水下浮力调节系统设计及模拟实验技术研究

摘要

海洋的总面积为3.6?108平方公里，占地球总面积的70.8％，储藏着丰富的生物资源、海洋能源和矿物资源。随着海洋开发进程的加快和海洋技术的不断发展，更多的水下航行器将会被投入到海洋开发中。浮力调节系统作为水下航行器大潜深升沉运动及姿态调整的动力源受到研究者的关注，研究浮力调节技术及其岸上模拟实验对提高水下航行器的技术水平、加快其实用化进程具有重要的研究意义和实用价值。　　本文针对高压海水泵的流量均大于15L/min，不适应本文研究的水下航行器用浮力调节液压系统的问题，研制了增压海水泵式浮力调节液压系统，并对该系统进行试验研究。针对浮力调节系统在深水高压时，水的流量不易控制从而影响浮力调节的精度的问题，本文研制压力平衡阀，并通过深水高压模拟实验来验证该阀的性能。为模拟深水高压环境，本文研制了浮力调节系统模拟实验台，针对模拟实验台水路压力控制问题，提出了采用油水转换缸的方案。针对浮力调节模拟实验系统中的压力控制问题，采用模糊自适应PID控制技术，并进行仿真实验验证。　　本文针对水下浮力调节液压系统及其模拟实验技术，主要进行了以下研究工作：　　(1)分析国内外浮力调节系统及其模拟实验技术的研究现状，总结了浮力调节系统及其模拟实验系统的研究现状，得到了以前的浮力调节系统不足，为引出本文浮力调节系统做了铺垫。分析了国内外模拟实验系统控制技术，得出。　　(2)研究增压海水泵式浮力调节系统，针对课题研究内容和浮力调节系统研究现状进行总体方案分析与论证，总结了方案设计的技术难点和设计重点。本文高压海水泵不能适应本文的浮力调节系统的问题，提出了采用增压水泵二级增压的方式，通过油路带动水路来实现高压海水泵的功能，并通过压力实验来验证该方式的可行性。针对本文浮力调节系统深水换向阀需要双向导通，但是市面上海水电磁阀多为单向导通的问题，研制了三通球阀，通过两个三通球阀来实现一个两位四通换向阀的功能，并通过实验验证其可以满足功能要求。针对开关阀、耐压水舱等进行了耐腐蚀设计和强度分析，研制了浮力调节的整体液压系统及其承载装置。　　(3)研究浮力调节系统的关键部件压力平衡阀。为保证浮力调节系统的流量可控，由于市场上没有高压海水压力平衡阀产品，在浮力调节液压系统总体方案确定之后，需要自行研制压力平衡阀。本文设计了带有二级节流口的锥阀结构，应用AMESim软件建立压力平衡阀的仿真模型，根据不同阀芯形式的仿真模型进行仿真分析，加工压力平衡阀并对阀进行开启压力与流量测量的实验，通过实验验证二级节流口锥阀的性能。对压力平衡阀的阀芯直径尺寸进行优化，通过仿真进行对比分析，得出阀芯直径的优化尺寸，通过实验验证仿真实验结果的可信性。　　(4)为验证浮力调节系统对海洋环境的适应性，自行研制了浮力调节模拟实验系统，模拟深水大外压的海洋环境，建立了该系统的数学模型。由于浮力调节模拟实验系统存在流量和压力脉动，为了提高模拟实验系统的压力精度，本文采用模糊自适应PID控制算法，设计了模糊自适应PID压力控制器。通过仿真实验对比分析模糊自适应PID与PID两种控制方法的控制性能。　　(5)自行研制了浮力调节模拟实验加压系统的实验平台，完成了模拟实验台的总体液压系统、上位机控制界面和下位机硬件系统，采用不同控制算法对模拟实验平台进行了压力控制实验、压力跟踪实验。通过对比实验，来验证模糊自适应PID控制的有效性和可行性。本文使用模拟实验平台对浮力调节系统进行定深实验，测量浮力调节系统在不同压力的流量。对浮力调节系统的线性精度进行了实验研究，以验证浮力调节系统的整体性能指标。最后对比分析了实验与仿真的不同，并分析了产生不同的原因。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 浮力调节系统研究综述

1.3浮力调节系统的模拟实验技术研究概述

1.4论文主要研究内容

第2章 增压海水泵式浮力调节系统设计研究

2.1 引言

2.2 浮力调节系统总体方案研究

2.3 浮力调节系统研究

2.4 本章小结

第3章 浮力调节系统压力平衡阀设计与仿真实验研究

3.1 引言

3.2 压力平衡阀的设计

3.3 压力平衡阀的仿真分析

3.4 压力平衡阀的实验测试

3.5 本章小结

第4章 浮力调节模拟实验系统控制技术研究

4.1 引言

4.2 模拟实验系统数学模型建立

4.3 模拟实验系统控制器设计

4.4 模糊自适应PID控制与PID控制的模拟实验仿真分析

4.5 本章小结

第5章 浮力调节系统模拟实验研究

5.1 引言

5.2 模拟实验平台研制

5.3 模拟浮力调节系统实验研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢