详情

原文传递海水式浮力调节系统及其控制技术研究

论文题名：	海水式浮力调节系统及其控制技术研究
关键词：	水下运载器;浮力调节系统;模糊PID控制器;定量充排水;ATmega128芯片
摘要：	随着陆地资源的逐渐减少，世界各国把目光投向了海洋特别是深海，而水下运载器作为探索海洋的重要工具，其技术日益向长航程、多功能、大潜深以及智能化等多元化方向发展。在复杂的深海环境中，浮力调节系统可以代替垂向推进器，在水下运载器进行无动力升沉、定深控制等方面起到至关重要的作用。而海水式浮力调节系统相比其它浮力调节方式具有调节范围大、能重复利用等特点，同时由于该系统的工作介质为海水，极大地提高了水下运载器进行调节浮力的效率，国内外很多大深度的水下运载器都搭载了这种形式的浮力调节系统。由于组成该系统的水液压元件如高压泵、高压阀等很稀缺，研究的技术难度也较大比如耐海水腐蚀、高压动密封等问题，于是对海水式浮力调节系统的研究具有重要的研究意义和实用价值，本文主要研究以下内容：　　(1)分析国内外浮力调节系统及水液压元件的研究现状，以海水泵式浮力调节系统的基本原理为基础，为了避开高压海水泵、海水阀难以购买等问题，经过分析原理流程，本文提出一种能够工作于大深度海洋环境的海水式浮力调节方案，同时研究分析了该方案的工作原理及流程，研制试验装置和平台。　　(2)根据海水式浮力调节系统的工作特点和使用环境，对系统中的三个关键技术即海水切换阀、动力源以及高压动密封进行研究。针对本系统中海水切换阀的问题，由于在高压情况下电磁阀阀杆动密封导致的摩擦力较大，只能舍弃常规的开关电磁阀方案，研制一种由电动执行器驱动高压三通球阀的方案，使其能达到高压密封要求，同时双方向可以作用即无进出口方向的限制；针对高压海水泵很稀少，即便存在大压力的海水泵，也受浮力调节系统尺寸和重量的限制，难以直接用高压海水泵作为动力源，为此本文研制由齿轮油泵驱动海水增压泵的方式作为该系统的动力源，不仅能满足本系统的设计要求，同时也为更大深度浮力调节系统动力源问题的解决，提供一种参考；本系统中共有两处动密封需要解决即电机-齿轮油泵的连接传动和电动执行器-高压球阀的连接传动，针对深海环境下的高压动密封问题，本文通过对各自连接配合处的结构研究，用耐压密封舱端面的静密封代替连接传动处的动密封，并对该方案的密封性进行实验验证。　　(3)为了保证海水式浮力调节系统的控制精度，本文通过对该系统的各组成部分进行分析，进而建立系统总体数学模型及其传递函数，研究用于定量充排水的PID控制器和模糊PID控制器，并使用Matlab分别对其进行模拟仿真，对不同控制器下系统的阶跃响应特性、正弦跟随特性以及阶跃抗干扰特性进行对比分析，最终得到海水式浮力调节系统的控制策略，从而实现该系统定量充排水的精确控制。　　(4)为了验证本文在研究海水式浮力调节系统过程中一些分析设计的可行性、有效性，对该系统各部分进行相关的实验研究例如耐压密封实验、液位计标定实验等，为了验证该系统的浮力调节性能，利用本文所研制的海水式浮力调节实验平台以及以ATmega128为核心控制芯片的定量充排水控制系统，通过外加模拟负载装置，分别在陆地和水池进行相关实验研究。
作者：	张杰
专业：	机械电子工程
导师：	张铭钧
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文