他方向运动进行定位控制。滑模因控制算法简单、鲁棒性好、 可靠性高，并且不需要系统整体模型，被广泛应用于运动控制和非线性系统的控制 中。通过计算机仿真，验证了该控制算法对水下潜器的运动控制效果良好、准确d t 。 国外的研究状况： 文献 1 8 的作者对a n g u s0 0 3 号潜器采用了六自由度的非线性动态模型进 行研究，模型的流体参数通过实验获取。该模型在有海流的情况下仿真效果良好。 接着基于二自由度的潜器模型，在水池做了悬停控制达到了预期效果。该文献讨论 用计算机视觉保持水下机器人悬停控制的一种方法。文献 1 9 的作者结合浮动物 体的动态模型提出视觉控制算法，对潜器的悬停控制进行了实验研究。 西班牙的pr i d a o ，j b a t l e t 和m c a r r e r a s 低速自动水下潜器模型辨识里 提出了一种对自动水下潜器简单有效的模型辨识。使用三个不同的相角来描述水下 潜器，并且获得了成功。基于一个低价传感器，针对低速水下潜器不同的自由度进 行了辨识，用最b - - 乘法来确定u u v 的运动学参数。在实验室和真实的水下环境 中，都取得了成功n 0 1 。 1 3 课题的来源 该课题的研究内容是国家自然科学基金“海洋作业装置三维运动补偿系统的研 究 的一部分。课题研究的目的是获取采矿船的升沉运动信号，以提供给升沉补偿 系统作为控制指令，控制补偿装置主动补偿采矿管的升沉，以提高深海采矿系统运 行的可靠性与有效性。 为了提高潜器悬停控制精度，本文研究的主要内容是对潜器的关键模块一变体 积调节部分动态模型辨识。首先建立活塞的动态模型，接着建立模拟系统，开展实 验研究，最后对实验数据进行分析处理，获得模型的参数。 1 4 论文结构 本论文大概分为六章： 第一章绪论 第二章活塞变体积模块动态模型的建立 第三章活塞变体积传动与控制部分的电气部分的研制 4 第一章绪论 第四章活塞变体积传动模块的软件开发 第五章辨识实验与数据分析 总结与展望 第二章活塞动态模型的建立 第二章活塞动态模型的建立 对于非线性动态系统的建模方法有多种，且对模型参数的辨识方法也很多，在 对活塞变体积模块的动态模型建立之前，先对建模方法和参数辨识进行一下介绍。 2 1 系统建模与辨识方法介绍 数学模型的建立通常有两种途径：机理建模和辨识建模。机理建模是通过对系 统内在机理的分析，利用众多的已知的化学、物理定律，能量守恒和质量守恒等原 则，列出数学关系式从而推导出数学模型。辨识建模是根据输入输出数据，从一类 模型中，确定一个在某种意义下最能代表该系统或该过程特性的数学模型乜。 建立数学模型的目的主要有以下几种唿1 ： 1 ) 用于控制 2 ) 用于预报 3 ) 用于规划 4 ) 用于仿真研究 5 ) 用于建立软仪表和在线优化控制 6 ) 生产过程监视或故障诊断 根据对待测系统的了解，模型可分为三类：白箱模型、黑箱模型和灰箱模型。 白箱模型较常应用机理建模的方法来建立；辨识建模常用来建立黑箱模型。灰箱模 型则是将理论建模和辨识建模结合起来，对机理已知部分采用理论建模再用辨识建 模方法确定机理不清楚部分的数学模型。若系统状态方程已知，而仅需确定方程中 的未知参数，这时系统辨识就简化为参数估计问题汹3 。 根据辨识理论，辨识方法可分为经典辨识法和现代辨识法两类。经典辨识法是 与经典控制理论相对应的，其建立的数学模型如时域脉冲响应，频域相频、幅频特 性等均属此范畴：现代辨识法适应现代控制理论的需要，其建立的数学模型有状态 空间方程、差分方程等。表2 1 概括了两类辨识方法的特点和数学模型1 2 劓。 7 广东t 业人学硕i j 学位论文 表2 - 辨识方法分类 t a b 2 1t h ec l a s s i f i c a t i o no fi d e n t i f i c a t i o nm e t h o d 方法特点数学模型 卷积辨识法确定型、时域非参数型时域脉冲响应 经典法相关辨识法随机性、时域非参数型 时域脉冲响应 频域f f t 法 随机性、时域非参数型 频域、幅频特性、相频特性 最小二乘法 状态空间方程、 现代法极大似然法随机性、时域、参数型 差分方程等 卡乐曼滤波法 从此表可见，经典辨识法所获取的数学模型不论是时域的脉冲响应，还是频域 的频率特性，均属非参数型；而现代辨识法求得的数学模型为状态空间方程或差分 方程，属于参数型乜钉。 而辨识就是按照一个准则在一组模型类中选择一个与数据拟合得最好的模型 眩们。其中的数据指的就是系统的输入与输出。为了使一个系统的过程是可辨识的， 输入信号发须满足一定的条件，即要求输入信号的频谱必须覆盖过程的频谱。在工 程意义上，输入信号的选择还要考虑如下的具体要求乜引： 1 ) 输入信号的功率或幅度不宜过大，以免工况进入非线性区；也不能过小， 否则数据所含的信息量将下降，尤其在噪声较大的情况下，会直接影响辨识的精度。 2 ) 输入信号对过程的“净扰动”要小。 3 ) 工程上容易实现。 目前，各种模型辨识方法与参数估计方法，都是从系统的输入输出状态变化角 度建立辨识方程，再根据概率与数理统计理论估计未知参数。 2 2 活塞变体积模块模型的建立 根据上节所述的建模方法，因为变体积模块由机械部件构成，运动机理可以用 牛顿运动方程来描述，所以采用灰箱方法对活塞变体积模块建模。 潜器与活塞的实物装配图和活塞传动结构的三维示意图如下所示。 j 图2 - 2 活塞变体积传动结构三维示意图 f i g2 - 2t 1 1 r c e - d i m e n s i o n a ld i a g r a mo f t r a n s m i s s i o ns 讥1 c t m eo f p i s t o nv a r i a b l ev o l u m e 2 2 1 活塞结构原理圈 根掘活塞变体积机械结构，其传动原理图如f ： 广东t 业人学影 f j 学位论义 殂 i i 活塞1活塞2 4 图2 3 活塞变体积传动原理图 f i g 2 - 3t r a n s m i s s i o ns t r u c t u r eo fp i s t o nv a r i a b l ev o l u m e 伺服电机经过齿轮副z 1 、z 2 ，带动同步带轮l 1 ，经过l 2 减速传递，再由两 个等大的带轮l 3 、l 4 将转动转化为直线移动，带动活塞的平移。l 3 、l 4 两带轮的 俯视图为： v ，_ 图2 - 4 活塞变体积控制模块中的带轮俯视图 f i g 2 - 4t o pv i e wo ft h ep u l l e yi np i s t o nv a r i a b l ev o l u m ec o n t r o lm o d u l e 根据机电传动系统建模方法，把外部的转动惯量转化到电机轴上，活塞传动系 统折算到电机轴上的总惯量： l o 第一二帝活皋动态模掣的建节 ( 2 1 ) 厶是活塞传动系统折算到电机轴上的总惯量，以是电机轴上的惯量，以是第二 根传动轴上的惯量，以是第三根传动轴上的惯量，1 4 是第四根传动轴上的惯量， 以是传动带上直线运动物体的运动惯量转换到电机轴上的等效惯量。i 是齿轮传动 比。毛2 = 予= 2 、3 = 孑争= 3 0 8 、毛4 = _ z 2 等争= 3 0 8 ，已知电机轴本 。l。l。3。l 0 3。5 身的惯量为厶= 1 0 6 0 0 9 - m m z 由计算可得，以= 2 9 5 6 5 6 8 8 9 m m z 、 以= 6 2 5 7 6 8 6 8 9 m m 2 、厶= 1 0 7 0 8 8 6 8 3 9 m m 2 、= 4 4 6 3 0 4 6 9 m m 2 、 以= ) 2 ( 2 = 6 9 0 3 6 8 0 - ( 去) 2 - 7 2 7 7 粥w 塞 的重量，d 是带轮的直径。 所以，活塞传动系统折算到电机轴上的总惯量为： 厶= 6 8 4 8 0 6 3 6 9 m m z 由上述装配图可以看出，电机轴的转动输出，首先经过变速箱里有一对齿轮减 速装置减速，然后传动给小带轮，再由小带轮带动大带轮进行运动传递并减速。与 大带轮同轴的带轮与另一等大的带轮一起将转动转变为平动以驱动活塞运动。在活 塞与支架之间装有密封圈，在其外部有密封薄膜连接在支架上，以防止潜水器装置 在水中时发生渗水事故。在这个变体积控制系统中，系统所受到的外主动力是由电 机提供，受到的外阻力主要有三部分组成：活塞运动时，受到密封圈对其的摩擦阻 力，密封薄膜由活塞伸长而产生的张力，以及外界水压对活塞产生的压力。活塞的 实物图如下所示： 以 +p “ 叹以 +p 一 叹厶 + 铲 一乜 叹以 + 以 = 厶 r 求r 业人学l 学位论 程 图2 - s 活塞套圈图2 - 6 活塞装配 f i g2 - sp i s t o nr i n gf i g 2 - 6p i s t o nm s e m b l y 根据牛顿第二运动定理，结合活塞驱动模块的动力与传动关系，可建立动态方 j 百d o ) 1 = 一吒 式中， = 活塞传动系统折算到电机轴的总惯量( k g m 2 ) z = 电机轴输出的扭矩( n m ) z = 活塞传动系统折算到电机轴的外阻力矩( n m ) 活塞驱动模块外阻力矩由三部分组成 ( 22 ) 只i2 e c ，+ 鼻m + 曩。 ( 23 ) 式中， ( d ：活塞橡胶密封圈的动摩擦力( n ) 巧m ：活塞橡胶密封薄膜的张力( n e = 活塞受到的水压力( n ) 根据文献 2 7 ，橡胶密封圈的动摩擦力表示为 e 。，= k c k p 。， ( 24 ) 嘲 羁譬 棚翁副l琶 弋一 ，然糌一 掰净 第一二章活雍动态模型的建节 式中，k ：与橡胶密封圈材料的弹性与结构有关的系数 见，= 橡胶密封圈的接触压力( n ) 根据文献 2 8 ，在活塞橡胶密封薄膜的周边固定时，其张力表示为： e 纶= k t e l 孝+ 乞p 2 孝2 ( 2 5 ) 式中， k l 、吒2 ：与橡胶密封薄膜材料弹性有关的系数( n m ) 二 = 橡胶密封薄膜伸长量( m ) 芎= 芎0 + s - 橡胶密封薄膜初始伸长量( m ) s = 活塞位移量( m ) 根据活塞的结构，其受到的水压力表不为 互= p w a ( 2 6 ) 式中， p w 水压力( n m 2 ) a = 活塞的截面积( m 2 ) 活塞驱动模块中折算到电机轴的外阻力矩表示为 z l = f 1 c l = 吒( k p 。，+ k l ( 彘+ s ) + k t e 2 ( 彘+ s ) 2 + s i g n ( u ) * p w 彳) ( 2 7 ) z 1 活塞传动系统的总传动比 1 = 活塞传动系统中直线运动变为转动的半径( m ) 活塞驱动模块动态方程可以表示为， 广东t 业人学烦i ：e p 位论文 以警哥死 汜8 ， = 石一毛( 包，p o ，+ 盔p l ( 彘+ s ) + k 2 ( 彘+ s ) 2 + s i g n ( u ) * p w 爿) 式中， d o , 言= q ，s = q ，甜= q 式( 2 8 ) 经过简化可以表示为 式中， 争+ 墨最+ 乞岛2 = 乞( 石喝c s 纫( 矿刚) ( 2 9 ) 毛= 等( k t + 2 k t , 2 彘) 孚k 2 旺 i ，c = 1 ( 尼c ，p 。，+ k 。彘+ k 2 菇) 乞= 去 可见，该模块待辨识的参数有气l 、砖p 2 、毛、l 乞、z l c 因为潜器工作，活塞受到水的压力，下面分析活塞受到的水压力计算。假设潜 h 图2 7 活塞受力图 f i g 2 - 7l o a dd i a g r a mo fp i s t o n 1 4 第“二章活罐动态模型的建、， = j ff 丽+ 2 r fp g h 4 r 2f 触扩而( 2 = f一( ，一j f z ) 2 吃+ f 触2 一( 办一厂) 2 巩( 2 1 1 ) ，r 一4 经计算可得：f = = 二p g r 3 由此可以看出，当潜器在水下处于一定深度时，其受 0 到的水的压力是一定值。在进行辨识实验过程中，可先将其忽略，即不考虑水的压 力对活塞运动的影响，即令互疗= p 。a = 0 这样，实验就可在空气中进行。 而若要对上述参数进行辨识，需先要确定出活塞运动的速度一时间、转角一时 间的关系式。因此，首先要设计相应的模拟实验系统，通过实验对活塞变体积模块 的运动参数进行辨识。 2 3 本章小结 本章首先简介了非线性系统模型建立的方法与模型辨识方法。 接着，本章根据文献 2 中的理论，提出了基于能量转换辨识模型参数的方 法。先分析介绍了从能量转换角度辨识模型参数的可行性，再根据牛顿第二运动定 理，结合活塞驱动模块的动力与传动关系，建立活塞变体积模块的动态方程。 第三章变体积箨制系统礁件部分的研制 第三章活塞变体积传动与控制部分的电气部分的研制 潜器在水中的定位控制主要靠螺旋桨，而活塞通过变体积调节来补偿由于水介 质的特性( 如压力、温度) 变化产生的剩余浮力及潜器的精确定位。变体积调节控 制是靠活塞的伸缩来改变潜器的体积大小，进而改变潜器所受浮力大小来控制潜器 的升沉。机械系统结构见图2 1 。下面主要讨论电气部分的设计。 3 1 变体积调节控制系统电气部分的设计 3 1 1 伺服电机控制器的接线 伺服电机选取日本松夏公司的m s d 0 2 1 a 1 x 型号的伺服电机，该电机额定电压 为1 0 0 v ，输出功率为2 0 0 w 。该电机的驱动信号有计数器清零信号c l 、脉冲输入 禁止信号i n h 、伺服开启信号s r v - o n 、零速保护信号z e r o s p d 、模式转换信号 c m o d e 、警告清除信号a c l r 、正转超程禁止信号c c w l 、反转超程禁止信号 c w l 。在力矩输入模式下，输入力矩的大小由c c w t l 接口输入的电压决定。力矩 的方向则由该电压信号的正负决定，而输入的速度大小则由s p u s p r 接口输入的电 压大小决定。速度大小只与s p 【s p r 输入电压的绝对值有关，与电压的正负无关。 3 1 2 伺服电机控制器开关信号接线 在辨识过程中，需要输入不同水平的扭矩，所以下面主要介绍在扭矩控制模式 下参数的设定及接线。在扭矩控制模式下，伺服电机控制器的开关信号中的c o m + 、 c o m 之前可接入1 2 - - - 2 4 v 电压，在这里，接入了1 2 v 电压。信号i n h 、z e r o s p d 、 c c w l 、c w l 接通c o m 端。其中，i n h 为脉冲输入禁止开关，z e r o s p d 为零速 保护开关，c c w l 、c w l 为电机正反转超程禁止开关。c c w l 、c w l 在电机运转 前一定要同时接通c o m ，否则控制器将会出现e r r o r 信号。而s r v - o n 伺服电 机运转开关、c m o d e 控制模式切换开关、a c l r 警报清除开关则与c o m 端断开。 s - r d y 信号可直接接入单片机引脚对其进行检测。当伺服电机准备好时，会由 s - r d y 发送一个低电平信号，报告电机已经准备o k 。 1 7 伺服电机控制器的接线图如下 图3 - i 伺服电机控制器接线图 f i g3 - 1w i r i n g d i a g r a m o f s e r v o m o t o r c o n t r o l l e r 圈3 - 2 伺服电机控制器实物图 f i g3 - 2p r a c t i c a l i t yd i a g r a mo f s e r v om o o rc o n t r o l l e r 第_ = 三章变体积拎制系统硬件部分的研制 3 1 3 扭矩控制信号输入接线 电机的扭矩控制信号是由c c w t l 端输入电压来确定的。该电压值的大小决定 了输入扭矩的大小，电压方向决定了扭矩的正反向。c c w t l 端输入电压的限定范 围是1 0 v + 1 0 v ，这里选用电压范围在8 v + 8 v 之间。接线图如下： 图3 3 扭矩控制信号输入接线图 f i g 3 - 3w i r i n gd i a g r a mo f t o r q u ec o n t r o ls i g n a li n p u t 3 2 伺服电机控制电路部分硬件的研制 根据对潜器运动及伺服电机的控制要求，设计了伺服电机的控制系统，主要包 括：伺服电机控制卡，位移传感器检测卡及数据发送接收系统等。以下将分别对其 进行介绍。活塞变体积系统的电气部分的组成原理图如下所示： 1 9 广东t 业人学硕f j 学位论文 l 宿主机m a t l a b 系统 图3 - 4 活塞变体积辨识实验系统原理图 f i g 3 - 4s y s t e ms c h e m a t i co fi d e n t i f i c a t i o ne x p e r i m e n to f p i s t o nv a r i a b l ev o l u m e 3 2 1 伺服电机扭矩控制的电气原理与装置 图3 5 伺服电机控制卡方块图 f i g 3 - 5s e r v om o t o rc o n t r o lc a r db l o c kd i a g r a m 图3 - 6 是伺服电机的控制卡，它主要包括：微处理器模块，继电器控制模块， 定时监视器和通讯模块等。 2 0 第i 章变体戟控制幕统碰件分的研制 图3 - 6 伺服电机控制卡 f i g 3 - 6s e r v o m o t o r c o n t r o lc a r d 1 微处理器模块它主要负责与上位机的通讯接收并执行上位机的命令；控制继 电器的开关，井把接收到的数据发送给p c 机。 该处理器选用了w 7 8 e 5 1 6 芯片。它包含有5 1 2 字节r a m ，其中含有2 5 6 字节辅助r a m ，3 2 个i o 口，3 个1 6 位定时，计数器，1 个串行口及片内振荡器 和时钟电路。其详细资料介绍如下f 圳： 全静态设计的c m o s8 位微处理器 6 4 k 字节并带i s p 功能的f l a s he p r o m ，用来存储应用程序( a p r o m ) 4 k 字节的辅助r o m ，用来存储装载程序( l d r o m ) 5 1 2 字节片内暂存r a m ( 包括2 5 6 字节的软件可选的辅助r a m ) 6 4 k b 程序存储器地址空间和6 4 k b 数据存储器地址空间 4 个8 位双向i o 口 一个4 位多功能可编程口 3 个1 6 位定时，计数器 一个全双工串行口( u a r t ) 8 个中断源，2 级中断能力 内建电源管理 代码保护机制 广东t 业人学硕i ：学位论文 这里采用了双列直插4 0 个引脚封装模式的单片机。其引脚图如下： 4 0 - p i nd i p ( w 7 8 l e 516 ) 1 2 p 口 t 2 e x p 1 1 p i 2 p 1 3 p 1 p 1 5 p 。a p i 7 r s t r x d p 3 口 t x d p 3 1 i n t o 陌2 i n t l p 3 3 t o p 3 4 t 1 p 3 5 w r p 3 o r d p 3 7 x t a l 2 x t a l l v s s 其引脚资源分配如下： 、，d d p o d d 口 p a f a 口1 p d 2 a d 2 p 0 3 。a d 3 p 0 4 a d 4 p d 5 a d 5 p 0 a d a p 0 7 口7 e a a l e p s e n p 2