水下航速模拟试验装置速度伺服系统研制

摘要

潜射武器作为关键性战略装备在整个国家防务体系中占据着极为重要的位置，而模拟试验装备作为潜射武器研制过程中的重要辅助设备，相关技术的发展也具有十分重要的研究价值。本文根据中国海军重点研究保障项目---“水下航速模拟试验装置”项目的要求，结合实际应用环境对水下航速模拟试验装置进行了深入分析，研究并搭建了水下航速模拟试验装置速度伺服系统。 首先，根据陆基水池弹射试验的任务需求，进行了包括柔性拖曳机构、液压驱动系统、水面控制台以及水下测速计信号采集系统等子系统的水下航速模拟试验装置及其速度伺服系统总体方案设计。另外，针对实际应用场景，综合考虑可行性、可靠性、稳定性以及实现成本，分别设计了水密耐压箱、水下嵌入式计算机、脉冲采集板等专用设备。 其次，针对航速模拟小车速度测量、绞车速度测量和张力测量需求，考虑到实际使用环境的特殊性以及机械结构的限制，本文分别研究并设计了基于机械脉冲测量的水下航速模拟小车速度测量装置、基于码盘的绞车速度测量装置以及基于轴销张力传感器的绞车缆绳拉力测量方法，完成了速度伺服系统控制闭环中的反馈量采集任务，为航速模拟小车高精度速度伺服控制的实现提供了硬件基础。 接着，通过对试验装置液压驱动系统特性的分析，在考虑柔性拖曳机构特性、外负载特性和水下航速模拟小车运动特性的情况下，建立了基于阀芯控制的速度伺服系统传递函数模型及状态空间模型。其中，着重分析了作为液压动力源的蓄能器以及控制液压马达流量的电液伺服阀对于速度伺服系统稳定性的影响。 然后，针对水下航速模拟试验装置的柔性变负载、大惯量、参数时变、滞后非线性等特点，对航速模拟小车的速度伺服提出了F+PID复合控制算法。该控制算法的模糊控制部分在基于以往实际控制经验抽象得出的模糊规则基础上，针对液压系统存在的大惯性负载启动冲击优化了阀芯启动曲线，降低了大惯性负载启动冲击对液压系统造成的影响。另外，为应对航速模拟小车匀速段存在的负载冲击，借鉴Smith预估补偿方法的思想，在此阶段的控制中加入冲击补偿模块，经数学仿真验证，获得良好控制效果。 最后，针对试验设备研制与速度伺服系统研制速度不同步，无法进行全系统联调试验的问题，本文搭建了半实物仿真系统，用以模拟执行机构及控制对象特性。通过将半实物实时系统与速度伺服系统中的实际物理控制设备进行连接，对整个速度伺服系统的体系结构、控制功能及可靠性进行验证。当完成现场设备安装和系统联调工作后，最终完成水下发射试验。

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