一种作业型水下机器人液压推进器的推力控制仿真系统

摘要

本发明公开了一种作业型水下机器人液压推进器的推力控制仿真系统。将期望推力输入到放大器1后，得到控制电压；将控制电压传送给放大器2后，输出控制电流给电液伺服阀传递函数模型，得到伺服阀阀芯位移传送给阀控液压马达传递函数模型，输出液压马达两端油液压力差给马达排量模块，输出扭矩；将螺旋桨的进速和反馈转速，输入到螺旋桨转矩及推力系数计算模型，得到转矩系数和推力系数，传送给螺旋桨推进器动力学系统模型；螺旋桨推进器动力学系统模型计算出推进器的推力和反馈转速。本发明具有在海流速度及ROV运动速度变化时，液压推进器的推力稳定输出的优点。

说明书

技术领域

本发明属于无人水下机器人运动控制技术领域，尤其涉及针对过驱动作业型遥控水下机 器人(ROV—RemotelyOperatedVehicle)的，一种作业型水下机器人液压推进器的推力控制 仿真系统。

背景技术

作业型ROV的最大特点是能在危险深海环境中完成高强度、大负荷和高精度作业，它是 我国实施深海资源开发战略不可或缺的重大技术装备之一。开发作业型ROV仿真训练模拟 器，可在虚拟环境中对作业人员进行岗位培训，并对水下作业进行预演，提高作业效率及安 全性，具有重要的工程价值和现实意义。

为了保证较强的水下作业能力，作业型ROV通常是过驱动型的，即所安装推进器的个数 大于其所要控制的自由度数。本发明中所研究的ROV安装8个成矢量布置型式的液压螺旋桨 推进器。为了实现作业型ROV六自由度运动控制，需要同时控制8个推进器动作，这属于典 型的过驱动推力分配问题。同时，由于液压推进器的执行存在较大的滞后特性，研究液压推 进器的推力控制仿真系统，对研究作业型ROV仿真训练模拟器具有重要的工程价值。因此， 液压推进器的推力控制仿真系统成了开发作业型ROV仿真训练模拟器的关键技术之一。

目前，水下机器人推进器的推力控制通常是通过直接控制螺旋桨的转速来实现的。然而， 由于海底海流流速或ROV运动速度的变化，会导致螺旋桨进速系数的改变，进一步会导致推 进器的转矩系数和推力系数的变化，如果直接采用转速反馈来调节推进器的推力，难以实现 推力的稳定输出，也就难以实现作业型ROV的稳定控制。目前，由于技术比较敏感，国内外 公开资料很少有公开关于作业型ROV推进系统的控制仿真技术方面的相关文献与资料。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高稳定性的，作业型水下机器人液压推进器的推力控制 仿真系统。

一种作业型水下机器人液压推进器的推力控制仿真系统，包括放大器1、放大器2、电液 伺服阀传递函数模型、阀控液压马达传递函数模型、马达排量模块D_M、螺旋桨推进器动力学 系统模型、螺旋桨转矩及推力系数计算模型；

将期望推力T₁输入到放大器1后，得到控制电压u_T；将控制电压u_T传送给放大器2后， 输出控制电流i给电液伺服阀传递函数模型，得到伺服阀阀芯位移x_v传送给阀控液压马达传 递函数模型，输出液压马达两端油液压力差p_L给马达排量模块D_M，输出扭矩T_g；

将螺旋桨的进速V_A和反馈转速n，输入到螺旋桨转矩及推力系数计算模型，得到转矩系 数K_Q和推力系数K_T，传送给螺旋桨推进器动力学系统模型；

螺旋桨推进器动力学系统模型根据接收的扭矩T_g、转矩系数K_Q和推力系数K_T，计算出推 进器的推力T和反馈转速n，将反馈转速n传送给螺旋桨转矩及推力系数计算模型，推进器的 推力T为输出结果。

本发明一种作业型水下机器人液压推进器的推力控制仿真系统，还可以包括：

1、电液伺服阀传递函数模型为：

$G_1\left(s\right)=\frac{K_{sv}}{T_{v}s+1}$

其中K_sv——伺服阀增益；T_v——伺服阀常数；

阀控液压马达传递函数模型为：

$G_2\left(s\right)=\frac{p_L}{X_v}=\frac{\frac{K_q}{D_M^2}Js+\frac{K_q}{D_M^2}{B}_M}{\frac{V_{t}J}{4{\beta }_e{D}_M^2}{s}^2+(\frac{{\mathrm{JK}}_{ce}}{D_M^2}+\frac{B_M{V}_t}{4{\beta }_e{D}_M^2})s+(1+\frac{B_M{K}_{ce}}{D_M^2})}$

其中，p_L——液压马达高压油路和低压油路的压力值之差；X_v——电液伺服阀阀芯移动 距离，为x_v的幅值；K_q——流量增益；D_M——液压马达的理论排量；V_t——阀腔、马达腔 和连接管道的总容积；β_e——等效体积弹性模量；B_M——负载和液压马达的粘性阻尼系数； J——液压马达和负载的总惯性量，负载为螺旋桨转矩；K_ce——总的流量或压力系数。

2、螺旋桨推进器动力学系统模型为：

$T_g=J\frac{d^2\theta }{{\mathrm{dt}}^2}+B_M\frac{d\theta }{dt}+T_L$

Q＝K_Qρn²D⁵

T＝K_Tρn²D⁴

其中：T_L——作用在液压马达的外负载力矩，外负载力矩即为螺旋桨的扭矩Q；Q——螺旋桨扭矩；K_Q——螺旋桨转矩系数；ρ——海水密度；n——螺旋桨的转 速；D——螺旋桨的直径；K_T——螺旋桨推力系数。

有益效果：

本发明建立了一种作业型ROV液压推进器的推力控制系统的数学模型及仿真模型，提出 了一种通过控制液压马达的两端油液压力来间接控制螺旋桨输出稳定推力的方法。通过控制 液压马达两端油液压力差，可实现液压推进器的螺旋桨负载力矩和推力控制；可实现在不同 水流进速条件下液压推进器的稳定推力控制仿真。

本发明中的液压推进器的推力控制仿真系统具有结构简单、使用方便，可以比较真实的描 述作业型ROV液压推进器内部控制体系结构，可以逼真模拟作业型ROV运动控制过程中的 液压推进器的动态响应过程，可实现在海流速度及ROV运动速度变化时，液压推进器的推力 稳定输出等优点。

附图说明

图1作业型ROV液压推进器的推力控制仿真系统；

图2电液伺服阀控制液压马达传递函数的原理图；

图3电液伺服阀控制液压马达的主要技术参数表。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明目的在于提供一种可应用于作业型ROV液压推进器的推力控制仿真系统。如图1 所示：本发明包括：放大器1、放大器2、电液伺服阀传递函数模型、阀控液压马达的传递函 数模型、螺旋桨推进器动力学系统模型、螺旋桨转矩及推力系数计算模型等。本专利建立了 一种作业型ROV液压推进器的推力控制系统的数学模型，提出一种通过控制液压马达的两端 油液压力来间接控制螺旋桨输出推力的方法，在海底海流速度或ROV运动速度变化而导致螺 旋桨的进速系数发生变化时，能够自动调节螺旋桨的转速，来达到液压推进器的稳定推力输 出的目的。

本发明的目的是这样实现的：如图1所示，作业型ROV控制器输出某个推进器的期望推 力T₁；T₁输入到放大器1后，按照式(1)计算输出控制电压u_T；u_T输入到放大器2后，按照式 (2)计算输出控制电流i；i输入到电液伺服阀传递函数模型后，按照式(3)输出伺服阀阀芯位移 x_v；x_v输入到阀控液压马达传递函数模型后，按照式(4)输出液压马达两端油液压力差p_L；p_L输入到马达排量模块D_M后，按照式(5)输出扭矩T_g；T_g和螺旋桨的转矩系数K_Q及推力系数K_T输入螺旋桨推进器动力学系统后，按照式(6)-(8)输出推进器的转速n及推力T。

如图1所示，螺旋桨的转矩系数K_Q及推力系数K_T是这样计算的：将螺旋桨的进速V_A和 螺旋桨的反馈转速n，输入到螺旋桨转矩及推力系数计算模块，根据公式(9)，得到螺旋桨的 进速系数J；对于几何形状一定的螺旋桨而言，推力系数K_T与转矩系数K_Q仅与进速系数J有 关，K_Q、K_T与J之间的曲线成为螺旋桨的特性曲线。可根据所研究具体推进器的螺旋桨特 性曲线，建立螺旋桨K_Q、K_T和进速系数J之间关系数据库，根据实时计算得到进速系数J， 实时查找数据库，即可得到转矩系数K_Q和推力系数K_T。

由式(6)-(7)可以看出：当时，由于螺旋桨的粘性阻尼力矩系数B_M很小，可以认为当 螺旋桨的进速系数发生变化时，螺旋桨输出扭矩Q基本保持不变，即Q近似等于液压马达的 输出力矩T_g。根据常见螺旋桨的特性曲线图，转矩系数K_Q和推力系数K_T基本成线性关系。 当螺旋桨转矩Q能够保持稳定输出，螺旋桨输出推力T也能保持稳定。这样就实现了在液压 马达油液压力一定时，即使螺旋桨的进速发生变化，能达到液压推进器的输出稳定推力的目 的。

本发明所设计的作业型ROV的液压推进器的推力控制仿真系统具有结构简单、层次清 晰、使用方便，可以比较真实的描述实际电液伺服阀控制的液压螺旋桨推进器的内部控制体 系结构，具有能够准确的模拟实际作业型ROV的液压推进器的推力控制功能及动态控制过程 的特点。

放大器1可视为比例环节，按照下式计算：

$K_T=\frac{U_{\tau }}{T_1}---\left(1\right)$

式中：U_T——控制电压，为u_T的幅值。

伺服阀驱动电路——伺服放大器为高阻抗输出电压-电流转换器，频带比液压固有频率高 得多，可将其简化为比例环节，放大器2可用下式表示：

$K_a=\frac{I}{U_T}---\left(2\right)$

式中：I——为伺服阀控制电流，为i的幅值。

电液伺服阀传递函数可视为一个惯性环节，可表示为：

$G_1\left(s\right)=\frac{K_{sv}}{T_{v}s+1}---\left(3\right)$

式中：K_sv——伺服阀增益；T_v——伺服阀常数。

阀控液压马达的传递函数可用下式表示：

$G_2\left(s\right)=\frac{p_L}{X_v}=\frac{\frac{K_q}{D_M^2}Js+\frac{K_q}{D_M^2}{B}_M}{\frac{V_{t}J}{4{\beta }_e{D}_M^2}{s}^2+(\frac{{\mathrm{JK}}_{ce}}{D_M^2}+\frac{B_M{V}_t}{4{\beta }_e{D}_M^2})s+(1+\frac{B_M{K}_{ce}}{D_M^2})}---\left(4\right)$

式中：p_L——液压马达高压油路和低压油路的压力值之差；X_v——电液伺服阀阀芯移动距 离，为x_v的幅值；K_q——流量增益；D_M——液压马达的理论排量；V_t——阀腔、马达腔和 连接管道的总容积；β_e——等效体积弹性模量；B_M——负载和液压马达的粘性阻尼系数；J ——液压马达和负载的总惯性量，此处负载为螺旋桨转矩；K_ce——总的流量/压力系数。

由图2可以看出电液伺服阀控制液压马达的基本组成框图，图2中各参数意义如下：Q₁— —液压马达总流量；C_tc——液压缸的总泄露系数；Q_L——负载油液流量；θ——液压马达角 位移；——液压马达角速度。

液压马达的输出力矩可按下式计算：

T_g＝D_Mp_L(5)

式中：T_g——液压马达的输出扭矩，即驱动力矩。

液压马达和负载力矩的平衡方程为：

$T_g=J\frac{d^2\theta }{{\mathrm{dt}}^2}+B_M\frac{d\theta }{dt}+T_L---\left(6\right)$

式中：T_L——作用在液压马达的外负载力矩，对于液压推进器来说，外负载力矩即为螺旋桨 的扭矩Q；$\stackrel{··}{\theta }=\frac{d^2\theta }{{\mathrm{dt}}^2};\stackrel{·}{\theta }=\frac{d\theta }{dt}.$

螺旋桨扭矩可用下式计算：

Q＝K_Qρn²D⁵(7)

式中：Q——螺旋桨扭矩；K_Q——螺旋桨转矩系数；ρ——海水密度；n——螺旋桨的转速； D——螺旋桨的直径；

螺旋桨推力可用下式计算：

T＝K_Tρn²D⁴(8)

式中：K_T——螺旋桨推力系数。

螺旋桨的进速系数按下式计算：

$J=\frac{V_A}{nD}---\left(9\right)$

式中：n——螺旋桨转速；V_A——螺旋桨的进速，即为螺旋桨的纵向进水速度。

一种作业型水下机器人的液压推进器的推力控制仿真系统，建立一种电液伺服阀控制的 液压螺旋桨推进器的动力学系统模型，提出了一种通过控制液压马达的两端油液压力来间接 控制螺旋桨推力输出的方法。本发明可比较真实的仿真电液伺服阀控制液压推进器的动态响 应过程；通过控制液压马达两端油液压力差，可实现液压推进器的螺旋桨负载力矩和推力控 制；可实现在不同水流进速条件下液压推进器的稳定推力控制仿真。

建立阀控液压马达的传递函数模型，将输入期望推力转换成液压马达两端油液压力；建 立液压螺旋桨推进器动力学系统模型，将油液压力转化为液压马达的扭矩输出，用这个扭矩 来调节螺旋桨的转速，进而间接控制螺旋桨的输出推力。

在期望推力值一定时，液压马达输出扭矩保持可保持稳定输出，根据液压马达和负载力 矩的平衡方程，进而可使螺旋桨负载扭矩保持稳定输出，也就实现了螺旋桨推力的稳定输出 控制。

在期望推力值一定条件下，液压马达输出扭矩保持可保持稳定输出；在期望推力不变条 件下，当螺旋桨的水流进速改变时，通过自动调节螺旋桨的转速值，使螺旋桨的输出扭矩基 本保持稳定，进而实现螺旋桨的稳定推力控制。

下面给出本发明专利的实施方式，并结合附图1-3加以说明：首先根据图1中的作业型 ROV液压推进器的推力控制仿真系统的结构图，在matlab中建立放大器1、放大器2、电液 伺服阀传递函数模型、阀控液压马达的传递函数模型、螺旋桨推进器动力学系统模型、螺旋 桨转矩及推力系数计算模型。

本发明以SMD公司的作业型ROV所安装的推进器为研究对象，来说明液压推进器的推 力控制仿真系统的参数计算方法。推进器的型号为CurvetechHT-380BA-32，采用马达为 Rexroth公司斜轴式轴向柱塞定量液压马达，具体参数参考相关资料。推进器的推力输出范围 为[-600kg,600kg]；放大器1的电压输出范围为[-5V,+5V]；放大器2输出电流范围为 [-50mA,+50mA；]电液伺服阀输出阀芯位移范围为[-5mm,+5mm]，液压马达两端的压力输 出范围为[-30MPa,+30MPa]，马达固定排量为32cc/min。推进器的螺旋桨进速系数、推力系 数及扭矩系数参见HT-380BA-32推进器的特性曲线图，并建立螺旋桨进速系数和推力及扭矩 系数之间数据库。阀控液压马达的主要技术参数可参见图3。将上述参数代入公式(1)-(9)，可 计算出各环节增益系数及传递函数。

液压马达的排量为：

$D_M=32cc/r=\frac{32\times {10}^{-6}}{2\pi }=5.1\times {10}^{-6}{m}^3/rad$

由推进器的特性曲线图，并可参见HT-380BA-32型推进器相关资料，螺旋桨的水流进速 为0时，在压力为250Bar时，由式(5)计算推进器输出的扭矩为：

T_g＝25×10⁶×5×10^-6＝125N·m

根据HT-380BA-32推进器相关资料，由式(8)可得：

$K_T=\frac{T}{{\mathrm{\rho n}}^2{D}^4}=\frac{500\times 10}{1000\times {26}^2\times {0.38}^4}=0.355$

根据HT-380BA-32推进器的特性曲线图，由公式(6)可计算出参数如下：

B_M＝0.02

K_Q＝0.0232

将相关参数代入式(4)，可得电液伺服阀的传递函数为：

$G_1\left(s\right)=\frac{K_{sv}}{T_{v}s+1}=\frac{0.1}{4.7s+1}$

将相关参数代入式(4)，则阀控液压马达的传递函数为：

$G_2\left(s\right)=\frac{p_L}{X_v}=\frac{4.7(s+0.21)}{s^2+2\times 0.49\times 24s+{24}^2}\times {10}^{12}$

对于液压推进器来说，可以认为外负载力矩为螺旋桨的负载扭矩，即T_L＝Q，由式(5) 可得下式成立：

$T_g=J\frac{d^2\theta }{{\mathrm{dt}}^2}+B_M\frac{d\theta }{dt}+K_Q\rho {\left(\frac{\theta }{2\pi }\right)}^2{D}^5---\left(10\right)$

$n=\frac{\theta }{2\pi }---\left(11\right)$

由式(5)和(10)可以看出，当控制液压马达两端油液压力稳定时，则马达输出扭矩T_g一 定。由式(10)可以看出：当螺旋桨进速系数变化时，K_Q也发生变化，则可自动调节螺旋桨 转速来达到上式(10)的平衡。当时，根据式(10)-(11)，可得下式成立：

$T_g=B_M\frac{d\theta }{dt}+K_Q\rho {\left(\frac{\theta }{2\pi }\right)}^2{D}^5---\left(12\right)$

由式(12)可以看出：由于螺旋桨的粘性阻尼系数B_M很小，可以认为当螺旋桨的进速系数 发生变化时，螺旋桨输出扭矩Q基本保持不变，即Q近似等于液压马达的输出力矩T_g。根据 HT-380BA-32推进器的特性曲线图，转矩系数K_Q和推力系数K_T基本成线性关系。当螺旋桨 转矩Q能够保持稳定输出，螺旋桨输出推力T也能保持稳定。

在以上模块各自功能调试及联调无误后，在Matlab中运行仿真程序后，通过给定推进器 一个期望推力值，并设定一个给定的螺旋桨进速值，可以看出输出推力值能够跟踪上期望推 力值。当推力器的期望推力值保持不变，调节螺旋桨的进速值大小，可以看出螺旋桨的转速 的变化，而推进器的输出扭矩和推力在很短的时间内恢复到期望推力值附近，保持了稳定的 推力输出。本发明的液压推进器推力控制仿真系统最终应用在作业型ROV仿真训练模拟器的 设计中。

本发明属于无人水下机器人运动控制技术领域，具体涉及一种作业型水下机器人 (ROV—RemotelyOperatedVehicle)液压推进器的推力控制仿真系统的设计方法，包括：放 大器1、放大器2、电液伺服阀传递函数模型、阀控液压马达的传递函数模型、螺旋桨推进器 动力学系统模型、螺旋桨转矩及推力系数计算模型等。本发明可实现以下功能：可较真实的 仿真模拟作业型ROV的电液伺服阀控制的液压马达及螺旋桨的动态响应过程；提出了一种通 过控制液压马达的两端油液压力来间接控制螺旋桨推力输出的方法；实现在水下机器人运动 速度或海流速度变化条件下，液压推进器的稳定推力输出控制。本发明中的液压推进器的推 力控制仿真系统具有结构简单、使用方便，可以比较真实的描述作业型ROV液压推进器内部 控制体系结构，可以逼真模拟作业型ROV运动控制过程中的液压推进器的动态响应过程，可 实现在海流速度及ROV运动速度变化时，液压推进器的推力稳定输出等优点。