[发明专利]一种具有高动态品质的深度模拟器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及深度模拟器设计技术领域，具体为一种具有高动态品质的深度模拟器及其控制方法，适用于水下航行器控制系统半实物仿真。

背景技术

大深度模拟系统是水下航行器鉴定定型试验靶场的内场半实物仿真试验系统中不可或缺的重要设备，在水下航行器全弹道半实物仿真试验及鉴定定型仿真试验中，大深度模拟系统的精度及响应的快速性会直接影响到仿真试验中深度模拟的准确性，进而影响仿真试验数据的可信度，从而决定是否能够全面、准确、客观地评价水下航行器在实战条件下的战技指标和效能。

由于大深度模拟器具有精度高及响应快等特点，传统的PID控制方法由于常规控制算法自身的一些缺陷，比如积分饱和问题、抗干扰问题、动态过程加速问题等，很难获得良好的动态特性。另外由于受系统非实时性的制约和传感器元件测量精度、范围的限制，深度模拟器的响应速度及精度难以提高。

发明内容

由于目前传统的深度模拟器受技术条件的限制：常规PID控制算法自身缺陷、系统非实时性的制约和传感器测量精度、范围的限制，深度模拟器存在系统稳定性差、系统动态跟随性差、系统精度低的不足，为此本发明提出了一种具有高动态品质的深度模拟器及其控制方法，使得系统在大深度范围的情况下仍然具有很快的响应速度和很高的精度，明显提高了系统的动态性能，对非线性扰动的适应能力也得到了加强。

本发明的技术方案为：

所述一种具有高动态品质的深度模拟器，其特征在于：包括机柜、主控计算机、控制系统和液压系统；控制系统和液压系统安装在机柜内；

所述控制系统由上位机和PID控制器组成，上位机用于人机操作和界面显示；主控计算机接收上位机的输入指令后，解算出深度指令并反馈给上位机显示以及输出给PID控制器；上位机将流程指令输出给PID控制器，PID控制器将流程指令响应输出给上位机以显示；PID控制器接收液压系统中传感器的压力反馈信号并进行PID控制，PID控制器输出控制信号给液压系统的伺服阀；

所述液压系统包括油源系统、伺服阀、压力传感器，油源系统向伺服阀提供压力满足深度模拟器最大深度模拟要求的恒定压力油，伺服阀向外部输出压力；压力传感器测量伺服阀的输出压力，并将测量的压力信号反馈给PID控制器。

进一步的优选方案，所述一种具有高动态品质的深度模拟器，其特征在于：主控计算机与上位机通过反射内存、串口和以太网方式进行通讯，上位机与PID控制器通过串口方式进行通讯；所述上位机采用带有触摸屏的计算机；所述PID控制器采用PC104产品。

进一步的优选方案，所述一种具有高动态品质的深度模拟器，其特征在于：液压系统中的传感器采用大量程传感器和小量程传感器，大量程传感器的压力范围是7Mpa，综合误差0.1％，绝对误差0.7m；小量程传感器的压力范围是1.5Mpa，耐压可达7.5Mpa，综合误差0.05％，绝对误差0.08m；当模拟深度小于150m，采用小量程传感器数据，当模拟深度不小于150m，采用大量程传感器数据。

进一步的优选方案，所述一种具有高动态品质的深度模拟器，其特征在于：所述油源系统包括油箱、电机、油泵、单向阀、滤油器、蓄能器、溢流阀、油源压力表；电机驱动油泵转动，油泵从油箱吸油，液压油经过单向阀后由滤油器进行过滤，而后输出给蓄能器，蓄能器和溢流阀使油压恒定在满足深度模拟器最大深度模拟要求的压力上，油源压力表显示油源系统的输出压力。

进一步的优选方案，所述一种具有高动态品质的深度模拟器，其特征在于：控制系统安装在机柜上部，液压系统安装在机柜下部，上位机安装高度与操作人员身高相当；传感器电源与其余部件电源分开供电；电机、油泵安装在机柜的底部，油箱悬挂在电机之上，阀块装在油箱顶盖上；油箱内部具有油液循环油槽，备有注油油滤和放油阀门；电机以及油泵与机柜底部连接处铺设减振橡胶垫，油泵的吸油管路和出油管路采用软管；机柜的最底层还安装一个承油槽。

进一步的优选方案，所述一种具有高动态品质的深度模拟器，其特征在于：溢流阀、伺服阀、传感器均安装在整体阀块上。

一种具有高动态品质的深度模拟器的控制方法，其特征在于：PID控制器的控制量u通过以下公式计算：

u＝k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)+k_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

其中e(k)为第k次采样的控制误差，e(k)＝r(k)-y(k)，r(k)为PID控制器第k次采样的输入指令，y(k)为PID控制器第k次采样接收的反馈；