海水液压可调压载系统控制策略与节能方法研究

1、海水液压可调压载系统控制策略与节能方法研究随着国际海洋资源竞争逐渐走向深远极海域, 研发具备更强机动性能、更大作业范围的潜水器已成为各海洋国家的迫切需求。可调压载系统是拓展潜水器机动性能、延长潜水器作业时间的重要子系统。海水液压可调压载系统(WHVBS,Sea Water Hydraulic VariableBallast System) 直接使用海水作为介质 , 通过海水液压元件构建的开式系统对压载水舱及海洋环境中的海水进行交换 , 较其它实现方式具有环境友好、系统简单、性能稳定、调节范围大等突出优点 , 是目前可调压载系统的主要发展方向。 但由于 WHVBS工作状态恶劣且介质污染严重 ,

2、现有 WHVBS多为开关型系统 , 只具有“额定流量排水”、“零流量”以及“额定流量注水”三种工作状态 , 不能精确地对压载水量进行控制 , 极大地降低了 WHVBS在复杂作业工况及操纵精度要求较高的应用场合下的竞争力。 同时 , 由于缺乏中间流量 , 开关型 WHVBS在对潜水器进行垂直面操纵的过程中易产生不必要的振荡 , 这会降低潜水器的操纵精度、延长调节耗时并增加系统能耗。针对上述问题 , 本文基于海水液压电磁开关阀与定量海水泵 , 提出了一种流量可控型WHVBS方案 (FCWHVB),并搭建了该方案的样机。针对 WHVBS面临的高精度与低能耗这两个突出问题 , 对 FCWHVBS建模、

3、控制策略、能耗以及节能方法进行了系统深入的理论与试验研究。论文具体研究内容如下 : 首先 , 基于潜水器通用的 6 自由度运动模型 , 归纳总结了 WHVBS对潜水器进行垂直面操纵的 2D仿真模型。并利用上述模型 , 在 3 种典型悬浮定深场景下对使用不同性能 WHVBS的潜水器进行了操纵仿真。 通过结果分析 , 揭示了 WHVBS压载控制性能与潜水器操纵精度间的对应关系 , 从而为后文的相关研究指明了方向。其后, 提出了 FCWHVBS的总体方案 , 该方案采用了抗污染能力强且可靠性高的海水液压电磁开关阀与定量油水分离式海水泵, 且可支持伺服 - 定量泵控 ( 泵控模式 ) 、低频 PWM开

4、关阀控 ( 阀控模式 ) 两种方式对 WHVBS中的压载流量进行调节。并建立了 FCWHVBS中关键元件的数学模型 , 在此基础上根据FCWHVBS实际工作流程搭建了该系统的数字仿真平台。FCWHVBS中开关阀 / 定量泵的流量调节精度差, 仅靠 FCWHVBS中流量控制元件进行压载水量开环控制无法满足潜水器的高精度操纵要求。为提高FCWHVBS的压载控制精度 , 在 FCWHVBS中引入压载水量闭环控制 , 并选择广义预测控制 (GPC)作为基本控制策略。 随后 , 为解决传统 GPC直接用于 FCWHVBS时在部分工况下的辨识参数振荡、 控制精度恶化的问题 , 针对 FCWHVBS中影响压

5、载控制精度的非线性因素 , 为泵控模式提出了一种改进型广义预测控制策略 PMIGPC,为阀控模式提出了一种基于电磁阀特性补偿的广义预测控制策略SVCGPC。并通过数字仿真平台与FCWHVBS样机试验平台 , 对 PMIGPC与 SVCGPC的有效性进行了仿真与试验验证。最后 , 为进一步优化 FCWHVBS的能效水平 , 对 FCWHVBS的能耗及节能方法开展了相关研究。基于FCWHVBS的能量流分析 , 建立了FCWHVBS的能耗计算模型。利用样机搭建了FCWHVBS能耗测试平台 ,验证了能耗计算模型的有效性, 并对泵控模式与阀控模式的能耗水平进行了对比测试。提出了一种工况自适应的泵阀复合节能控制方法,该方法能利用压载水舱内的气压以及海洋环境压力进行无动力阀控注排水 , 减少了 FCWHVBS应用过程中从“高压”往“低压”注排水时不必要的能量消耗。随后, 通过数种典型场景下的潜水器操纵仿真,对泵阀复合控制方法的节能效果进行了验证。鉴于目前国际上流量可控型 WHVBS尚无成型产品 , 本文的相关研究对流量可控型WHVBS的研发与推广应用具有重要的指导意义。同时, 本文相关成果已在“型航行器”中的海水液压均衡子系统( 即 WHVBS)与自平衡子系统中得到应用 ,