（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

深度模擬器是水下航行器深度控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真的重要設(shè)備。它由水下航行器主控機(jī)或本機(jī)仿真主控機(jī)控制運(yùn)行，產(chǎn)生一定要求的壓力輸出，來模擬水下航行器在不同海洋深度航行時(shí)所承受的水壓。該設(shè)備可為壓力檢測(cè)系統(tǒng)提供分析所需要的各種動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)，所以配合航行器深度系統(tǒng)的有關(guān)模塊，可在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)水下航行器縱向深度控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)和參數(shù)進(jìn)行測(cè)試［1～2］。

雖然經(jīng)過多年研究，深度模擬器仍存在一些問題，比如動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率低，無法準(zhǔn)確跟蹤預(yù)定的輸入信號(hào)，自適應(yīng)能力差等［3～4］。本課題組結(jié)合某水下航行體半實(shí)物仿真的需求開發(fā)了一種新型的，見圖1深度模擬器。并對(duì)深度模擬器進(jìn)行了性能試驗(yàn)驗(yàn)證［5～6］。

圖1 深度模擬器

2 深度模擬器的組成與工作原理

深度模擬器是模擬水下航行器在不同水深條件所承受水壓的壓力輸出系統(tǒng)。深度模擬器的主要組成有主控計(jì)算機(jī)（主控機(jī)），測(cè)控系統(tǒng)，液壓站，電液伺服閥和檢測(cè)單元等部分。如圖2所示為深度模擬器系統(tǒng)總體組成框圖。其工作原理是利用主控機(jī)發(fā)出給定的壓力輸入信號(hào)，通過測(cè)控系統(tǒng)同時(shí)分別控制液壓站和電液伺服閥，電液伺服閥輸出信號(hào)通過檢測(cè)單元輸出相應(yīng)的信號(hào)，檢測(cè)單元同時(shí)把輸出的信號(hào)閉環(huán)反饋到測(cè)控系統(tǒng)［7～8］。

圖2 深度模擬器系統(tǒng)總體組成框圖

主控機(jī)是深度模擬器的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，主要完成信號(hào)輸入輸出、數(shù)據(jù)采集、信息顯示等任務(wù)。測(cè)控系統(tǒng)是深度模擬器的下位機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)，主要對(duì)數(shù)據(jù)采集板卡及繼電器板卡的實(shí)時(shí)控制，通過D／A 轉(zhuǎn)換及信號(hào)放大，控制液壓站及電液伺服閥。液壓站為深度模擬器提供穩(wěn)定的油源壓力及所需要的流量［9～10］。通過控制電液伺服閥閥芯的開合實(shí)現(xiàn)控制測(cè)控單元腔內(nèi)的壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制輸出相對(duì)應(yīng)的壓力；同時(shí)測(cè)控單元把信號(hào)A／D 轉(zhuǎn)換，把輸出信號(hào)反饋到測(cè)控系統(tǒng)，修正輸入的控制信號(hào)，從而構(gòu)成一個(gè)高精度閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)，使深度模擬器按設(shè)定的方式工作［11］。

3 試驗(yàn)方法及結(jié)果

3．1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作

1）檢查電源是否準(zhǔn)備好；2）檢查油箱液壓油位是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)，如果油源不足應(yīng)添加液壓油，液壓油的型號(hào)為L(zhǎng)-HM46 防銹性抗磨液壓油；3）檢查被測(cè)對(duì)象的傳感器是否與深度模擬器的出油口接頭連接可靠。

3．2 啟動(dòng)設(shè)備與程序

1）先確保所有開關(guān)都處于關(guān)閉狀態(tài)后，接通主控機(jī)柜上總電源，機(jī)柜右上角上電指示燈亮起即已上電；2）打開主控機(jī)箱后蓋，打開主控機(jī)電源；3）打開主控機(jī)面板蓋，將主控機(jī)電源開關(guān)置于ON 的狀態(tài)，啟動(dòng)主控機(jī)；4）在主控機(jī)箱后部，從右至左依次開啟各電源開關(guān)（空調(diào)電源可根據(jù)需要開啟），如圖3所示；5）開啟中央處理器機(jī)箱上的電源（WFTPD軟件接收到數(shù)據(jù)表明中央處理器已啟動(dòng)）；6）等待WFTPD軟件接收到數(shù)據(jù)后，在主控機(jī)屏幕桌面點(diǎn)擊深度模擬器軟件，啟動(dòng)深度模擬程序；在仿真機(jī)軟件左下角的信息提示欄里看到藍(lán)色的“系統(tǒng)已準(zhǔn)備好，可以開始仿真！”字樣，說明系統(tǒng)正常啟動(dòng)。

圖3 主控機(jī)打開后各種開關(guān)開啟與關(guān)閉次序

3．3 深度模擬器的試驗(yàn)

深度模擬器試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)深度模擬器是否可在模擬壓力輸出范圍內(nèi)可輸出任意單一壓力，或依據(jù)輸入信號(hào)或設(shè)定波形輸出連續(xù)的壓力；根據(jù)仿真系統(tǒng)需要，可向仿真系統(tǒng)主控機(jī)傳送壓力或深度數(shù)據(jù)。深度模擬器有兩種工作方式，一是靜態(tài)方式，二是動(dòng)態(tài)方式。在靜態(tài)工作方式下，系統(tǒng)根據(jù)輸入要求，輸出恒定壓力；在動(dòng)態(tài)工作方式下，系統(tǒng)根據(jù)輸入的波形信號(hào)，輸出連續(xù)可變的壓力。試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目如表1所示。

4 深度模擬器試驗(yàn)結(jié)果分析

按照深度模擬器試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目，選擇信源類型為仿真，并在仿真模式下，輸入基準(zhǔn)深度5m，振幅1m，頻率1Hz三個(gè)參數(shù)，信號(hào)類型選取正弦。測(cè)試結(jié)果見圖4仿真正弦測(cè)試結(jié)果。

由圖4仿真正弦測(cè)試結(jié)果可以看出，參數(shù)輸入?yún)^(qū)顯示：基準(zhǔn)深度5m，振幅1m，頻率1Hz，輸入壓力為4．239m，輸出壓力為4．142m，油源壓力為6．953MPa。從圖4測(cè)試的結(jié)果顯示，輸出信號(hào)跟隨輸入信號(hào)，略有滯后，但仍能滿足模擬跟蹤要求。

選擇信源類型為仿真，信號(hào)類型選取定深，并輸入基準(zhǔn)深度20m。測(cè)試結(jié)果見圖5仿真定深測(cè)試結(jié)果。

由圖5仿真定深測(cè)試結(jié)果可以看出，參數(shù)輸入?yún)^(qū)顯示：輸入深度為20m，參數(shù)顯示區(qū)顯示：輸入壓力為19．999m，輸出壓力為20．029m，油源壓力為4．728MPa。從圖5測(cè)試的結(jié)果顯示，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)模擬跟蹤良好。

選擇信源類型為模擬模式下，深度模擬仿真系統(tǒng)的參數(shù)輸入?yún)^(qū)已經(jīng)鎖定，顯示為灰色，只能通過模擬通道輸入的信號(hào)進(jìn)行控制。通過信號(hào)源產(chǎn)生所設(shè)定的定值或正弦等信號(hào)，并將此信號(hào)施加給深度模擬器。通過信號(hào)源輸入基準(zhǔn)深度150m 的正弦信號(hào)，測(cè)試結(jié)果見圖6模擬定深測(cè)試結(jié)果。

圖4 仿真正弦測(cè)試結(jié)果

圖5 仿真定深測(cè)試結(jié)果

圖6 模擬正弦測(cè)試結(jié)果

由圖6模擬正弦測(cè)試結(jié)果可以看出，參數(shù)顯示區(qū)顯示：輸入壓力為150．548m，輸出壓力為150．484m，油源壓力為4．713MPa。從圖6測(cè)試的結(jié)果顯示，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)模擬跟隨良好。

通過上述各項(xiàng)內(nèi)容的測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了：1）在淺水區(qū)域，受電液伺服閥自然頻響特性影響，深度模擬器對(duì)外界信號(hào)的跟蹤能力略有滯后。2）隨著深度模擬器模擬深度的增大，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的跟蹤能力越好。

5 結(jié)語

研制出一種深度模擬器，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。通過上述各項(xiàng)內(nèi)容的測(cè)試結(jié)果說明，在0m～500m 內(nèi)，模擬器的靜態(tài)精度可以達(dá)到≤0．2m；1Hz～20Hz范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)精度可以達(dá)到：幅值｜ΔA／A｜≤30%，相位｜ΔΦ｜≤90°。測(cè)試試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)一步確定研制的深度模擬器的效果滿足使用要求，同時(shí)為下一步深度模擬器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及推廣提供依據(jù)。

［1］高永寧，丁建龍．深度模擬器控制統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［J］．水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2011，19（3）．

［2］葉祥明．基于深度模擬器控制系統(tǒng)的仿真研究［J］．水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2002，17（4）．

［3］萬亞民，王孫安．一種高性能深度模擬器的研究［J］．機(jī)床與液壓，2003（4）．

［4］萬亞民，康文鈺，沙琪．高性能深度模擬器控制系統(tǒng)研究［J］．魚雷技術(shù)，2002（9）．

［5］Sinan O，Sertae K，Levent G．Robust Yaw Stability Controller Design for a Light Commercial Vehicle Using a Hardware in the Loop Steering Test Rig［C］／／Proceedings of the 2007IEEE Intelligent Vehicles Symposium，2007：852-859．

［6］康鳳舉，張海軍，高立娥．一種提高水壓仿真器精度的新方法［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，1995（4）．

［7］朱松柏，樊鵬．基于PC104平臺(tái)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采樣和動(dòng)態(tài)顯示［J］．兵工自動(dòng)化，2007（12）．

［8］龐利平，羅凱，薛明．壓力仿真器系統(tǒng)研制［J］．機(jī)械與電子，2006（11）．

［9］龐利平．水下航行器深度模擬系統(tǒng)研究及實(shí)現(xiàn)［D］．西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007．

［10］吳海彬．基于半物理仿真的海上平臺(tái)沉浮運(yùn)動(dòng)研究［D］．杭州：浙江大學(xué)，2002．

［11］羅凱，黨建軍，王育才．水下半物理仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)背壓模擬系統(tǒng)研制［C］／／2010年中國造船工程學(xué)會(huì)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文集，2011．