2018, Vol. 39
深海管线埋设遥控潜水器(remotely operated underwater vehicle，ROV)由于其对海洋环境的适应性强，已成为近年来主要研究的深海管线埋设技术[1-2]。改善深海管线埋设ROV的控制性能对ROV的整体研究起着关键的作用，而推进系统作为执行机构，其性能的改善对ROV的控制性能有着直接的影响[3-4]。
ROV的推进系统主要有电力推进系统和液压推进系统，深海管线埋设ROV普遍采用液压推进系统。液压推进系统又分为容积式调速系统和节流式调速系统，虽然节流式调速系统较容积式调速系统效率低，但响应速度快，因此得到了广泛的应用[5-8]。液压推进系统较电力推进系统响应速度快，但液压推进系统所固有的死区、滞环、流量非线性、系统压力波动、螺旋桨的非线性动力学特性等因素，共同造成了液压推进系统的复杂非线性特性。
霍尔转速传感器具有结构简单、噪声小、体积小、动态范围大、寿命长等优点，利用霍尔传感器测量螺旋桨转速，形成闭环控制，可以有效改善液压推进系统的性能。但比例阀非线性特性和螺旋桨转速测量误差严重影响螺旋桨转速闭环控制低速响应特性，通过改善比例阀非线性特性和提高螺旋桨转速测量精度，可以改善ROV比例阀控型液压推进系统的闭环控制性能[9-12]。
1 深海管线埋设ROV液压推进系统本文以上海交通大学研发的“神龙”深海管线埋设ROV的液压推进系统为研究对象，单推进器液压原理如图 1所示。该推进系统采用恒压变量泵，定排量马达，通过两个比例减压阀，控制马达两端的压差，驱动马达带动螺旋桨转动，产生推力[13-14]。
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| 图 1 单推进器液压原理简图 Fig. 1 The schematic diagram of hydraulic propulsion system for a single propeller | |
为了研究“神龙”ROV单桨液压推进系统的特性，搭建了如图 2所示的水池试验台架。普通PC机作为上位机，下位机由盛博公司生产的基于PC104的工控机PMI2、扩展板CSD和ADT882-AT组成。扩展板CSD提供了4个光电异步串行口用于串口通信。扩展板ADT882-AT提供了32个模拟量输入通道，8个模拟量输出通道，1个32位定时器/计数器用于A/D触发采样，采样周期为10 ms，1个16位定时器/计数器用于计数使用。利用S型拉力传感器EVT-10 A测量推力。
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| 图 2 试验台架 Fig. 2 Experiment stand | |
S型拉力传感器EVT-10 A的输出电流范围为4~20 mA，量程为-5 000~5 000 N，串联一个250 Ω的电阻后，拉力传感器量程对应的电压范围为1~5 V。则推力测量值为
| $ {{T}_{1}}=2\ 500V-7\ 500 $ | (1) |
式中：V为拉力传感器输出电压，T1为推力测量值。
试验前需对S型拉力传感器进行校正，使S型拉力传感器承受已知的拉力，测出其输出电压，试验结果如表 1所示。
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表 1 拉力传感器试验数据 Tab.1 The experiment results of thrust sensor |
利用线性函数对实验数据进行拟合，拟合结果如式(2)和图 3所示。
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| 图 3 拉力传感器试验数据拟合结果 Fig. 3 Fitting result of experimental data for thrust sensor | |
| $ {T_2} = 2\;500\;V{\rm{ - 7}}\;{\rm{980}} $ | (2) |
式中T2为推力真实值。
由式(1)和式(2)得推力真实值T2与测量值T1的关系为
| $ {{T}_{2}}={{T}_{1}}-480 $ | (3) |
通过试验测试比例减压阀的稳态性能，试验原理如图 4所示。比例阀出口端连接一个节流阀，实验过程中关闭节流阀，通过改变比例阀输入电流的大小，测量比例阀出口端压强，获得比例阀出口端压强与输入电流的关系。比例阀最大输入电流imax=550 mA，输入电流以1% imax的间隔从0增加到imax，再从imax减小到0，每个工况持续时间为1 s。试验结果如图 5中实线所示。
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| 图 4 比例阀稳态性能测试原理图 Fig. 4 Experiment principle of proportional valve in reducing pressure state | |
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| 图 5 比例阀试验结果和拟合结果 Fig. 5 Experiment and fitting results of proportional valve | |
利用三次多项式对试验数据进行拟合，拟合结果如式(4)和图 5中虚线所示。
| $ \begin{array}{l} f\left( i \right) =-1.4 \times {10^{-7}}{i^3} + 1.5 \times {10^{-4}}{i^2} - \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;3.6 \times {10^{ - 5}}i + 9.7 \times {10^{ - 1}} \end{array} $ | (4) |
式中i为比例阀输入电流。
依据比例阀说明书，当流量为0，进油口压强为24.1 MPa时，比例阀频率响应如图 6所示，利用该频响曲线对比例阀传递函数进行辨识，得动态传递函数为
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| 图 6 比例阀频率响应图 Fig. 6 Typical frequency response curves of proportional valve | |
| $ G\left( s \right) = \frac{{163.6}}{{{s^2} + 8.543s + 154.5}} $ | (5) |
设x1=pred, x2=
| $ \left\{ \begin{array}{l} \dot x = {x_2}\\ {{\dot x}_2} =-154.5{x_1}-8.543{x_2} + 163.5f\left( i \right)\\ y = {x_1} \end{array} \right. $ | (6) |
由图 5得，比例阀最大减压压强pmax=21.5 MPa。若忽略比例阀的非线性特性，比例阀的减压特性可近似为比例环节：
| $ {p_{{\rm{red}}}} = \frac{{{p_{{\rm{max}}}}}}{{{i_{{\rm{max}}}}}}i $ | (7) |
当比例阀处于溢流状态时，会使系统产生背压，影响系统性能。依据比例阀说明书，当线圈断电时，比例阀溢流压强和流量关系如图 7所示，利用三次多项式对曲线拟合，则线圈断电、比例阀处于溢流状态时，比例阀静态数学模型如式(8)所示。
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| 图 7 线圈断电时，比例阀溢流压强与流量曲线 Fig. 7 Relieving pressure vs. flow when coil de-energized | |
| $ \begin{array}{l} {p_{{\rm{ref}}}} = 1.964 \times {10^{-6}}{q^3}-1.661 \times {10^{-4}}{q^2} + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;0.116{\rm{ }}9 \times {10^{ - 2}}q + 7.196 \times {10^{ - 1}} \end{array} $ | (8) |
式中：pref为比例阀溢流压强，q为通过比例阀的流量。
3 螺旋桨转速测量本文采用霍尔传感器测量螺旋桨转速，安装结构如图 8所示。磁钢固定于主旋转轴，随螺旋桨一起转动，当磁钢通过霍尔传感器时，霍尔传感器输出感应脉冲信号，通过控制器收到的来自霍尔传感器的脉冲数来计算马达转速。
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| 图 8 霍尔传感器安装结构图 Fig. 8 Schematic diagram of Hall rotational speed sensor test device | |
常见的转速数字测量方法主要有测频率法和测周期法。测周期法是通过测量控制器收到的相邻两个脉冲之间的时间间隔t，根据时间间隔计算转速，如图 9所示。本文采用测周期法测量马达转速，则马达转速为
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| 图 9 转速数字测量方法示意图 Fig. 9 The sketch for digital measuring method of rotate speed | |
| $ n = 2\pi /\left( {mt} \right) $ | (9) |
式中m为磁钢数目。
利用Matlab对转速测量函数进行仿真，仿真结果如图 10所示。
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| 图 10 转速测量仿真结果 Fig. 10 Simulation results of rotational speed measure | |
控制器采样时间为20 ms，其中，rick为初始值为零的整数，n(k)为第k次采样时的转速值，n(k-1)为第k-1次采样时的转速值，每0.5 ms调用一次转速测量函数void velocitycal()，其函数的算法流程图如图 11所示。
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| 图 11 转速测量流程图 Fig. 11 The flowchart for measuring rotate speed | |
“神龙”ROV液压推进系统开环控制原理如图 12所示，当控制信号u>0时，驱动板1的输出电流i1>0，驱动板2的输出电流i2=0，比例减压阀1减压，出口压强为p1，比例减压阀2溢流，产生背压p2，马达正转。当控制信号u < 0时，i1=0，i2>0，比例减压阀2减压，出口压强为p2，比例减压阀1溢流，产生背压p1，马达反转。马达两端的压差Δp=p1-p2，输出扭矩为M，驱动螺旋桨转动，产生推力T(M)。
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| 图 12 液压推进系统开环控制原理 Fig. 12 Open-loop block diagram of hydraulic propulsion system | |
对开环液压推进系统进行水池试验，试验台架如图 2所示。由于驱动板、比例减压阀等元件都存在一定的非线性特性，以及系统背压，电气元件性能、液压系统参数等的不确定性，这些因素的累加导致了液压推进系统较强的非线性特性，如图 13所示。
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| 图 13 正反向斜坡信号响应(开环试验) Fig. 13 The respond to forward and reverse ramp signal (open-loop experiment) | |
为了提高液压推进系统的控制性能，可利用螺旋桨转速反馈，形成转速闭环控制。通过改善比例阀非线性特性，提高转速测量精度，可以提高转速闭环控制性能。
5.1 液压推进系统闭环控制采用螺旋桨转速反馈，形成转速闭环控制，系统结构如图 14所示，其中ng为期望转速，n为实际转速。
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| 图 14 液压推进系统闭环控制原理图 Fig. 14 Close-loop block diagram of propulsion system | |
对闭环系统进行水池试验，当输入信号为正向斜坡信号时，闭环系统的转速响应如图 15所示。
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| 图 15 转速响应(水池试验) Fig. 15 Response to rotation speed (underwater experiment) | |
对比图 15与图 13(a)可知，通过霍尔传感器测量转速，对螺旋桨转速闭环控制，可以改善推进系统的非线性特性，但螺旋桨低速转动时存在振荡现象。
5.2 改善比例阀非线性特性由图 5可知，比例阀处于减压工作状态时存在约0.90 MPa的死区特性和滞环特性。忽略比例减压阀的非线性特性，利用式(7)所示的线性比例阀模型，闭环系统采用积分控制器，积分系数取Ki=5.5，输入信号为斜坡信号，利用Matlab进行仿真试验。仿真结果如图 16(a)所示。
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| 图 16 转速响应 Fig. 16 Response to rotation speed | |
由图 11可知，采用霍尔传感器测量马达转速，存在测量误差。忽略转速测量误差，利用转速的真实值进行反馈。闭环系统采用积分控制器，积分系数取Ki=5.5，输入信号为斜坡信号，利用Matlab进行仿真试验。仿真结果如图 16(b)所示。
同时忽略比例减压阀的非线性特性与转速测量误差，采用式(7)所示的线性比例阀模型，螺旋桨转速的真实值进行反馈，闭环系统采用积分控制器，积分系数取Ki=5.5，输入信号为斜坡信号。对“神龙”ROV单桨液压推进系统进行Matlab仿真试验，仿真结果如图 16(c)所示。
通过对比图 16(a)与16(c)，图 16(b)与16(c)可知，比例减压阀的非线性特性、螺旋桨转速测量误差严重影响推进系统转速闭环控制的低速响应特性，通过改善比例减压阀的非线性特性，提高螺旋桨转速测量误差可以显著改善“神龙”ROV液压推进系统转速闭环控制低速响应时的控制性能。
6 结论1) “神龙”ROV液压推进系统具有明显的非线性特性。
2) 通过霍尔传感器测量转速，对螺旋桨转速闭环控制，可以改善推进系统的非线性特性，但螺旋桨低速转动时存在振荡现象。
3) 通过改善比例减压阀的非线性特性，提高螺旋桨转速测量误差可以显著改善“神龙”ROV液压推进系统转速闭环控制低速响应时的控制性能。
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