Chinese Journal of Ship Research
基于泵控液压舵机的潜艇深度及纵倾控制
Abstract： This study aims to research submarine motion control features in different conditions and com⁃ plex environments in order to solve the problem of actual submarine control and apply it to building an actu⁃ al hydraulic control platform. The paper focuses on the vertical motion of submarines, designs a fast termi⁃ nal sliding mode control algorithm and analyzes the data using the combined simulation and experiment method to study the robustness and reliability of a submarine's vertical motion control system for hydraulic and control. At the same time, the simulation and experiment results analyze the hysteresis and oscillation of the hydraulic steering gear, and effectively reduce the chattering that may be caused by sliding mode variable structure control. This system can be used in simulations to solve the problems of new submarine control characteristics. Key words：pump-hydraulic servo；submarine vertical；pitch control；depth control；pitch angle；sliding
mode control
徐超，刘刚，徐国华，李逢园，翟云峰430074华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉
摘 要：［目的］针对不同工况、复杂环境下的潜艇运动控制进行研究，解决高性能潜艇的实际控制问题并将其运用于搭建实际液压控制平台。［方法］以潜艇垂直面运动为重点，设计垂直面上纵倾和深度模型的解耦控制。基于泵控液压舵机模型和潜艇垂直面运动数学模型，运用快速终端滑模控制算法，通过仿真和试验对系统进行分析。［结果］结合液压系统模型与非线性控制算法的研究论证了该系统在潜艇垂直面运动控制上的鲁棒性与可靠性。与此同时，对液压舵机滞后、振荡性进行的仿真及试验分析，也表明系统可有效降低滑模变结构控制
带来的抖振问题。［结论］该系统在模拟研究潜艇的控制特性问题方面具有工程应用价值。关键词：泵控液压舵机 ；潜艇垂直面；纵倾控制；深度控制；纵倾角；滑模控制中图分类号：U664.28 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.015 The depth and pitch control of submarines based on the pump-hydraulic servo XU Chao，LIU Gang，XU Guohua，LI Fengyuan，ZHAI Yunfeng School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074，China
0引言
为潜艇模拟水下操舵试验而设计并建造专用平台，集合围壳舵、艉升降舵、集成式液压站三者的液压系统并运用于真实潜艇结构体，可实现管 路油液、机械机构的控制与监测。模拟潜艇的不同工况和复杂环境，搭建实际系统平台进行试验研究，可用于解决高性能潜艇的实际控制问题。传统液压机构主要包含液压控制元件、执行机构和负载，液压舵机系统主要利用液体的不可
压缩性及流量、流向的可控性来实现舵机的控制。液压舵机主要由伺服阀、变量泵、油箱、舵机液压缸、转舵机构和舵叶组成［1］，采用变量泵作为液压控制元件，拨叉式转舵机构作为执行机构，结合舵机的水动力负载来设计出泵控液压舵机系统。潜艇的操纵控制分水平面上的航向控制以及垂直面上的深度及纵倾控制。潜艇垂直面上的控制是一个非线性强耦合的多输入多输出系统，2对围壳舵和艉升降舵同时影响深度和纵倾的变2化，使得深度和纵倾这 个通道相互干扰。一般采用解耦控制的方法将潜艇的多输入多输出系统转换成单输入单输出系统［2］，其中围壳舵主要控制深度，艉升降舵主要控制纵倾，并分别设计滑模 系统不仅可以实现泵控液压回路与阀控液压回路的自由切换，还具备力士乐泵与国产北京泵的替换功能，其采用穆格比例阀、力士乐泵控装Vickers置、 电磁阀等作为重要液压元件，以力士乐电子放大板来实现液压舵机回路的闭式循环。
1.1 舵机系统主要环节
由于液压缸负载的固有频率较高，结合变量D660泵闭环的功效，系统采用型号为 的穆格电液伺服阀及其电磁开关阀组成液压集成块。伺服阀模型为［4］
1 A （1） G = sv s2 + 2ξv + s[ s 1] W v2 Wv式中：A为伺服阀口横截面积；为传递函数的拉s普拉斯变量；ξ 为液压油粘度系数；W 为流量增益。v v系统选用自带闭环的力士乐泵控装置，装置A4VSG由控制泵启停的短路阀、控制斜盘倾角的电子放大板和轴向柱塞变量泵组成。变量泵模型为［5］ （2） W =n Kp p p式中：n 为变量泵转速；K 为变量泵排量梯度。p p
舵机液压执行机构由舵机液压缸和舵叶部分 控制算法，实现潜艇纵倾和深度的控制。该控制系统将基于泵控液压舵机系统实现潜艇垂直面的运动控制，基于空间运动模型设计2种终端滑模自动控制算法，选择硬件电路控制LABVIEW器和 为上位机显控，在不同舵速下实现传感器数据采集与算法运算，并完成舵角的闭环控制，实现对潜艇深度与纵倾的控制。
1 泵控液压舵机系统
1潜艇液压舵机（图 ）一般采用闭式液压系统，即液压回路是闭式循环［3］。液压舵机将液体的压力能转换至转舵叶机构，控制舵叶转动的速度和大小，在不同舵角下，外界水压力通过舵叶对潜艇产生力矩，从而控制潜艇的深度和姿态。 组成，在忽略外力负载的情况下，液压缸的执行机构模型为［6］
1 Ag
（3） W = g 2ξh s22 + s[ s+ 1] Wh Wh式中：A 为液压缸活塞有效面积；ξ 为液压缸液g h
压阻尼比；W 为液压缸固有频率。h 8系统将对围壳舵与艉升降舵分别选取 个可调增益的舵角反馈传感器，采用滤波算法实现舵角的多方位、精确性测量，完成舵角上位机显示与算法运算。
1.2 舵机系统的AMESIM模型
系统结合真实泵控液压舵机系统的元件参数AMESIM建立液压系统模型，通过 仿真对液压系2统特性进行研究，仿真原理如图 所示。在正弦信号的舵角设定值下，研究了系统舵3）。图3 AMESIM角跟踪的稳定性（图 中，系统运用仿真对舵机液压系统跟踪特性进行研究，计算了设定舵角与反馈舵角的最大偏差，得出系统最大2.1％，舵角跟踪时间约为3.2 s（/ °），30°超调量为 120 s（舵速4s （/ °）），系满舵角稳定跟踪时间约为统参数性能均满足试验要求。
1.3 潜艇垂直面运动非线性模型忽略水平面运动的影响，简化潜艇空间六自
由度运动方程，得出垂直面上的运动模型，研究潜艇的深度和纵倾控制的强非线性与强耦合性［7］。根据美国海军舰船研究的空间六自由度标准运动
方程，在不考虑水平面运动状态和系统非线性项的情况下，可得以下垂直面运动方程： (m - 1 ρL3 X )u = 1 ρL4( Xqqq2) + 1 ρL2(α u2 + b uuc + cT uc ) + 1 ρL2( X u2 +X w+ X u2 δ 2+ X ' u2 δ 2)+ . ' ' 2 ' ' 2 ' . T T uu ww δsδs s δbδb b 2 u 2 2 2 1 ρL3( X wq - m' wq) ' wq 2 . m(w - uq) = 1 ρL4 (Z q +Z q|q|) + 1 ρL3(Z w + Z uq + Z w|q| + Z u|q|δ ) + . . ' ' ' ' ' ' . q|q| . q w|q| |q|δ s 2 q 2 w s 1 ρL2(Zuu + Z uw + Z u|w| + Z w|w| + Z w + 1 ρL2(Z u2 δ + Z u2 δ ) +P ' 'u2 ' ' ' ' 2) ' ' w | w| w|w| ww δs s δb b 2 2 （4） . Iy q = 1 ρL5 (M q + Mq|q| q|q|) + 1 ρL4 (M w + M uq + M w|q| + M u|q|δ )+ . . ' ' ' ' ' . . q w|q| |q|δ s 2 q 2 w s 1 u|w| + M w|w| + M w 1 ρL3(M u2 δ +M u2 δ ) + MP ρL3(Muu u2 + M uw +M 2) + ' ' ' ' ' ' ' w | w| w|w| ww δs s δb b 2 2 . θ =q . ξ = w cos θ - u sin θ
式中：m为潜艇质量；ρ为海水密度；L为艇长；X
为纵向力；Z为垂向力；M为纵倾力矩；α ，b ，cT T T
为速度系数 ；P 为静载荷； δb 为围壳舵舵角； δs为艉升降舵舵角；u ，w ，θ ，q分别为潜艇的纵向
. .速度、垂向速度、纵倾角度和纵倾角速度；u ，w ， . q 分别为潜艇的纵向加速度、垂向加速度和纵倾
角加速度；uc 为轴向力方向的速度分量； Iy 为 y .轴转动惯量 ；ζ 为深度变化率。模型中，需测量垂向速度、纵倾角速度、纵倾4角和深度值的变化。求解式（ ）中的量，简化模型，得