深海ROV液压推进系统的稳定性和控制方法研究

摘要

液压推进系统作为ROV(Remotely Operated Vehicle)控制系统的重要组成部分，其性能直接影响机器人运动和作业能力。本文在国家高技术研究发展计划4500米级深海作业系统的资助下成功研制了国内首套应用于4500米级ROV-“海马号”ROV的液压推进系统，其各方面性能满足相应的指标要求，并于2014年4月在南海通过了海试验收。液压推进作为关键核心技术之一，助力“海马号”ROV入选2014年中国十大科技进展新闻（排名第二）。文中重点研究了电液比例减压阀控式液压推进系统的稳定性及其控制方法，取得以下研究结论和创新成果:
　　(1)针对深海ROV推进减压阀控螺旋桨环节稳定性差的问题，系统地研究了有效弹性模量和液压油粘度等系统参数对稳定性的影响，提出了进出口压力复合控制方法，海试结果验证了该方法的有效性。采用线性化方法分析建模，在螺旋桨工作点附近建立减压阀先导级和主阀级的传递函数，并通过仿真和试验重点研究了液压系统参数对减压阀稳定性的影响。该套系统在“海马号”ROV中得到成功应用，可替代常规的伺服阀或变量马达控制。该系统及其分析方法也适用于工程机械中大惯量执行器件的驱动控制。
　　(2)针对电液比例式推进系统存在液压系统强非线性、易受外界温度压力以及水动力性能变化引起的参数不确定性的问题，提出了一种自适应反演滑模控制方法。该方法结合实验辨识和自适应参数控制器设计方法分别对电液比例复杂耦合系统和不确定系统参数进行简化分析和在线估计，使用李雅普诺夫稳定性理论保证了系统全局渐近稳定以及系统状态的有界性。通过与传统PID控制器的仿真和实验对比，验证了自适应反演滑模控制器对参数变化以及未知外界干扰具有较强的鲁棒性，可以很好地跟踪螺旋桨转速参考轨迹，获得较好的稳态控制精度和动态性能。
　　(3)针对减压阀控螺旋桨ROV运动系统的强非线性问题，提出了一种非线性滑模控制器与PID控制相结合的混合控制方法用于ROV的定向定深控制，可减小液压推进器转速和推力不一致引起的负面影响。在MATLAB/Simulink中建立了ROV的六自由度非线性模型，并模拟了ROV在水面运动及水下作业时的各种工况。仿真结果表明，比常规PID控制器相比，所提出的非线性和线性混合控制器可显著减小由ROV液压推进器转速和推力不一致引起的姿态角波动，减小由此带来的ROV位置偏移量变化。非线性控制器使推进器有更平稳的转速和更快的响应速度，从而从根本上提高ROV的动态响应和控制精度。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 ROV推进系统综述

1．2．1 ROV推进系统分类及应用

1．2．2 ROV推进器研究综述

1．2．3 ROV推进系统发展回顾

1．3 ROV液压推进系统及其相关技术发展综述

1．3．1 ROV液压推进系统研究综述

1．3．2 ROV液压推进系统控制阀技术研究综述

1．3．3 ROV推进系统控制方法综述

1．4 课题研究意义、难点与内容

1．4．1 课题研究意义

1．4．2 课题研究难点

1．4．3 课题研究内容及论文章节安排

第2章 深海ROV液压推进系统

2．1 研究背景

2．2 深海ROV液压推进系统的各部分分系统组成

2．2．1 ROV液压泵站

2．2．2 压力补偿系统

2．2．3 推进器阀箱

2．2．4 液压推进控制系统

2．2．5 液压推进器

2．3 本章小结

第3章 电液比例式推进系统建模及试验研究

3．1 深海ROV液压推进系统控制

3．2 先导式比例减压／溢流阀建模

3．2．1 比例减压阀／溢流结构和工作原理

3．2．2 主阀模型

3．2．3 先导级模型

3．2．4 比例阀仿真与试验

3．3 推进器建模

3．3．1 推进器稳态模型

3．3．2 推进器动态模型

3．4 本章小结

第4章 比例减压阀控定量马达的开环稳定性研究

4．1 减压阀控制的稳定性问题

4．2 减压阀模型线性化

4．2．1 先导阀线性化分析

4．2．2 主阀线性化分析

4．3 仿真研究

4．4 试验研究

4．4．1 试验台架

4．4．2 弹性模量和粘度对稳定性的影响

4．4．3 系统压力和背压变化对稳定性的影响

4．5 本章小结

第5章 液压推进系统的自适应反演滑模控制方法研究

5．1 控制问题及研究目标

5．2 比例阀控桨系统模型简化

5．3 自适应反演滑模控制器设计

5．4 仿真与试验研究

5．4．1 仿真研究

5．4．2 试验研究

5．5 本章小结

第6章 深海液压推进ROV运动控制方法研究

6．1 研究背景

6．2 深海ROV六自由度建模

6．2．1 ROV运动坐标系及坐标变换

6．2．2 ROV动力学方程

6．2．3 推进系统布置

6．3 控制系统设计

6．3．1 模型简化

6．3．2 控制器设计

6．4 仿真研究

6．4．1 仿真模型

6．4．2 仿真结果

6．5 本章小结

第7章 总结

7．1 论文总结

7．2 创新点

7．3 研究展望

参考文献

作者简介