（机械电子工程专业论文）换能器用水下气体压力补偿系统的研究.pdf

浙江大学颐 学位论文 摘要 随着水声技术的不断发展，换能器作为声纳系统的重要组成部分，在水下工 程中的应用越来越广泛，工作深度越来越大，换能器内外压力平衡的要求也来越 高。本课题研究的水下压力补偿系统面向的换能器工作于0 - 7 5 米深度，气体压 力补偿是适用于这个深度的最佳选择。本论文对换能器水下气体压力补偿系统进 行了研究，主要是设计了一个控制精度高，响应特性好，集成度高，能够长时间 在水下工作的气体压力补偿系统。通过建模和仿真模拟水下气体压力补偿过程， 分析了影响系统控制精度和工作特性的各个参数，以优化系统参数，并通过实验 验证了系统数学模型。全文共分为六章： 第一章综述了水下气体压力补偿系统的研究现状和发展趋势；阐述了研究和 开发水下气体压力补偿系统的目的和意义；概括了本文的主要研究内容。 第二章总结得出了三种水下气体压力补偿系统方案，分析其优缺点，最后确 定本系统的补偿方案，并对方案进行了详细的分析，对系统的关键部件空气压缩 机和比例压力阀进行了研究，最后对系统两大控制模块一空气压缩机的控制和 比例压力阀的控制进行了分析，为后续的建模仿真做准备。 第三章运用气体热力学等方法研究了刚性容器的热力学等温模型，在研究空 气压缩机结构和工作原理的基础上对压缩机两容腔的气体状态，压缩机排气量和 抽气时间进行了研究，建立了比例压力阀一阶数学模型。在此基础上进一步对水 下气体压力补偿系统的工作过程和控制策略进行了分析，重点研究了空气压缩过 程和压力补偿过程，建立了相应的数学建模，最终得出整个系统的数学模型。并 对系统工作特性做了仿真计算，仿真结果表明系统可以实现长时间循环使用的目 标，控制精度商；换能器位置变化速度越快，对系统的要求就越高。 第四章详细描述了水下气体压力补偿系统的软硬件实现，包括系统主要元器 件压力传感器、空气压缩机、比例压力阀和控制器的选择，气动回路和电气控制 回路的设计系统控制方案的设计，数据采集和分析，p l c 控制软件的编写等。 搭建了实验台架，通过实验结果和仿真结果的比较，验证了系统数学模型的i f 确 性，为后续的仿真分析与研究打下了基础。 第五章运用m a t i a b s i m u l i n k 软件进行仿真，分析仿真结果，分析了系 统的各个影响因素，主要包括比例压力阀响应时日j 参数，压缩机停开控制参数， 低压腔容积和高压腔容积，压缩机排气量等，并进行理论分析与系统优化。 第六章对全文进行了总结，并给出一些结论和展望。 关键字：气体压力补偿，静水压力，换能器，空气压缩机，建模，仿真。 浙江人学垧l 学位论文 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fr e m o t es e n s i n gu n d e r w a t e r , a st h e k e yp a r to ft h es o n a rs y s t e m ，t r a n s d u c e ri su s e dm u c hm o r ed e e p l yi nw i d e rf i e l d ，s oi t i sn e c e s s a r yt oe q u a l i z et h ep r e s s u r eo ft h ei n n e ra n do u t e ro fi t t h et r a n s d u c e ri s o f t e nu s e du n d e r w a t e r0t o7 5m e t e r sb e l o w ，s oa i rp r e s s u r ec o m p e n s a t i o ni st h eb e s t c h o i c e m yt h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e s o i lt h ep r e s s u r ec o m p e n s a t i o ns y s t e mf o r t r a n s d u c e ru n d e r w a t e r t h co b j e c ti st od e s i g na p r e s s u r ec o m p e n s a t i o ns y s t e mw i t h h j g l lc o n t r o lp r e c i s i o n , a n s w e rf a s ta n d i tc a r lw o r ku n d e r w a t e rf o rl o n gt i m e t h ew h o l et h e s i sc o n s i s t so f s i xs e c t i o n s ： c h a p t e r cf i r s tb r i e f l ys t a t e st h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no fr e m o t es e n s i n g u n d e r w a t e r , t h e ni n t r o d u c e s t h er e s e a r c hs i t u a t i o n a n dd i r e c t i o na n d d e v e l o p i n g - h i s t o r yo ft h et e c h n o l o g yo fa i rp r a s s u mc o m p e n s a t i o n , i ti sp o i n t e do u t w h ym yt h e s i si sd o n e i nt h ee n d , t h i sc h a p t e rs h o w st h es u b j e c t so fm a i nr e s e a r c h w o r k c h a p t e rt w oc o n c l u d e st h r e em e t h o d so fa i rp r e s s u r ec o m p e n s a t i o ns y s t e ma n d r e s e a r c h e so nt h ed o s e dl o o pa i rp r e s s u r ec o m p e n s a t i o ns y s t e mm a i n l yb ya n a l y z i n g t h e i ra d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e a n dt h ek e yp a r t so ft h es y s t e mi nt a i l sa n dt h e c o n t r o l o f i t i sa n a l y z e d c h a p t e rt h r e ea n a l y z e st h ew o r k i n gp r o c e s so fs y s t e ma n dt h er e s e a r c ho i lt h e k e yc o m p o n e n t sa sa i rc o m p r e s s o ra n dp r o p o r t i o n a lp r e s s u r ev a l v ea n db u i l d su p m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e m ，b a s e do nt h et h e r m o d y n a m i c sa n dm e c h a n i c s a n a l y s i s , t h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma r e r e s e a r c h e do i lb yt h e s i m u l a t i o n t h er e s u l t sp r o v e dt h a tt h ed e s i g nm e e t st h er e q u i r e dp r e c i s i o na n dt h ea i r w a su s e dc i r c u l a r l y c h a p t e rf o u rm a i n l yd e s i g n st h es y s t e mi n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r e d e v e l o p m e n t t h e r ea r cp i p e l i n ed e s i g no fs y s t e m ，e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e md e s i g n , p l cp r o g r a m m i n g , a n dd e v e l o p sa ne x p e r i m e n tp l a t f o r mf o ri m p r o v i n ga n d o p t i m i z i n gt h ep e r f o r m a n c ea n dt r a n s i e n tc o n t r o lo f a i rp r e s s u r ec o m p e n s a t i o ns y s t e m p r o v e st h em o d e lb yc o m p a r i n gt h er e s u l t so fs i m u l a t i n ga n de x p e r i m e n t s c h a p t e r f i v er e s e a r c h e so nt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i e so ft h es y s t e mb y s i m u l a t i o n t h e n ，t h ei n f l u e n c e so nt h es y s t e mb r o u g h tb yt h ep a r a m e t e r s a st h e r e s p o n dt i m eo fp r o p o r t i o n a lp r e s s u r ev a l v e ，t h ec u b a g eo fh i g h e rp r e s s u r ec o n t a i n e r a n dl o w e rp r e s s u r ec o n t a i n e r , a n dt h ef l o wl a t eo ft h ec o m p r e s s o r c h a p t e rs i xi st h ec o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o no fm yt h e s i s n 浙江人学顾p 学位论文 k e y w o r d s ：a i rp r e s s u r ec o m p e n s a t i o n ，h y d r o s t a t i cp r e s s u r e ，t r a n s d u c e r , a i r c o m p r e s s o r , s i m u l a t i o n , m o d e l i n g m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸垄盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：弘吟、u签字日期：7 一年弓月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸坚盘茔有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅和借 阅。本人授权盘姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名；1 后价，l 导师签名： 签字f 1 期：，一乇年；月智日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 签字日期：驴( 年j 月占e l 电话 邮编 浙扛人学顾i 学位论吏 1 1 课题背景 1 1 1 水声技术的发展 第一章绪论 由于海洋覆盖了地球表面的7 2 ，是人类获取食物、能源、矿产的最后领地， 更由于海洋对交通运输和国防的重大意义，隐藏于海洋深处的导弹核潜艇，已成 为重要的第二次核打击力量，因而研究海洋、开发海洋日益迫切【1 1 。另外近海、 河流的勘探也与国民生活密不可分。水声技术作为实现这一目的的强有力手段， 当然地受到极大重视和迅速发展。 我国水域面积辽阔。但解放前没有水声研究工作，5 0 年代初期也极为薄弱。 到5 0 年代末才建立了专门的水声科研机构、生产工厂与院校专业。经过加年的 发展，到今天已形成一支基本覆盖水声各主要领域的科技队伍，并在许多方面做 出了重要贡献，获得国际上的重视。 由于水声设备是唯一可用以在海水内部进行远距离信息传递的手段，因而可 以说在陆地上有多少种利用电磁波实现的观通设备，在海洋领域就有多少种类似 的、适用于不同目的的水声设备我国大体上经过仿制、自行研制、提高设计等 诸阶段，到今天已基本完备各类水声设备生产供应，其中部分性能指标达到国际 水平。 水声设备的设计、制造涉及多个学科和技术领域，属高技术产业。有利的因 素是水声设备数据率和频率范围较低，根据电子技术和计算技术当前发展水平， 可大量采用数字化处理技术，从而简化硬件的生产。但水声设备的使用环境比一 般陆用设备严酷的多，因而也带来其设计制造上许多特殊的要求【n 。 水声设备市场需求数量小，规格品种复杂。迄今为止，人类虽然开发了多种 多样的水声设备，但仍远不足以保证国防和国民经济建漫的需要。海洋水声环境 参数复杂多变，水声技术研究有其特殊性。随着今后国民经济和海洋事业的发展。 更需要一方面逐步扩大实验海域，不断探索水声遥感，遥测的新原理、新方法： 另一方面逐步深入开展沿海环境保护、渔业生产、海上采油的有关课题，为提高 改善有关水声设备功能作好基础准备。 相信随着海洋开发事业的发展，水声设备的需求市场，将会不断扩大。 浙江大学颐十学位论文 1 1 2 声纳的原理和应用 声纳属于水中的声遥感技术，又称声波雷达美国的r a 费森登设计的 电动式水声换能器，在1 9 1 4 年便能探测到2 海罩远的冰山1 9 1 8 年，法国科学 家p 朗之迈发明了有源声纳，从此声纳技术得到了迅速发展和广泛应用。 声纳一般分为有源声纳和无源声纳两大类。 有源声纳由发射机、声阵( 包括发射声阵和接收声阵) 、接收机( 信号处理) 、 显示控制台组成。无源声纳由接收声阵、接收机( 信号处理) 、显示控制台组成。 声阵由换能器组成。将电信号转换成声信号的叫发射声阵，它把来自发射机的电 信号转换成声信号向水中发射。将声信号转换成电信号的叫接收声阵。声阵一股 由许多个换能器元件组成，以提高声波的方向性。对接收声阵来说，可以更有效 地抑制无关的声波干扰。接收声阵把接收到的水下目标的声信号( 目标的反射回 波或自身的辐射声波) 转换成电信号经接收机放大、分析处理，然后由显示器显 示探测结果。 换能器在声纳系统中的作用如图l 一1 所示。 ，搜 c 掰缈 图1 一l 主动卢纳的基本结构 声纳按用途分为测距声纳、识别声纳、警戒声纳、导航声纳、探雷声纳、侦 察声纳、水下通讯机、声纳浮标、鱼控仪、鱼雷制导装置等；按装备对象可分为 水面舰艇声纳、潜艇声纳、海岸固定声纳、机载声纳等。 声波是目前已知的唯一能在水中远距离传播的波动，故声纳已成为目6 口较有 效的水下遥测技术而得到广泛应用。在国防上广泛应用于海军各兵种的导航、探 雷、航道测量、水中通讯联络，成为舰艇、潜艇探测周围环境的主要耳目。在民 用方面，用于船舶导航、探测鱼类资源【”、沉物探到和水下考古、江河湖海等底 部工程调查。在海洋资源开发方面，用于绘制海底地图、海底地质勘测、海底石 油等资源的勘探等方面。 目前，大多数深海探测应用的是低频大功率声纳。然而，近海的环境噪声场 浙江大学碗十学位论文 很复杂，在工作过程中，声纳的观测条件在时间和空间上会有很大变化，目标的 复杂性，介质不均匀性引起的混响以及各种环境噪声对接收信号部有影响，声纳 的功率大小在这种环境下将直接影响测量效果。因此浅海水域和近距离的信号 探测中，不适合应用低频大功率声纳。超声换能器是检测伴随超声波传播的声压 或介质形变的装置，利用压电效应可检测由声压作用产生的振动。由于超声波的 波长较短，近似可以作直线传播，在液体中衰减比电磁波小，能量容易集中，可 形成较大强度，产生激烈振动，并能引起很多特殊作用，所以，水下探测采用高 频率声纳是比较有效的手段。主动声纳具有频率高( 几十到几百l ( i z ) 、波长短、 绕射现象小、方向性好和发射器体积小等优点，它的抗干扰能力很容易提高纠。 当l ； 超声技术广泛的采用压电薄膜换能器，传统的材料z n o ，新材料有p z t 陶 瓷薄膜和p v d f 聚合薄膜【4 l 。 1 1 3 换能器概述 水声换能器也称声纳换能器，它是在水中发射和接收声波的装置。通常，我 们把能够将电能转换为声能的换能器称为发射器，而将声能转换为电能的换能器 叫做接受器或者水听器。有不少声纳使用一个换能器兼做声波的发射和接受。 常用的换能器结构类型有h e l m h o l t z 谐振器、t o n p i l z 换能器和j a n u s 换能器、 压电陶瓷弯曲振动盘、陶瓷弯曲棒换能器、溢流式圆环换能器、环状换能器( r i n g t r a n s d u c e r ) 、铁磁流体式换能器( t h ef e r r o f l u i dt r a n s d u c e r s ) 、动圈式换能 器( m o v i n g - c o i lt r a n s d u c e r s ) 、流体动力式换能器、弯张换能器等同 从第一次世界大战期间发明的由压电晶体和金属质量块合成的朗之万型换 能器开始，几十年来，换能器所采用的有源材料与无源材料已经历过多次换代。 换能器通常有磁致伸缩、压电和电致伸缩三种方式。在今天经常使用的有源材料 中压电材料主要有p z t 类压电陶瓷、高分子压电薄膜和复合型压电材料等，磁致 伸缩材料主要是超磁致伸缩稀土合金。因为良好性能，薄膜材料在换能器中使用 越来越广泛，尤其是p v d f 及复合材料换能器将会在水声、超声领域中有着广阔 应用前景。 近二三十年来，由于军事上需求，科学技术的迅速发展，新型换能器材料的不 断开发与逐步推广应用，以及有限元分析在换能器设计上的应用等，换能器的研究 与设计在经典理论和分析方法的基础上，出现了许多新概念和新方法，水声换能器 正面临着新一轮的产品换代。超磁致伸缩稀土换能器、高性能电致伸缩陶瓷换能 器、矢量水听器、压电复合材料换能器、低频大面积p v d f 水听器、光纤水昕器 等研究活跃，代表了换能器研究的最新发展动态【6 l 。 浙正人学蟛i 学位论文 1 1 4 换能器原理 下面以压电薄膜水听器为例介绍换能器的工作原理。当水听器工作时，入射 声压作用到压电薄膜上，根据压电效应，薄膜上的应力，导致薄膜形变，形变又 使薄膜表面产生电荷，电荷量的大小与作用的应力成正比，即； d - - - - d t( 1 - - 1 ) 式中d 为电位移，d 为压电常数，t 为应力通过检测薄膜产生的电荷量，即 可测量外界的作用应力。压电薄膜水听器就是应用压电原理来检测水中声信号的 声压朗。 发射器同样也是根据压电效应，在电极上施加电压，引起薄膜形变，从而发 射声波信号。 1 2 课题研究意义 随着水声技术的发展，声纳换能器的应用越来越广泛，下潜深度也在不断增 加，伴随而来的静水压力问题越来越严重。因此在一定功率条件下，如何尽可能 减轻换能器的重量以及减小几何尺寸，以提高声纳系统的水下工作性能和作业能 力，是换能器设计中的一个突出问题。压力补偿设计正是针对该问题而提出的嘲 图l 一2 换能器膜片受力示意图 1 2 1 压力补偿的必要性 换能器工作于水中会受到来自外部的静水压力，随着工作深度的增加，压力 会相应上升。为了保证换能器正常工作，需要选择抗压材料以及设计合理的箱体 结构使换能器壳体增强机械刚度，承受住一定的静水压力。更重要的是要保证换 能器的关键部件一振动膜片内外压力平衡。换能器膜片的受力状况见图1 - - 2 ： 浙江大学硕l 学化论文 膜片受到来自外部的静水压力尸b ，内部压力尸f 必须跟随外部静水压力的变化而 变化，满足p i t p o ，使换能器膜片达到内外压力的平衡，以保证换能器振动膜 片的正常工作。 1 2 2 压力补偿方法比较 由于随着工作深度的加大，换能器所受的静水压力加大，这就要求换能器具 有较高的静态机械刚度来承受静压力，具有较大的动态顺性以便工作在低频。对 于许多类型的换能器，特别是使用压电陶瓷的换能器，由于需要对压电陶瓷施加 预应力，而多数情况下静水压的增大会使预应力减小，使换能器无法正常工作。 这就需要根据不同的情况采取相应的措施来降低静水压的影响，即压力补偿措 施，其基本原理都是加大内腔的压力使换能器内外腔的压力平衡。随着换能器的 结构形式和工作深度的不同，需要采取不同的处理方法1 5 j 。 1 ) 加强自支撑结构以满足要求。通过使用一定厚度能够承受大的流体静压 力的材料做成换能器振动膜片的背衬，来承受大的静压力。这种机构的特点是简 单、使用方便、释放效果好。但是受到背衬材料和换能器结构的限制，可能影响 换能器的工作特性。 2 ) 将换能器的内部空腔充压缩气体，使压缩气体的压力与外部流体静水压 力相同，能够提供良好的压力释放，精度高，可靠性好。但是换能器特性依赖于 工作深度适用于深度较浅而换能器白支撑结构又不能很好的满足要求的场合。 这就是本课题研究的对象 3 ) 将换能器的空腔内部充以液体，由于液体的“不可压缩性”，可使换能 器做到基本不依赖于工作深度。例如，不同类型的溢流圆环换能器和亥姆霍兹谐 振器就可以应用此方法。存在的缺点是此时的换能器将变的比较大、比较重，并 且需要很大的驱动力。在辐射时，声源级和带宽都急剧减小。适用于很大的工作 深度，特别是几千米左右的深度。 4 ) 一种折衷的可用于中等深度的方案是，用密封的空气填充椭圆金属管插 入到充填空腔的液体中以增加柔顺性，改善压力释放条件。但其工作深度受到顺 性管被液体静压力毁坏的限制，且压力释放能力与深度有关。 5 ) 对换能器采用溢流式设计，是适用于大深度工作的最佳方案。溢流式换 能器是以水背衬的，内外腔的压力相等，所以溢流式换能器几乎不受深度的影响。 例如，溢流环换能器和溢流式弯张换能器。但由于水背衬的耦合作用，在辐射声 功率方面存在问题。 本课题研究的水下压力补偿器面向的换能器工作于o 7 5 米深度，方法2 即将换能器的内部空腔充压缩气体，可以满足深度要求，压力释放好，不影响换 浙l r 人学顾t 学位论文 能器的： 作特性，精度高，可靠性好，通过一定的压力控制措施可以克服该补偿 方法对工作深度的依赖，因此水下气体压力补偿是适用于浅水声纳换能器的最佳 选择。 1 3 气体压力补偿的国内外研究现状 气体作为三大动力源之一在工程中有着广泛的应用，国内外对气体压力补偿 的研究越来越多，大致分为传统被动式压力补偿和电控主动式压力补偿两大类 型 1 3 1 传统被动式气体压力补偿器 为了消除随水深增加的静水压力对气动系统的影响，需对静水压力进行自动 补偿，这要靠补偿器来实现。补偿器的形式有多种，常用的有皮囊式、金属薄膜 盒式和波纹管式三种，如图l 一3 所示。这几种补偿器的工作原理是相同的，它 们的共同特点都是一个薄壁容器，允许有一定的弹性交形。补偿器的出口与气源 相联，内部充满气体。当补偿器的外壳受到水压力作用时，外壳产生弹性变形， 此压力传递给内部的气体，补偿器内部的压力与外部静水压力相等，而气源与补 偿器是连通的，因此气源内部的压力也与外界的静水压力相同。这样，不论多大 深度，气源内部的压力总与外部静水压力相等，壳体所受到的内外压差为零，实 现了对不同深度静水压力的补偿【l o 】。 藏垃 南 警 售 隹声默 皮l 式 金一尊腹式波坟管式 图l 一3 常用压力补偿器 对于实际的气体动力源，当使用容积变化比较大的作业工具时，系统的容积 变化及容积损失就较大。因此，补偿器会起到体积补偿的作用。由图1 - - 3 可知， 三种形式补偿器虽然都可以实现静水压力自动补偿，但它们所允许的容积变化是 不同的。其中，皮囊式补偿器所允许的体积变化最大，既可用于压力补偿，又可 以用于体积补偿。 雌托乍一警 按兰 剖赢 砌褒 臆 啦口 蛾 黼抽 浙江大学坝l 学位论土 传统的压力补偿器属于被动补偿型，可靠性好，补偿速度快，补偿精度高； 可以应用在任何深度；结构简单，安装方便，维护容易；既可用于压力补偿，又 可以用于体积补偿；但是寿命低，橡胶产品的老化现象是不可避免的，必定影响 整个系统的可靠性，必须进行定期检测；工作深度较大时气囊初始体积非常大； 不适用于较复杂的压力控制。 1 3 2 电控主动式气体压力补偿器 电控主动式压力补偿器带有一个高压储气罐对气体进行压力补偿和体积补 偿；而排放的气体直接进入大气或者水中。国内外对此都有一定的研究和应用。 1 双动压力机中的气体压力补偿器 k 7 0 4 1 俄罗斯产的双动压力机是一汽集团1 9 9 8 年的进口设备，一汽集团分 析了双动压力机压力补偿器的结构与缺陷，并在此基础上进行了改进，采用高压 储气罐进行压力补偿和体积补偿，通过压力传感器反馈实现气动系统闭环控制。 压力补偿器的工作原理及结构分析1 1 1 l 双动压力机的工作原理如图l 一4 所示。压缩空气通人储气罐1 。增压缸2 的活塞两端具有面积差。因此在大面积一侧充人4 5 大气压的空气的情况下， 小面积端的油液被增压。调节压缩空气气压值便能调节液压垫3 的油压( 压边力 的大小) 。液压垫由螺旋副螺母( 它同时作为活塞用) 与油缸( 固定在滑块上) 问的 空隙形成。当压力机超载时，液压垫3 内的油压增高，使液压缸下移，外滑块停 止运动，螺旋副螺母向下位移，将油液压人增压缸，当增压缸后退到一定位置时， 由于行程开关4 向压力机控制系统发出信号使压力机停止工作，压力机完全卸 载。当滑块回程时，液压垫内的油压降低，通过气动泵5 将油液经单向阀打入液 压垫。当液压垫充满油后，储气罐l 向增压气缸通气时液压垫的油压升高，恢复 到超载前的原有状态。 浙江犬学坝 学位论文 i 储气麓# 2 - 增压缸l3 - 液压垫i4 行程开关 孓气动泵t6 - 气腔活塞；7 - 油腔活塞 图1 4 双动压力帮l 原理图 控制方式的改造【l l l 对气路系统进行了闭环控制改造，如图1 5 所示压力机工作时，由于设 备自身泄漏和负载发生变化而引起了气路气压变化，该气压的变化经压力传感器 反馈给输入端与压力控制信号进行比较，获得偏差，由偏差调节，以达到压力稳 定的目的，这种闭环压力控制系统的控制精度较高。 图1 5 双动压力机系统c j j 环控制 2 调速器液压装置中的气体压力补偿器 常规的调速器液压装置中采用电磁空气阀控制，高压储气罐补气进行压力 补偿1 1 2 1 。 在调速器液压系统中，油压装置是一个很重要的设备，它由压力油槽、回油 箱、油泵( 一般为齿轮油泵) 、阀门仪表等组成。压力油槽是一个蓄能容器，是水 轮机调节的能源，压力油槽中的容积有3 0 4 0 是透平油，其余6 0 7 0 是压缩空气，用压缩空气和油共同形成的压力来提供机组进行负荷调节时操作机 构所需要的工作力。压力油槽的压力油通道管路、调速器的放大元件主配压阀等， 浙江夫学硕士学位论文 至水轮机操作机构的接力器，回油至回油箱。在压力油槽上设置了压力整定值和 油位整定值。 当水轮机进行负荷调节后，压力油槽中所消耗的油( 当下降到油位整定值 时) ，由油泵进行补充；所消耗的空气( 漏气等使压力油槽的压力下降) 则由电磁空 气阀等组成的补气装置接通高压压缩空气管路，借助于专用设备高压贮气罐 来补充，以维持压力油槽的压力及一定比例的空气量。采用油气泵或进气阀可以 简单地实现自动补气，但效率低，只适用于小型组合式油压装置。大型油压装置 都采用贮气罐补气，安装和检修后的充气均由空压机来进行。因此，在大中型电 站设计中，均配置了高压空压机、高压贮气罐以及高压压缩空气系统所必须的自 动化元件等设备。 3 水下电气装置中的气体压力补偿方法 水下电气装置方面，也应用了压力补偿防止海水对元件的影响。一项美国专 利中介绍了一种水下压力平衡器，采用一个压缩空气瓶和一个活塞，活塞的一边 接仪表箱，另一边通海水，通过活塞的力平衡作用，使仪表箱内外的压力平衡。 当内部压力高于环境压力时，通过箱上安装的一个压力排气阀降压，当低于环境 压力时，活塞上的针阀打开，使压缩空气进入仪表箱，压力升高。在活塞通海水 的一边，有一根弹簧对活塞施以预压力，使内部压力略高于外部海水压力，用以 保证其中的仪表不受海水的侵蚀。结构如图l 一6 所示【1 3 】。 图1 6 水下压力平衡器 1 4 课题的提出及本论文的主要研究内容 随着水声技术的不断发展，换能器作为声纳系统的重要组成部分，在水下工 程中的应用越柬越广泛，静水压力对换能器的作用会影响大多数类型换能器的正 常工作，这就需要采取相应的措施来降低静水压力的影响，即压力补偿，其基本 浙江大学坝f 位论文 原理是加大换能器内腔的压力使换能器内外腔的压力平衡 根据换能器的结构形式和工作深度，目前有5 种常见的压力补偿方法i 其 中气体压力补偿方法，即将换能器的内部空腔充压缩气体，能够提供良好的压力 释放，精度高，可靠性好，对换能器工作特性几乎无影响，适用于深度较浅的工 作场合。本课题研究的水下压力补偿器面向的换能器工作于o 7 5 米深度，气体 压力补偿是适用于这个方面的最好选择。 目前水下气体压力补偿大致分为传统被动式压力补偿和电控主动式压力补 偿两大类型。传统被动式气体压力补偿器常用的形式有皮囊式、金属薄膜盒式和 波纹管式三种1 2 】；具有结构简单，控制精度高，响应速度快等优点，但正是因为 结构简单，其寿命很短，不能满足复杂系统的要求。国内外研究者在此基础上不 约而同的转向了主动补偿型压力补偿器( 采用电控式嘲) 。这种补偿类型属于开 式结构，都带有一个高压储气罐对气体进行压力补偿和体积补偿；排放的气体直 接进入水中。这类压力补偿器的自身不能循环使用，不能满足长时间水下工作的 需要。因此设计一种控制精度高，响应特性好，集成度高，能够长时问在水下工 作的气体压力补偿系统方案，并研究其工作特性和影响因素，是本课题研究的目 标。 本课题的主要研究任务是通过对国内外气体压力补偿研究现状的分析，在前 人的研究成果基础上确定水下气体压力补偿方案；运用气体热力学等方法对水下 气体压力补偿系统进行建模和分析，搭建系统试验台，通过实验和仿真相结合的 办法研究水下气体压力补偿系统的工作特性和影响因素，优化系统方案。为此， 本文主要进行下列研究工作： l 、通过对换能器和水下压力补偿系统发展的现状和技术特点的分析，总结 得出3 种水下气体压力补偿方案，概要分析各个方案的优缺点，确立闭式主动压 力补偿方案为本课题的研究内容。在此基础上分析闭式主动压力补偿方案的关键 部件及其控制方式。 2 、运用气体热力学理论对水下气体压力补偿系统进行热力学分析，重点研 究空气压缩过程和压力补偿过程，建立相应的数学建模，最终得出整个系统的数 学模型。并对系统工作特性做了仿真计算。 3 、详细摇述了水下气体压力补偿系统的软硬件设计和实现，包括系统的主 要元器件压力传感器、空气压缩机、比例压力阀和控制器的选择，气动回路和电 气控制回路的设计，系统控制方案的设计，数据采集和分析，p l c 控制软件的编 写等。并搭建实验台架，通过实验曲线和仿真曲线相比较，验证系统数学模型的 正确性。 4 、运用m a t l a b s i m u l i n k 软件进行仿真，分析仿真结果，研究系统工 况对控制精度和工作特性的影响。在此基础上分析系统的各个影响因素，主要包 别 浙江人乍硕卜学位论文 括比例压力阀响应时间参数，压缩机停开控制参数，低压腔容积，高压腔容积和 压缩机排气量等，并进行理论分析与优化。 1 5 本章小结 本章说明了论文研究课题的背景和意义，以及气体压力补偿的方法和国内外 研究现状，并提出了本论文所要进行的主要研究工作。 浙江人擘硕p 学位论文 第二章水下气体压力补偿系统概述 2 1 系统方案比较 通过第一章对国内外气体压力补偿研究现状的分析，在前人的研究成果基础 上总结了三种水下气体压力补偿方案。 2 1 1 被动补偿型气囊补偿方案 如图2 1 所示，静水压通过气囊直接传递给补偿气囊内的空气，气囊通过 连接管道与换能器相通，实现换能器内外压力平衡。结构简单，是使用最为广泛 的一种压力补偿方式。 该方案具有可靠性好，补偿速度快，补偿精度高等特点，但是受到气囊材料 容易老化的影响，寿命低。 图2 1 气囊补偿方案 2 1 2 主动补偿型电控补偿方案 连 接 管 道 电控主动补偿型压力补偿方案都带有一个低压腔( 真空腔) ，一个高压腔， 换能器内部气体压力由电气比例阀控制，这类压力补偿方案解决了气囊补偿方案 寿命低的问题，具有控制和补偿精度高，寿命长的特点；但是相对气囊补偿方案， 电控主动补偿型压力补偿方案的系统结构较为复杂。电控主动补偿型压力补偿方 案又可以分为开式和闭式两种。 1 开式主动压力补偿方案 如图2 2 所示，下水之前高压腔充满高压气体，真空腔抽真空水深压力 传感器检测外部静水压力，静水压力和换能器内部气体压力不一致时，控制器驱 浙江人学帧i 学位论文 动电气比例阀改变方向或者流量，直到换能器内外压力差小于允许压差。当静水 压力增加时，高压腔的高压气体经过电气比例阀和连接管道补充到换能器中，使 换能器内部压力升高。当静水压力降低时，换能器的高压气体通过连接管道经过 电气比例阀释放到真空腔，使换能器内部压力下降。 本方案的使用寿命远高于气囊补偿方案，但是当高压腔的压力不高于换能器 内部压力或者真空腔的压力不低于于换能器腔的压力时，系统就失去了工作能 力，必须重新补充高压腔的高压气体，对真空腔再次抽真空。因此单次使用时问 受到限制，不能在水下长时间循环使用。 真空抽气 水 潞 压 力 佳 感 器 图2 2 开式主动压力补偿方案 2 闭式主动压力补偿方案 如图2 3 所示，闭式主动压力补偿方案是在开式主动压力补偿方案上的改 进，水深压力传感器、输出压力传感器、低压腔压力传感器和高压腔压力腔传感 器分别检测静水压力、系统输出压力( 换能器内部压力) 、低压腔压力和高压腔 压力，控制器采集这4 个压力值，并以此为控制输入，控制电气比例阀的动作， 保证换能器内部压力和静水压力一致；控制空气压缩机的运行，使高压腔和低压 腔的压力分别处于允许的压力范围内，保证压力补偿系统正常工作。相对于歼式 主动压力补偿方案，闭式主动压力补偿方案可以实现长时间连续循环使用。 浙江人学顾i 学位论文 低压腔压力俸感器高压腔压力倍感器 图2 3 闭式主动压力补偿方案 以上三种方案各有优缺点和适用场合。气囊补偿方案结构简单实用，已经投 入使用。开式主动压力补偿方案介于气囊补偿方案和闭式主动压力补偿方案之 间，论精度和相响应速度不如气囊补偿方案，单次使用时间又不及闭式主动压力 补偿方案，不能在水下长时间循环适用。本课题的主要任务是研究闭式主动压力 补偿方案图2 3 即为本课题研究的系统方案框图。 2 2 系统关键部件 由以上对系统方案和工作原理的分析可知，水下气体压力补偿系统工作的关 键执行部件是空气压缩机和电气比例阀，因此空气压缩机和电气比例阀的选择将 影响水下气体压力补偿系统的工作特性。 2 2 1 压缩机 2 2 1 1 压缩机的分类 根据不同的结构形式，压缩机可分类为容积式压缩机和动力式压缩机两大类 1 4 l ，如图2 4 所示： 浙江丈学坝p 学位论文 r 往复式1 隔膜式( 膜片式) 压缩机，容积式l 回转式 篓筹萎叶片压缩机 l 骡什瓦 l 动力式。透平式，嘉篆萎 l 其他类型 圈“压缩机结构形式分类 2 2 1 2 气动常用压缩机技术性能及特点 i 活塞式压缩机的特点1 1 5 1 最典型的往复式压缩机是活塞式压缩机。目前活塞式压缩机使用最广泛，其 优缺点如下： ( 1 )活塞式压缩机具有较高的排气压力，目前可分为低压、中压、高压 和超高压等四种，可根据需要选用不同型号的活塞式压缩机； ( 2 ) 活塞式压缩机的热效率； ( 3 )活塞式压缩机的排气量可在较广泛的范围内进行调整和选择，在需 要较小的排气量情况下，采用活塞式压缩机比较合理，经济、安全。 ( 4 )活塞式压缩机的生产多采用普通钢材，其制造精度一般为7 8 级精 度，制造加工方便。 ( 5 )活塞式压缩机转速不高，当需要较大的排气量时，其机体庞大、笨 重并需要大型基础。因此，当排气量较大时，不宜采用活塞式压缩机。 2 容积式压缩机的特点： 和活塞式相比，容积式压缩机有它自己的特点，如结构简单，维修方便，排 气平稳而无脉动，但其密封较困难，效率较低，噪声较大，排气量范围在( 0 5 5 0 0 ) m 3 m i n 之内1 1 6 l 。滑片式压缩机可到达非常高的转速，但是零部件较多，易 损坏。螺杆式压缩机可靠性高，适应性强，但是造价高，不能用于高压场合，也 不能支撑微型，螺杆压缩机依靠间隙密封气体，目前一般只有容积流量大于 0 2 m 3 m i n 时，螺杆压缩机j 具有优越的性甜矧。 3 透平式压缩机的特点p 6 1 ： 浙江人学碗e 学位论文 ( 1 ) 转速高，机器的体积小，重量轻： ( 2 ) 排气稳定，没有气流脉动： ( 3 ) 结构简单，维修方便； ( 4 ) 排气量和排气压力的适应性差，最小流量和最高压力不能同时满足： ( 5 ) 热效率低，单用气轮机直接驱动式，经济性也较高； ( 6 ) 运转状况欠稳定，工作性能随工作条件变化较大； ( 7 ) 气体性质的影响较大，难以实现变型与变工况运转。 比较各类压缩机特点，可知活塞式压缩机压力范围之广是其他压缩机所不能 与之相比的，这是它的最独特的长处，因此活塞式压缩机适用于高压力、中小流 量的场合，以及较小排气量的各种压力范围；其中偏心机构和斜盘机构的活塞式 压缩机具有结构紧凑、重量轻的特点，适用于微、小型压缩机中。透平式压缩机 一般说来适用于低压、大流量的情况下。回转式压缩机则在低压、中小流量范围 内应用i ”j 2 2 。1 3 压缩机的选型 选用压缩机确定型号时，主要考虑的参数有：压力、流量和结构特征，须经 过计算和调研使选用的压缩机总效率良好【1 4 l 。 ( 1 )压力比预想的使用压力高0 1 0 2 m p a 。这是因为从压缩机到气动 设备问有供气管道、阀门和气源处理设备，其压力损失和漏气是必须考虑的。 ( 2 )流量压缩机的排气量要比气动设备所需的自由空气量有2 0 左右 的裕量储备。 ( 3 ) 结构特征应考虑压缩机的寿命、价格、安装运转费用、噪声大小、 无油润滑的必要等因素。 本系统压缩机属于微型压缩机。所以综合考虑各方面的因素，选用微型活塞 式压缩机( 排气量v l m 3 m i n 消耗的功率p p 2 其他情况 p p 1 & p l p 3 其他情况 浙江大学硕七学位论文 3 3 系统仿真 t ，。 ? ：。一p ：。口。l p ，一p ，c 口，) 】i p ：，口， p - l + 面h 咖+ 卜】 式( 3 - - 2 6 ) 所示的微分方程组即为水下气体压力补偿系统的数学模型，是 一个非线性系统，无法用直接积分法求解得到解折解，只能利用计算机，对方程 组进行数值积分求得数值解，进而分析系统的工作特性。 3 3 1 仿真软件介绍 数字仿真的核心问题，是运用合适的方法求解系统数学模型的数值计算方 法，编制相应的通用仿真程序。一般地，编制出的通用仿真程序，能够实现各类 数据输入，多种输出方式选择，有的还有几种数值计算方法可供选择通常，把 这种灵活方便的通用程序称为仿真软件。运用现成的软件进行系统仿真，可以大 幅度提高工作效率1 2 1 l 阎 近年来，随着计算机应用软件的迅猛发展，系统仿真语言的种类也愈来愈多， 如适用于对规模较小的控制系统进行仿真的c s s f ( c o n t i n u o u ss y s t e ms i m u l a t i o n f o r t r a np r o g r a m ) ，离散事件系统仿真专用语言g p s s ( g e n e r a lp u r p o s es y s t e m s i m u l a t i o n ) ，液压传动及控制系统的动态仿真软件d s h ( d i g i t a ls i m u l a t i o no f h y d r a u l i cs y s t e m ) 以及广泛被人们采用的控制系统数字仿真和应用软件m a t l a b 与s i m u l i n k 等等。幽1 2 4 j m a t l a b 具有强大的数值计算能力，包含各种工具箱，其程序不能脱离m a t l a b 环境而运行，所以严格讲，m a t l a b 不是一种计算机语言，而是一种高级的科学分 析与计算软件。陋h 2 8 l s 1 m u l i n k 是m a t l a b