（机械电子工程专业论文）海底作业车行走液压系统与路径控制研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 自行式海底作业车是我国深海采矿系统中的关键设备。作业车在 海底行走过程中，将受到高压、海水阻力、海流力、采矿阻力、破碎 机振动力、长电缆和软管阻力、内摩擦角和内聚力均极小的软海泥等 复杂阻尼的耦合作用。海底试验表明，这种复杂阻尼耦合作用使海底 作业车在海底作业行走过程中极易打滑，难以按预定开采路径行走。 本文对1 0 0 0 米深海多金属结核开采系统的海底作业车行走液压 子系统进行了建模和仿真研究。在此基础上，提出了作业车按预定路 径行走的路径跟踪控制算法，并设计了p i d 控制和模糊控制内外环结 合的控制器。 本文研究的主要内容如下： 1 建立了基a d a m s h y d r a u l i c s 的海底作业车行走液压系统模 型，并进行了液压系统的仿真，将仿真结果与“九五”湖试试验的结 果进行了对比，验证了模型的准确性和可靠性。 2 提出了一种海底作业车按预定路径行驶的路径跟踪控制算法， 并设计了基于m a t l a b s i m u l i n k 的p i d 控制和模糊控制内外环结合 的路径控制器。 3 建立了基于m a t l a b s i m u l i n k 的海底作业车行走控制系统仿真模 型。 4 将上述海底作业车液压系统的a d a m s h y d r a u l i c s 模型和行走 控制系统的m a t l a b s i m u l i n k j 奠型结合起来，进行了联合仿真。 联合仿真研究结果表明：在加入了较大履带打滑的情况下( 1 5 以下) ，作业车能够很好的跟踪预定路径，路径偏差范围达到了控制 精度要求。 关键词：海底作业车，联合仿真，路径跟踪，模糊控制 硕士学位论文a b s l l u 研 a b s l r a c t s e l f - p r o p e l l e ds e a - b e ds e r v i c ev e h i c l ei so n eo ft h ek e ye q u i p m e n t o f n a t i o n a ld e e p - s e am i n i i 培s y s t e m d u r i n gt h et r a c k i n gp r o c e s so nt h e s e a - b e d , t l l i st r a c k e dv e h i c l ei sc o n f r o n t e dw i t hm a n yc o u p l e de f f e c t ss u c h a s h i g h w a t e rp r e s s u r e ，w a t e r r e s i s t e n c e g n i n i n gr e s i s t c n c e ，c r u s h e r v i b r a t i o nf o r c e ，l o n gc a b l ea n ds o f tp i p er e s i s t e n c e ，s m a l li n n e rf r i c t i o n a n g l ea n dc o h e s i o n t h es e a - b e de x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h i sc o m p l i c a t e d d a m p i n gc o u p l e di m f l u e n c em a d et h ev e h i c l ee a s i l ys k i d d i n ga n dd i f f i c u l t t ot r a c k i n gt h em i n i n gp a t h t h i sp a p e rm a k e st h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nr e s e a r c ht ot h e t r a c k i n gh y d r a u l i c ss y s t e mo fs e l f - p r o p e l l e ds e a - b e ds e r v i c ev 色l l i c l e t h e s u b s y s t e m o f1 0 0 0 m d e e p - s e a m u l t i m e t a ln o d u l e m i n i n g s y s t e m b a s e do nt h i sr e s e a r c h , t h i sp a p e rp u tf o r w a r dak i n do fp a t h t r a c k i n gc o n t r o lm e t h o dt ot h ev e h i c l e ，a n dt h e n , t h i sp a p e rm a d ed e s i g nt o t h ep i dc o n t r o l l e rw h i c hw a st h ei n n e rc o n t r o l l e ro ft h ec o n t r o ls y s t e m a n dt h ef u = yc o n t r o l l e rw h i c hw a st h eo u t e rc o n t r o l l e ro ft h ec o n t r o l s y s t e m t h em a j o rc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na sf o l l o w i n g ： 1 t h es e l f - p r o p e l l e ds e a - b e ds e r v i c ev e h i c l et r a c k i n gh y d r a u l i c ss y s t e m m o d e lw a se s t a b l i s h e db a s e d0 1 1a d a m s h y d r a u l i c s a n dt h e n , m a d ea c o m p a r i , s o nb e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h e n i n ef i 肼l a k e e x p e r i m e n tr e s u l t ss oa st ov e r i f yt h ev a l i d i t ya n dc r e d i b i l i t yo ft h i s m o d e l 2 p mf o r w a r dak i n do fp a t ht r a c k i n gc o n t r o lm e t h o do fs e a - b e ds e r v i c e v e h i c l ew h i c hs t e e r e db yt h ep r e d i c tp a t h a n dt h e n , d e s i g h e dt h ep a t h c o n t r o l l e rw h i c hw a sc o m b i n e db yt h ei n n e rp i dc o n t r o l l e ra n dt h eo u t e r f u z z yc o n t r o l l e rb a s e do nm a t l a b s i m u l i n k 3 b u i l dt h es e l f - p r o p e l l e ds e a - b e ds e r v i c ev e h i c l et r a c k i n gi n t e l l i g e n t c o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nm a = n a b s i m u l i n k 4 m a d eac o - s i m u l a t i o nb e t w e e nt h es e l f - p r o p e l l e ds e a - b e ds e r v i c e v e h i c l eh y d r a u l i c ss y s t e ma d a m s h y d r a u l i c sm o d e la n dt h et r a c k i n g 顾士学位论文a b s t r a ( 了 i n t e l l i g e n tc o n 臼o ls y s t e mm a t l a b s i m u l i n km o d e l t h er e s e a r c hr e s u l t so fc o s i m u l a t i o ns h o wt h a tw i t ht h er a m d o ms l i p r a t i o ( 1 e s st h a n1 5 ) t h i sv e h i c l ec a n e a s i l yt r a c k i n gt h ep r e d i c tp a t ha n d t h er a n g eo f p a t he r r o rh a sa c h i e v e dt h e r e q u i r e m e n to f c o n t r o lp r e c i s i o n k e yw o r d s ：s e a - b e ds e r v i c ev e h i c l e ，c o - s i m u l a t i o n , p a t ht r a c k i n g ， f u z z yc o n t r o l i l l 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源与研究意义 第一章绪论 本课题来源于国家自然科学基金一深海作业机器人在海底复杂阻尼耦合作用 下的稳定行走机理研究。项目编号；5 0 2 7 5 1 5 2 。 在海洋底表面蕴藏着丰富的多金属结核深海矿产资源。随着陆地矿产资源的 日益桔竭，围绕国际海底矿产资源的竞争日趋激烈。在中国大洋协会的组织下， 我国在上个世纪9 0 年代，启动国家大洋专项“大洋多金属矿产资源勘探与开发 技术”研究，开始大洋多金属结核开采技术的研究与实验工作。通过。八五”和 。九五”计划十年对多金属结核集矿机的深入研究设计制造了一台适用于我国 1 0 0 0 m 多金属结核中试采矿系统的集矿机( 即海底作业车) ，并完成了大量的水 池试验和1 3 0 m 水深湖试试验。海底作业车是深海矿产资源多金属结核采矿系统 的关键技术它必须携带采矿机构、破碎机、液压系统、电子仓、长软管等设备 以预定行走速度按预定开采路径自动行走于软海底。作为载体，海底作业车在采 矿作业过程中将受到高压、海水阻力、海流力、采矿阻力、破碎力、长软管阻力、 内摩擦角和内聚力均极小的软海泥等复杂阻尼的耦合作用。这种复杂阻尼耦合作 用使海底作业车在海底作业行走过程中极易打滑，难以按预定开采路径行走，直 接影响深海多金属结核采矿的成败。 目前我国1 0 0 0 米海底作业车为由液压系统驱动的宽幅履带车。深海多金属 结核开采策略的实现目前只能根据来自海底的测试数据如海底作业车左右行走 履带速度、车体速度、方位角和位置，采用智能控制方法，控制海底作业车行走 液压系统左右履带速度，以期达到车体以预定行走速度按预定开采路径来开采深 海矿石的目的 因此，建立海底作业车行走液压系统仿真模型、行走速度控制模型和跟踪预 定开采路径控制模型，开展在打滑因素影响下其行走速度控制与跟踪预定开采路 径控制联合仿真研究，开发有效的智能控制方法，对预测海底作业车自动跟踪预 定开采路径的行走性能，具有重要意义。本课题是在此基础上提出的。 1 2 多金属结核开采方法概述 深海多金属结核开采的基本任务是按一定的生产规模，从五、六千米的深海底， 将多金属结核连续、高效地采集并输送到海面采矿船上要求具有高度的可靠性、 自动性和经济性。到目前为止，深海采矿技术的开发与研究已走过初级阶段现 顼七学位论文第一章绪论 在技术上的可行性已告确立。在多金属结核开采技术的开发与研究期间，估计已 花费5 亿多美元。自6 0 年代以来，国际海洋采矿财团对深海多金属结核开采进行 卓有成效的研究工作提出了四种海底多金属结核结核开采方法，即拖斗式采矿 法、连续绳斗法、流体提升采矿法和海底遥控车采矿法。其中，流体提升采矿法 又可分为水力式提升采矿法和气力式提升采矿法。研究试验表明，水力式提升采 矿法最具有商业开采前景1 1 4 。 流体提升采矿系统由集矿机、输送软管、中间矿仓、扬矿管及采矿船等组成。 集矿机在海底采集结核，采集的结核在集矿机内清洗脱泥和破碎后，经软管输送到 连接于刚性扬矿管下端的中间矿仓，然后结核经扬矿管扬送到海面的采矿船上。 集矿机的行走方式有拖曳式，螺旋桨式、阿基米德螺旋式和履带四种形式，如图 卜1 所示o 叫。 名称 示意霸 臀橇拖曳式 _ - z ： 阿摹米撼螺链式 叠皿一 摆挺鬃推进式 巴一 疆带自行式 臣盈一 圈1 - 1 集矿机按行走方式分类 其特点如下： ( 1 ) 拖曳式：由海面采矿船钢绳牵引，结构简单，对海底扰动和破坏小，但不 便控制，避障困难，不能准确的按预定的开采路线行走，采集效率低，回采损失 大。 ( 2 ) 螺旋桨式：结构简单，但牵引力小，能耗大。对海底破坏严重，甚至将邻 近采集路径内的结核矿石吹走或埋入沉积层内，不能适应大洋采矿和环境保护 要求。 ( 3 ) 阿基米德螺旋式：结构较简单，但螺旋线凹槽易被沉积物敷住，行走打 滑严重，转弯更困难，与地面接触小，承载能力低，对海底搅动较大。 ( 4 ) 履带：牵引力大，承载能力高，跨越或绕过海底障碍容易，对海底扰动较 小，操纵性和可行驶性机构能很好地满足软海底作业要求。 1 3 多金属结核集矿机国内外研究现状 2 硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 多金属结核集矿机国外研究现状 国际财团海洋采矿公司o m a ( o c e a nm i n i n ga s s o c i a t e ) 于1 9 7 7 年和1 9 7 8 年用 拖曳式集矿机试验了气力提升系统。他们采用了一个日产1 2 0 0 t 的系统获得5 0 0 t 结核 国际财团海洋物产公o m c o ( o c e a n m i n e r a l sc o m p a n y ) 于1 9 7 9 年2 月试验 了遥控集矿机( 采用阿基米德螺旋驱动行走) 和气力提升系统嘲旧 肯尼柯特财团( k c o n ) 于1 9 7 4 年下半年和1 9 7 5 年早些时候试验了拖曳式集矿 机，没有进行系统试验哪。 意大利在o m a 试验基础上进行改进，1 9 8 1 1 9 8 3 年研制出新一代组合式履 带车，采用吸扬式水力集矿，并在出口处增设隔筛网，以防堵管m 。 法国自1 9 8 0 年开始海底遥控车采矿系统的研究开发。此遥控车由集矿机构， 自行推进机构，浮力控制和压载四大部分组成。该系统技术复杂，投资大，且难以满 足工业开采规模的要求，因此，1 9 8 3 年停止了该系统的研究，至1 9 8 9 年完成了生产 能力为6 0 0 t h 的集矿机、提升矿浆泵、双船体半潜式采矿平台组成的年产1 5 0 万t 干结核采矿系统的设计设计开采深度5 0 0 0 m 4 台矿浆泵安装在9 0 0 1 2 0 0 m 处， 每台泵6 级，扬矿能力5 0 0 t h ，提升浓度1 2 m 嘲。 德国是世界上最早参加深海多金属结核资源研究开发活动的发达国家之一， 深海采矿技术研究也处于领先的位置。他f 1 9 6 9 年就开始了调查勘探工作，1 9 7 2 年开始进行深海采矿技术研究，7 0 年代普鲁萨格公司、金属公司及萨个吉特公司 等三家德国公司成立了海洋矿物资源开发协会( a m r ) 1 9 7 5 年他们与加拿大 国际镍业有限公司、美国的赛德哥一福来克斯公司及日本的深海采矿有限公司， 各以2 5 的所有权成立了海洋管理公司( o m i ) ，共同对多金属结核开发进行了 大量的研究，并在太平洋开展了小规模试验。德国济根大学研究的是基于柔性提 升软管和集矿车的深海采矿系统如图卜2 嘲州叫所示。 图l 一2 德国济根大学深海采矿系统 3 颂士学位论文第一章绪论 c h u n g 等人在1 9 8 0 1 9 9 5 年研究出的遥控集矿机，类似于o m c o 试验 时采用的集矿m 。 1 3 2 多金属结核集矿机国内研究现状 1 9 9 0 年4 月9 日经国务院批准，“中国大洋矿产资源研究开发协会”成立， 负责组织、协调全国在国际海底区域的研究开发活动，维护我国开发国际海底资 源的权益，并向联合国海底筹备委员会申请矿区登记。1 9 9 1 年3 月5 日中国大 洋协会在国际海底管理局和国际海洋法法庭筹备委员会申请登记注册为国际海 底开发先驱者，并分配到1 5 万平方公里的国家管辖范围外的国际海底区域，从 而使我国成为继印度、苏联、法国、日本之后第五个深海采矿先驱投资者。1 9 9 9 年3 月5 日，在完成开辟区5 0 区域放弃义务后，中国大洋协会为我国在上述区 域获得7 5 万平方公里具有专属勘探权和优先商业开采权的金属结核矿区。 我国作为国际海底先驱投资者之一。经国务院批准，已于1 9 9 1 年将“大洋多金 属结核资源研究开发”列为国家长远发展项目，中国大洋矿产资源研究开发协会 据此制订出大洋多金属结核资源研究开发第一期( 1 9 9 1 2 0 0 5 年) 发展规划， 并根据大洋多金属结核资源研究开发“八五”工作情况，下达了中国大洋矿产资 源研究开发“九五”课题合同。据此，长沙矿山研究院进行了海底作业车测控系 统的研制。 海底作业车控制主要为对作业车行走速度、行走方向、行走轨迹和工作机构 状态的控制。同时对集矿作业车深海周边环境、部件工作状态等参数进行监测。 鉴于深海作业车现场控制所需设备的密水和耐压要求选用c o m p a c p c ii p c 作为 水下作业车在线自治控制主机和水面远程监控站，构成两级控制系统，实现了对 作业车收放姿态监测及着底控制、作业车按预规划路径行走过程控制、作业车集 矿机构作业参数优化控制、破碎机构控制与监测“。 “九五”期间设计的海底作业车实物图如图i - 3 “”所示。 图卜3 我国1 0 0 0 米深海履带集矿机 4 硕士学位论文 第一章绪论 系统技术性能指标如下： 设计工作深度：6 0 0 0 m ； 行走速度控制范围：o lm s ； 行走轨迹偏差控制范围：lm ： 方位角测定范围：0 。勺6 0 。； 前后倾角测定范围：2 5 。 o 5 。) ； 左右倾角测定范围：2 5 。( o 5 。) ； 潜深测定范围：0 6 0 0 0m “州“ 1 4 多金属结核集矿机控制方法研究概况 集矿机行走控制系统采用三环串级控制方法“”。主回路为路径环，副回路为方 位环和速度环。路径环直接对路径进行闭环控制，以提高路径控制的精度，保证 作业车行驶路径轨迹跟踪的实现：副回路通过控制作业车左右驱动装置的运动速 度来控制方位角，再通过控制方位角来控制路径，路径调节器的输出作为方位设 定值的修正量，以便根据路径偏差及时改变方位角设定值：同样地，方位环调节 器的输出，作为作业车速度环设定值的修正量，以便根据方位角的偏差及时地改 变左右速度设定值，从而改变作业车的运动方向，保证路径控制的实现。由于采 用串级控制，副回路的等效时间常数和放大倍数均变小，这样，系统的明应时问 常数变小，而主回路的放大倍数可以提高、从而加快系统的响应速度。 困1 - 4 集矿机全自动行驶控制原理图 集矿机全自动控制原理图如图1 - 4 所示。该控制模型图中，分为三层，内 层采用p 1 1 ) 控制驱动履带的液压马达转速，根据液压马达实际速度与给定速度的 偏差，调节比例阀控制液压马达转速。中间层综合考虑履带打滑情况，压陷深度， 方位角及行走速度的偏差等因素，控制集矿机按照要求的速度和方向行驶，同时 避免集矿机过渡打滑而沉陷，确保集矿机安全行驶。简单i 拘p i d 控制显然无法满 足要求，因此，采用基于神经网络的自学习模糊控制方法，模仿人的操纵控制经 验。根据以往的试验情况和有关经验，对各参数进行量化处理，在实际控制过程 中根据控制的结果，对隶属度和加权因子进行在线自学习。外层是根据给定目标 点位置和障碍物情况，在宏观上对集矿机的行走路径进行合理规划。同时不断的 接受定位系统测量的集矿机的实际位置，对集矿机行走方向和速度进行调整。外 层输出集矿机的行走速度和方位角给中间层，中间层输出集矿机左右履带的速度 给内层，由内层直接调节比例阀，控制液压马达的转速，从而实现集矿机的智能 控制。 文献【1 0 】和【1 2 】中阐述了海底作业车控制系统的组成。它由上位机( s c c ) 和 下位机( d c c ) 两级计算机控制系统组成，上位机与下位机的通讯距离为6 0 0 6 0 0 0m ，采用现场总线通讯。该控制系统采用三环串级控制方法。主回路为路 径环，副回路为方位环和速度环。通过控制左、右轮的运转速度来控制方位角， 再通过控制方位角来控制路径。 文献 1 0 j 中给出了海底作业车路径控制算法，并在实验室对l ：2 0 比例的爬 行车辆模型进行了系统连调，在该模型上实现了路径跟踪行走，达到了预定的路 径跟踪控制目标。其预定开采路径如图卜5 所示。 y k 滋。x ；西 ) c q形矾x 蕊 g 图1 _ 5 作业车行走路径控制 文献 4 1 以自适应控制理论为基础，针对深海复杂环境提出了一种海底作业 车预定路径自行走控制算法。在此基础上，建立了相应的试验平台，对该算法的 可行性进行了试验验证。 文献 5 3 提出了一种基于自修正专家模糊控制的路径跟踪控制方案，控制海 底作业车的行走，该方案参考履带车辆转向运动学方程，采用具有自调整功能的 6 硕士学位论丈第一章绪论 模糊算法，对海底作业车的左右履带进行控制。 文献 5 4 】针对海底作业车在作业过程中的实时局部路径规划问题，提出了能 实现模糊控制规则的基于强化学习的自学习和自调整的规划算法。 1 5a d a m s 和m a t l a b 联合仿真研究方法简介 机械系统动力学自动分析软件a d a m s ( a u t o m a t i c 功m 锄i ca n a l y s i s m e c h a n i c a ls y s t e m s ) ，是美国m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发的虚拟 样机分析软件“”。该软件集建模、求解、可视化技术于一体，可用于对复杂的机 械系统进行静力学、运动学和动力学仿真。使用这套软件可以产生复杂的机械系 统的虚拟样机，真实地仿真其运动过程，并且可以迅速分析和比较多种参数方案， 值至获得优化的工作性能，从而大大减少了昂贵的物理样机的制造及试验次数， 提高了产品设计质量，大幅度地缩短产品研制周期和费用。该软件9 0 年大开始在 我国的机械制造、汽车交通，航空航天、铁道、兵器、石油化工等领域得到应用， 为各领域的产品设计、科学研究作出了贡献 a d a m s 软件系统使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全 参数化的机械系统几何模型，采用多刚体系统动力学理论的拉格朗日方程建立 系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。a d a m s 建模仿真基本步骤如图l 石所示。 a d a m s 软件主要包括交互图形环境a d a m s v i e w 和求解器a d a m s s o l v e r 两个核心模块。其中a d a m s v i e w 完成分层式建模工作：a d a m s s o l v e r 自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结 果。该软件还提供t a d a m s h y d r a u l i c s ( 液压模块) 、a d a m s c o n t r o l s ( 控制模 块) ，a d a m s f l e x ( 柔性分析模块) 和m e c h a n i s m p r o 口r o e 接口) 等扩展 模块其中液压模块用于建立和测试液压系统虚拟样机，能构建机械系统与液 压系统相互作用的模型，实现在计算机上对液压系统的动、静态特性分析仿真“” a d a m s h y d r a u l i c s 可用于分析研究： 液压系统峰值压力和运行压力； 液压系统滞后特性； 液压系统控制； 功率消耗： 液压元件和管路尺寸设计等。 7 硕士学位论文第一章绪论 图卜6 虚拟样机建模仿真基本步骤 由于a d a m s h y d r a u l i c s 采用了a d a m s v i e w 相同的参数化功能和函数库，因 此用户在液压元件设计中同样可以运用设计研究( d s ) 、试验设计( d o e ) 以及 优化( o p t i m i z e ) 等技术。 a d a m s c o n t r o l s 控制模块结合通用控制系统软件( 如m a t l a b 、m a t r i x ) 可以建立控制系统、液压系统和气动系统的仿真模型。a d a m s c o n t r o l s 是 a d a m s 软件包中的一个集成可选模块。在a d a m s c o n t r o l s 中，设计师既可以 通过简单的继电器、逻辑与非门、阻尼线圈等建立简单的控制机构，也可利用通 用控制系统软件( 如：m a t l a b ，m a t r i x ，e a s y s ) 建立的控制系统框图，建立 包括控制系统、液压系统、气动系统和运动机械系统的仿真模型。 8 硕士学链论文 第一章绪论 在仿真计算过程中，a d a m s 采取两种工作方式：其一，机械系统采用 a d a m s 解算器，控制系统采用控制软件解算器，二者之间通过状态方程进行联 系；其二，利用控制软件书写描述控制系统的控制框图，然后将该控制框i 虱提交 给a d a m s ，应用a d a m s 解算器进行包括控制系统在内的复杂机械系统虚拟样 机的同步仿真计算 这样的机械一控制系统的联合仿真分析过程可以用于许多领域，例如汽车自 动防抱死系统( a b s ) 、主动悬架、飞机起落架助动器、卫星姿态控制等。联合仿 真计算可以是线性的，也可以是非线性的。使用a d a m s c o n t r o l s 的前提是需要 a d a m s 与控制系统软件同时安装在相同的工作平台上。 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司推出的一种面向工程和科学计算的交互式软件， 它提供的控制仿真工具箱使用户快速开发控制系统成为可能。m a t l a b 名字由 m a t r i x 和l a b o r a t o r y 两词的前三个字母组合而成，始创者是时任美国新墨西哥 大学计算机科学系主任的c l e v em o l c r 教授。于1 9 8 4 年由m a t h w o r k s 公司推出 ( d o s 版) 面向控制工程应用一直是m a t l a b 的主要功能之一，早期的版本就提供 了控制系统设计工具箱( c o n t r o lt o o l b o x ) 。9 0 年代初的3 5 版推出r o b u s tt o o l b o x ， 4 0 版推出基于模块图的控制系统仿真软件s i m u l i n k ” 利用a d a m s 和m a t l a b 软件进行联合仿真，就是当设计带有控制系统的机 械系统时，机械设计师使用a d a m s 建立机械系统模型，然后导入m 棚a b 中， 由控制设计师在m a t l a b 下进行控制系统设计和虚拟样机调试，并将结果及时 反馈给机械设计师，这样两个设计师使用同一个机械系统模型进行设计和仿真， 大大简化了物理样机的检验调试过程，提高了产品的开发速度。联合仿真流程如 图1 7 所示铷嘲 图1 - 7a d a m s 与m t l b 联合仿真流图 将a d a m s 和m a t i a b 结合起来进行联合仿真，具有以下优点： 9 硕七学位论文第一章绪论 0 ) 呲a d a m s 机械系统模型上实现复杂的控制策略，一次仿真整个组合 系统，遇到问题，可从机械系统和控制系统协调的角度来解决； 但) 直接从a d a m s 产生机械系统仿真模型，而无需推导、列写复杂的方程 描述机械系统，大大简化了仿真建模过程。 a d a m s 与m a t l a b 对机械和控制系统进行联合仿真分析，为机电一体化系统提 供一种全新的设计方法。在传统的机电一体化系统设计过程中，机械工程师和控 制工程师虽然在共同设计开发一个系统，但是它们各自都需要建立一个模型，然 后分别采用不同的分析软件，对机械系统和控制系统进行独立的设计，调试和试 验。最后建造一个物理样机，进行机械系统和控制系统的联合调试。如果发现问 题，机械工程师和控制工程师有需要回到各自的模型中，修改机械系统和控制系 统，然后再进行物理样机联合调试。使用a d a m s c o n i t o l s 控制模块，机械工程 师和控制工程师可以共同享有同一个样机模型，进行设计、调试和试验。这样可 以大大提高设计效率，缩短开发周期，降低开发产品的成本，获得优化的机电一 体化系统整体性能。 本文采用a d a m s h y d r a u l i c s 建立海底作业车行走液压系统模型，采用 a d a m s c o n t r o l s 模块输出模型，并导入m a t l a b s i m u l i n k ，进行联合仿真。 1 6 本文研究的主要工作 我国1 0 0 0 米海底作业车的行走液压系统是多金属结核集矿机的关键技术之 一。它是集矿机能否按预定轨迹正常行驶的基础。因此，本文将从海底作业车行 走液压系统本身着手，对其进行液压系统和控制系统的深入研究，实现二者的联 合仿真，从而从根本上实现作业车按预定轨迹的控制过程，以期为集矿机的行走 控制提供技术参考。本文对作业车的行走液压系统建立a d a m s 脚d n l l i c s 模型， 并对其路径跟踪控制系统进行设计。将液压系统的a d a m s h y d r a u l i c s 模型，利用 a d a m s c o n t r o l 模块与m a t l a b s i m u l i n k 的接口导入m a l l ；a b i s i m u l i n k ，设计 路径路径跟踪控制算法和控制器，并进行联合仿真，得到海底作业车在深海海底 路径跟踪控制的控制方法，通过仿真分析，验证控制算法的正确性，控制器的控 制精度和控制效果。本文研究的主要工作如下： 1 分析海底作业车行走控制系统的工作原理，运用a d a m s h y d r a u l i c s 软件对其 液压系统进行数学建模，分析液压系统动态特性，并运用a d a m s c o n t r o l 模 块导出能用于m a t l a b s i m u l i n k 软件的s - f u n c t i o n 模型，为下一步路径跟踪 控制算法提供理论基础。 2 提出海底作业车按预定路径行驶控制算法，设计内外环结合的路径控制器。 内环控制器以p i d 控制器为主体，对左右履带速度进行闭环控制。外环控制 硕士学位论文 第一章绪论 器以模糊逻辑控制器为主体对作业车路径进行跟踪控制。 3 将a d a m s 编制的海底作业车行驶液压系统模型文件导入m a l a b ，与 m a t l a b s i r n u l i n k 联合仿真，在加入随机干扰的情况下验证本文设计的控制 器的稳定性、可靠性和可行性。 深海多金属采矿系统的海底作业车作为集矿机的载体行走于稀软海底，受到 了海底稀软底质( 海底表层2 0 0 r a m 内的剪切强度仅0 6 k p a ) ，软管阻力，海水 阻力，海底复杂地貌等不可见和不可预知的因素的影响，导致了作业车在行驶过 程中履带打滑严重，压陷较深，难以实现海底作业车按预定路径自动行走。因此， 本文从海底作业车的行走液压系统建模和控制仿真两方面着手，通过建立其数学 模型、分析系统性能、提出控制算法和设计控制器，研究在多种干扰因素下行走 液压系统动态品质和稳态精度及控制方法，开发抗干扰性强的海底作业车自动行 驶软件，实现履带打滑的控制、履带压陷深度的减小，及履带在打滑严重和压陷 较深时所采取的措施，这将对海底作业车可按预定路径自动行走控制起着十分重 要作用，从而为海底作业车在海底复杂环境下全自动行驶提供技术参考。 硕士学位论文第二章海底作业车行走液雎系统研究 第二章海底作业车行走液压系统研究 我国多金属结核采矿中试采矿系统由集矿子系统、扬矿子系统、测控子系统 和水面支持子系统组成。行走液压系统作为集矿子系统的一部分，为履带车行走 提供动力，并利用左右履带速度差实现海底作业车转弯。海底作业车按预定轨迹 行驶的控制过程是以作业车左右履带的速度为控制对象来实现的。因此，海底作 业车的行走液压系统的性能和对其实施的控制方法直接决定了海底作业车行驶 性能。本章在对我国1 0 0 0 米海底作业车行走液压系统的工作原理进行分析的基 础上，利用a d a m s h y d r a u l i c s 动力学仿真软件对其液压系统进行了建模与仿真 研究，并且，结合试验结果与仿者结果的对比，验证了本文建立的海底作业车行 走液压系统a d a m s h y d r a u l i c s 模型的正确性。 2 1 作业车行走液压系统工作原理 我国所研制的1 0 0 0 m 履带式海底作业车在海底的行走动力由液压系统提供， 如图2 1 。1 所示。其左右履带分别由左右液压马达驱动，二个比例控制液压泵分 别驱动左右液压马达，实现马达转速即左右履带速度的闭环控制，从而实现海底 作业车在海底的自动行走，且利用左右履带的速度差实现转弯。其行走液压系统 原理图如图2 2 所示。 图2 - 1 我国1 0 0 0 m 履带式海底作业车 顿士学位论文第二童海底作业车行走液压系统研究 1 主变量泵2 定位缸3 比倒问 4 高压溢流闽5 单向阀 6 低压溢流 网7 辅助泵8 换向阀9 觚马达 图2 - 2 海底作业车行走液压系统原理图 图2 - 2 所示的液压回路中，采用电液比例阀控制定位油缸位移，改变液压泵 的斜盘倾角，从而达到调节回路流量，控制马达转速的目的。海底作业车的行走 控制，是通过调节电液比例阀和电磁换向阀控制左右履带液压马达转速和方向， 从而调节履带的速度和方向来控制海底作业车的行走因此，海底作业车的行走 控制从本质上来说就是控制左右履带液压马达转速和方向。 我国1 0 0 0 米海底作业车行走液压系统参数嘲： 主变量泵：型号为德国力士乐a 4 v g l 8 0 e p 比例变量泵，排量1 8 0 m l r ，额定 工作压力4 0 m p a ，电液比例控制，补油泵排量2 5 7 1m l r ，高压溢流阀溢流压力 3 5 m p a ，低压溢流阀压力1 $ m p a ，重量1 0 1 k g ，数量2 台。当电机转速为1 4 0 0 r p m 耐，变量泵理论流量为2 5 2i m i n 。 液压马达：型号为瑞典赫格隆c o m p a c tc a l 0 0 ，排量6 2 8l r ，转矩特性 1 0 0 n m b a r ，额定工作压力3 5 m p a ，最高转速1 9 0r m i n 马达所需调速范围 0 - - 3 0 r m i n ，流量1 8 0l m i n 。驱动轮半径0 3 2 m 。 换向阀：型号为力士乐h 4 w h l 6 c 电液换向阀，最大流量3 0 0l m i n ，通径 1 6 m m 。 硕 学位论文 第二章海底作业车行走液压系统研究 深水电机；电机功率1 8 3 k w ，转速1 4 0 0 r p m ，电压3 0 0 0 v ，频率5 0 h z ，重量 7 5 0 k g ，数量2 台。 管路直径：a 4 v g l 8 0 吸油管直径6 5 m m ，行走马达软管直径3 2 m m 2 2a d a m s h y d r a ui ic s 液压元件模型的基本假设 a d a m s h y d r a u l i c s 提供多种常用的液压元件，其中包括泵马达、单向阀、伺 服阀( 三位四通) 、换向阀( 三位四通) 、溢流阀、减压阀、平衡阀、梭阀、插装 阀( 二通) 、液压缸( 包括单作用和双作用两种形式) 、蓄能器、液压软管、结点 等。海底作业车仿真模型中采用到的a d a m s h y d r a u l i c s 元件的基本模型假设如 下； 液压泵冯达模型图如图2 3 ( a ) 所示，其假设条件为： 1 输入轴输出轴正转矩对应于泵马达的正向旋转； 2 泵马达的正向旋转对应于模型中的a b 的流量； 3 泵马达的转矩损失包括粘性转矩，内摩擦转矩和一个恒定的库仑摩擦转矩； 4 a 、b 口到t 口的泄漏特性相同； 5 泵马达没有容腔体积； 6 泵马达的质量特性属于模型的机械部分； 7 泵马达的机械运动或加速不会影响内部流体或流体运动。 三位四通伺服阀模型图如图2 3 ( b ) 所示，其假设条件为： 1 阀内没有体积； 2 两个流向( 进、出) 的流体特性相同； 3 当外部控制输入量为零时阀芯回到中位位置； 4 正向阀芯位置( o x 1 ) 连接p 口和a 口，b 口和t i z l 。负向阀芯位置( - l x p r 各端口输出流量：2 丝斧 2 坠竽 = 警 ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 2 3 2 2 比例阀的数学模型 海底作业车行走液压系统的比例阀是滑阀形式，这里只描述比例滑阀的阀芯 位置方程。 彩= 2 矾 ( 2 _ 1 4 ) 式中，m 为比例阀固有圆频率；e 鲫为比例阀本征频率( 或称固有频率) 。 比例阀位置方程的传递函数为： 工( s ) = j r ：j j o ) 二2 ；- ：二f ，( s ) ，一l x l ( 2 - 1 5 ) 式中，为阻尼比；i 为比例阀输入控制量。 比例阀模型图如图2 - 5 所示 比例阀最大通流面积： 图2 - 5 比例闽模型图 1 8 硕士学位论文第二章海底作业车行走液压系统研究 钆。；等压 k = 导压 k = 等压 缸。= 警压 缸。= 导压 ( 2 一1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 一i s ) ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 式中，q 。，p 。分别为阀芯最大开度时的流量和压差；c d 为流量系数； p 耐为参考密度 比例阀的流量模型： 埘蹦置o r i f i c ( 置，0 ，r ， 。削，p l ，n o ) 所一lo r z f i c ( 8 陌，q ，r ，4 - 肿以，n ，o ) m j r ；o r i f i ct r m 巳，r ，厶。m p p , p r , o ) 埘j r 暑o r i f i c ( 矗盯，a 。r c r 。钆盯，p ，p r ，0 ) m 一。o r i f i c ( i 0 o ，r e w ，4 m p ，- 所。o ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 2 5 ) 式中，r 为阀芯相对开度( o r 1 ) ；c d 为流量系数；r 为瞬态雷诺数； a 。为最大通流面积在a d a m s 中，默认参数值如下：r = i ，c d _ - - o 6 ，p , 。- = 5 0 。 o r i f i c 方程为软件的通用节流口方程。 2 也盖产 2 芸 1 9 硕士学位论文 第二章海底作业车行走液压系统研究 2 甍孑 。等薏垃 f 2 - 2 8 ) ( 2 2 9 ) 式中，q p 却，q 娜，q b s l p ，q r 却分别为l t p l 阀端op ，端口a ，端口b 和端 口t 在标准温度压力下的体积流量；二。，二。，二盯，j ；l 。，j ；l 。，分别为端口 p a ，p b ，p + t ，a t ，b + t 的质量流量；p 知蜘为流体在标准温度压力下 的密度。 2 4 作业车行走液压系统的建模 2 4 ，作业车行走液压系统的建模过程 采用a d a m s h y d r a u l i c s 建立海底作业车行走液压系统模型的步骤如下： ( 1 ) 设置系统的默认参数，如环境压力，节点体积等； ( 2 ) 定义f l u i d 流体参数，