水下调平平台位置控制研究

水下调平平台位置控制研究

0平台系统结构设计该系统具有响应速度快、功能积大等优点，在实际工程中得到了广泛应用，但该系统的内部参数和外部负荷的不确定性给实现高精度控制带来了困难。针对液压位置伺服系统的精确控制,很多学者对各种控制算法进行了深入研究。文献针对电液伺服非线性系统的参数不确定性和模型不确定项,基于Lyapunov稳定方法,提出了适用于电液伺服系统的非线性鲁棒自适应控制策略。文献针对控制输入前具有不确定系数的电液伺服位置系统精确跟踪控制问题,提出了一种改进的自适应反步控制器设计方法,有效解决了由于系统模型在控制输入前存在不确定系数而导致参数自适应律包含控制量嵌套的问题。本文针对一种新型的水下浮式搭载试验平台的定位系统,设计了水下高精度液压位置伺服系统。试验平台主要由平台本体、液压绞车、钢缆、重力锚组成。平台本体具有正浮力,绞车通过钢缆与4个重力锚相连,钢缆在平台本体浮力作用下张紧形成张力腿,实现平台的水下可靠定位。平台的4个角安装有4个深度传感器,甲板中心点安装有1个倾角传感器,可实时获取平台的深度及倾角。根据平台的深度和倾角,进行并联机器人运动学反解,以获得各个驱动关节的控制量,通过控制作为驱动关节的液压绞车,实现平台的下潜和调平。根据平台的工作特点,选用定量泵配定量马达的阀控液压系统,其中,马达具有大排量和小排量两种工作模式。下潜过程中,为了实现平台快速下潜,马达设定处于高压、小排量模式,将此模式定义为液压绞车粗调模式;调平过程中,为了实现平台精确调平,马达设定处于低压、大排量模式,液压绞车将低速运行以保证位置控制精度,将此模式定义为液压绞车微调模式。液压绞车放缆时,将处于超越负载工况,此时,无法保证位置的控制精度。因此,在平台调平过程中,采用最低点不动的追逐式控制策略,以保证液压绞车始终处于主动收缆工况,实现平台高精度调平。本文主要针对微调模式进行了仿真和试验,设计了应对系统参数不确定和非线性的自适应反步控制器。1低液位绞车的组成和原理1.1水下设备的设计考虑到大负载及水下动密封的问题,水下试验平台的驱动选用液压驱动方式。液压绞车机构的机械部分主要包括滚筒装置、驱动系统、刹车装置、测量装置及水密装置等,如图1所示。液压绞车机构机械部分组成如下:(1)滚筒装置。滚筒装置由滚筒体、轴、滑动轴承、小型水密箱及机座等组成,可实现缆绳的卷绕。滚筒体和轴焊接为一个整体,滑动轴承采用水润滑的材料———塞龙材料(可直接在水下使用,不需要密封)。(2)驱动系统。液压绞车驱动系统通过液压马达及内藏式行星减速器传递扭矩和转速。为保证工作系统的可靠性,所有驱动装置均安装在水密箱中。(3)刹车装置。液压绞车采用摩擦片式制动器(安装在马达和减速器之间的传动轴处),其制动安全系数设定值大于1.5。另外,滚筒装置上设计有机械锁装置,在极限工况下将采用机械制动方式,以保证设备安全。(4)测量装置。液压绞车的测量采用增量编码器和绝对值编码器相结合的方法,增量编码器安装于马达轴端,用于测量马达的转速;绝对值编码器安装于滚筒轴端,直接测量滚筒的转动速度,进而换算出滚筒转动行程。为减小测量误差,绞车缆绳采用单层缆布置。(5)密封方式。水下设备的工作对密封有着极高的要求,尤其是液压绞车马达输出轴位置,在保证动密封性的同时还要确保高的传动效率。水下设备的密封主要有均压和承压两种方式。由于该试验平台工作湖泊的特殊性,为了避免液压油泄露对环境造成污染,液压绞车采用承压式密封。1.2超越负载工况液压绞车采用定量泵配定量马达的阀控系统,通过电液比例换向阀实现液压马达的正反向旋转从而实现平台的升降。液压主油路由主泵供油,控制油路由伺服泵供油。液压绞车系统原理如图2所示。对液压系统而言,当外负载力的方向与运动方向相同时,外负载力将会变成动力驱动执行元件运动,这种工况称为超越负载工况。本课题中的液压绞车在释放缆绳时即处于超越负载工况,为了确保马达平稳运转,设置了液压平衡回路,其主要液压元件为平衡阀,如图3所示。绞车工作在收缆工况时,液压油流动方向为A→B,此时的平衡阀等效于单向阀;绞车工作在放缆工况时,液压油流动方向为B→A,由于平台浮力方向跟马达的转动方向一致,故液压系统处于超越负载工况,马达一直处于加速状况,最终产生超速。此时,平衡阀中的顺序阀能使A路产生背压以平衡超越负载,有效抑制超速现象的发生,保证绞车在超越负载工况下平稳放缆。图3中,电磁阀DT7.5的作用是实现液压马达大排量和小排量模式的切换。平台下潜过程中,DT7.5不得电时,液压马达处于高压、小排量模式,马达的转速相对较高;平台调平过程中,DT7.5得电,液压马达处于低压、大排量模式,马达将在低速下实现高精度位置伺服控制。2低地面喷枪的控制策略和系统建模2.1点不动的追踪式控制策略根据前文的分析可知,液压绞车在放缆时处于超越负载工况,实质上是液压绞车在外负载力作用下被动放缆,此工况下,其位置控制精度将无法得到保证。针对水下试验平台通过定位系统实现高精度调平控制的需求,采用最低点不动的追逐式控制策略。如图4所示,Ai(i=1,2,3,4)为液压绞车钢缆作用点,Mi为重力锚,X1方向为艏向。首先,根据平台的倾角信息判断出Ai中的最低点;然后,根据并联机构运动学原理解算出其他点与最低点之间的位置误差;最后,通过控制对应的液压绞车微调收缆,实现平台调平。定义平台的横倾角为φ(右倾为正)、纵倾角为θ(抬艏为正)。φ>0且θ>0时,则可以判断出A1点为最低点,平台其他倾角情况类似。由平台调平控制策略可以看出,液压绞车的位置控制精度将决定平台的调平精度。下文针对单台液压绞车建立控制模型,设计自适应控制器以克服系统参数不确定所产生的影响,实现其高精度位置伺服控制。2.2液压马达的建模水下液压绞车为定量泵配定量马达的阀控液压系统,其数学模型由液压阀流量方程、液压马达连续性方程和马达力矩平衡方程构成[6?7]。其中,液压阀流量方程是典型的非线性方程,即式中,qV为负载流量;Cd为阀口流量系数;ω为阀面积梯度;xv为阀芯位移;pS为液压泵供油压力;pL为负载压力;ρ为液压油密度。液压马达流量的连续方程为式中,Dm为液压马达的理论排量;θm为液压马达的转角;Ctm为液压马达的总泄露系数;Vm为阀腔、马达腔和连接管道的总容积;K为体积弹性模量;t为时间。忽略电液比例阀的死区,其输入电压与阀芯位移成比例关系,因此有式中,k为比例阀增益;U为比例阀的输入电压。马达的力矩平衡方程为式中,TS为液压马达产生的理论扭矩;Jm为液压马达和负载的总惯量;Bm为负载和液压马达的黏性阻尼系数;G为负载的扭转弹簧刚度;TL为作用于马达轴上的任意外负载力矩。取状态x1=θm,x2=dθm/dt,x1=Ts。为了控制器设计时推导方便,把U前面的系数写成倒数的形式,整理式(1)~式(4)可得系统的状态空间表达式:由于平台处于水下的特殊环境,故平台运动过程中,平台姿态的变化、水动力及干扰会对平台的受力分布产生影响,使得作用在马达上的外负载力矩发生变化。在这里我们把作用在平台上的水动力及干扰力传递到液压马达的轴上,将它们作为马达外负载力矩的一个分量来考虑。3控制器设计推导针对水下平台存在的复杂外干扰、参数不确定及系统非线性,根据Lyapunov稳定性理论,基于反步算法进行系统控制器的设计,给出不确定系数的自适应律。下面的推导过程中,xj(j=1,2,3)为系统状态的实际值;xjd为系统状态变量的期望值;cj>0为控制器参数[8?9]。控制器设计的推导过程如下:(1)定义位置跟踪误差对e1求导有定义Lyapunov函数对式(8)求导得定义误差变量e2=x2-x2d,其中,x2d为虚拟控制量,取将式(10)代入式(9)得(2)对e2求导有为避免在设计自适应律时出现虚拟控制量,即避免产生循环嵌套。在选择Lyapunov函数V2和V3时,在e2和e3前面加入了相应的系数。取Lyapunov函数对式(13)求导,并利用式(12)可得定义分别为τ1、τ2、τ3和a3的估计值。定义误差变量e3=x3-x3d,其中,x3d为虚拟控制量,取将式(15)代入式(14)得(3)对误差e3求导得取Lyapunov函数其中,λi>0。对式(18)求导得我们主要考虑负载总惯量Jm、黏性阻尼系数Bm及外负载力矩TL的不确定性,因此τ4、τ5和b3是不变的常数。则取自适应控制器为则式(19)可化为设计的参数自适应律为4单台伺服控制试验以单台水下液压绞车为对象,分别进行数值仿真和单项试验,对其位置控制精度进行验证。首先,对液压绞车的位置伺服系统进行数值仿真,将自适应反步控制器与常规PID控制器进行比较;然后,在数值仿真的基础上,进行了单台液压绞车微调模式的位置伺服控制试验。根据液压绞车的设计选型,给定系统的主要标称参数,如表1所示。将平台看作为刚性负载,则负载扭转弹簧刚度G=0。工作过程中,液压系统的相关参数会随着环境的变化而缓慢变化。我们主要考虑负载总惯量Jm、黏性阻尼系数Bm及外负载力矩TL的不确定性。假设这些参数分别按如下规律变化,即4.1液压绞车pid控制器仿真分析利用MATLAB软件平台,对设计的自适应反步控制器与常规的PID控制器进行了数值仿真比较分析。设计的控制器和自适应律参数如下:c1=c3=90,c2=14,λ1=108,λ2=λ4=105,λ3=4×107。仿真所选用的PID控制器参数如下:kP=0.5,kI=kD=0.1。仿真选取-0.01m作为输入值,表示液压绞车收缆0.01m。仿真结果如图5、图6所示。由仿真结果可以看出,常规PID控制器的响应曲线出现了超调,在实际调平过程中,液压绞车位置控制只能收缆,因此不允许出现超调。与常规PID控制器相比,自适应反步控制器在系统参数不确定性及非线性下表现出了更好的控制性能及精度。4.2钢缆检测试验研究在数值仿真的基础上,我们进行了单台液压绞车微调模式位置伺服控制试验,试验中利用负载试验台来产生液压绞车15t外负载。液压绞车在微调模式下,单次最大行程不超过0.1m,单次最小行程为0.01m,因此,该试验中选定行程输入值为-0.01m和-0.1m(负值表示收缆)。根据最低点不动调平策略,试验主要验证绞车收缆的精度。试验过程中,记录每次控制绝对值编码器的变化值,将其与对应的输入值进行比较,分析控制误差;同时,在绞车钢缆上任意选定一点进行标定测量,将测量值与控制输入和编码器反馈值进行比较。表2中,输入量为正表示放缆,为负表示收缆。钢缆上选定的测量点的起止位置如图7、图8所示。由表2所示的试验结果可以看出,液压绞车在微调模式下收缆的控制误差在1mm以内。然而,第4次试验为液压绞车放缆,由于放缆过程中系统处于超越负载工况,故控制误差明显变大。由钢缆上选取测量点标定测量的结果可以看出,钢缆在绞车工作过程中一直处于张紧状态,钢缆的变形量很小,可以忽略不计。综上所述,单台绞车额定负载下的位置伺服控制试验,验证了