CN119037683B - 一种水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下航行器技术领域，尤其涉及一种水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法，包括如下步骤：水下航行器的航行控制计算机输出指令舵角信号；水下航行器的舵角反馈机构实时测量操舵液压缸的运动行程，以获得实际舵角信号；水下航行器的伺服阀控制模块接收指令舵角信号和实际舵角信号，进而计算指令舵角信号对应的指令舵角和实际舵角信号对应的实际舵角的偏差，当偏差大于设定值时，伺服阀控制模块输出控制信号；比例伺服阀接收控制信号并调节阀开度，以调控操舵液压缸的运动行程，从而将分离式艉舵调节至对应指令舵角信号的目标舵角。本发明提高了对比例伺服阀的控制精确性，降低了操舵的噪音。

Description

一种水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法

技术领域

本发明涉及水下航行器技术领域，尤其涉及一种水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法。

背景技术

为避免单一舵失效导致水下航行器航行任务中断的问题，一般采用左右分离式艉舵方式。与此同时，艉舵操舵装置数量增加带来的操舵振动噪声也随着增大，特别是操舵的启动段和结束段振动噪声更为明显。

目前，操舵装置大多为比例伺服阀操舵装置，现有比例伺服阀控制时为根据需求直接进行调控，该种方式比例伺服阀的开口打开或关闭的速率瞬间突变，容易产生操舵冲击和截止噪声。

发明内容

本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法，解决了现有技术中比例伺服阀的开口调节方式单一导致噪音较大的技术问题，提高了对比例伺服阀的控制精确性，降低了操舵的噪音。

本发明提供一种水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法，包括如下步骤：

水下航行器的航行控制计算机输出指令舵角信号；

水下航行器的舵角反馈机构实时测量操舵液压缸的运动行程，以获得实际舵角信号；

水下航行器的伺服阀控制模块接收所述指令舵角信号和实际舵角信号，进而计算指令舵角信号对应的指令舵角和实际舵角信号对应的实际舵角的偏差，当偏差大于设定值时，伺服阀控制模块输出控制信号；

比例伺服阀接收所述控制信号并调节阀开度，以调控操舵液压缸的运动行程，从而将分离式艉舵调节至对应所述指令舵角信号的目标舵角。

本发明水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法的进一步改进在于，伺服阀控制模块输出控制信号时，包括如下步骤：

当航行控制计算机产生由到的阶跃性跃迁的指令舵角信号后，伺服阀控制模块将阶跃性跃迁的指令舵角信号转换为随时间线性变化的斜坡指令舵角信号；

其中，表示指令舵角，表示操舵开始时刻，代表操舵完成时刻，表示操舵时间，表示操舵时间和指令舵角的关系系数，表示时的舵角，表示时的指令舵角；

伺服阀控制模块根据斜坡指令舵角信号，进而划分比例伺服阀的阀开度的启动段、中间段和结束段，以调控操舵液压缸的运动行程，从而将分离式艉舵调节至对应所述指令舵角信号的目标舵角。

本发明水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法的进一步改进在于，取值范围为1°/s～7°/s。

本发明水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法的进一步改进在于，比例伺服阀的阀开度为0%~100%；

在启动段时，比例伺服阀的阀开度控制曲线为，

其中，表示比例伺服阀的阀开度，表示操舵时间，表示启动段的时间间隔，，表示启动段的结束时刻；

比例伺服阀在启动段的控制电压为，

其中，表示比例伺服阀在启动段的控制电压，表示常数；

在中间段时，比例伺服阀的阀开度保持不变，比例伺服阀的控制电压为，

其中，表示比例伺服阀在中间段的控制电压，表示中间段对应时刻的实际舵角；

在结束段时，比例伺服阀的阀开度控制曲线为，

其中，表示结束段的时间间隔，，表示操舵完成时刻，表示结束段的开始时刻，

比例伺服阀在结束段的控制电压为，

其中，表示比例伺服阀在结束段的控制电压。

本发明水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法的进一步改进在于，在中间段时，比例伺服阀的阀开度保持不变，比例伺服阀的控制电压保持不变，。

本发明水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法的进一步改进在于，还包括：

伺服阀控制模块判断时刻的斜坡指令舵角与目标舵角的差值小于或等于0.5°且时刻的实际舵角与目标舵角的差值小于或等于0.5°时，伺服阀控制模块控制比例伺服阀的阀开度进入结束段。

本发明水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法的进一步改进在于，常数取值为比例伺服阀的最大控制电压的80%或最大控制电压的50%。

本发明水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法的进一步改进在于，启动段的时间间隔取值为10ms～100ms。

本发明水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法的进一步改进在于，结束段的时间间隔取值为10ms～80ms。

本发明水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法的进一步改进在于，所述偏差为0.2°。

本发明水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法通过将阶跃性跃迁的指令舵角信号转换为随时间线性变化的斜坡指令舵角信号，进而划分比例伺服阀的阀开度的控制方法，从而在操舵改变舵角时，使得操舵液压缸平稳进行调节，减小操舵时的噪音。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法的示意图。

图2是阶跃性跃迁的指令舵角信号转换为随时间线性变化的斜坡指令舵角信号的示意图。

图3是比例伺服阀的阀开度控制曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

下面结合图1描述本发明的一种水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法，包括如下步骤：

水下航行器的航行控制计算机输出指令舵角信号；

水下航行器的舵角反馈机构实时测量操舵液压缸的运动行程，以获得实际舵角信号；

水下航行器的伺服阀控制模块接收所述指令舵角信号和实际舵角信号，进而计算指令舵角信号对应的指令舵角和实际舵角信号对应的实际舵角的偏差，当偏差大于设定值0.2°时，伺服阀控制模块输出控制信号；

比例伺服阀接收所述控制信号并调节阀开度，以调控操舵液压缸的运动行程，从而将分离式艉舵调节至对应所述指令舵角信号的目标舵角。

较佳地，水下航行器包括左艉舵和右艉舵，操舵装置为水下航行器提供液压驱动和机械传动部分，操舵部分主要由比例伺服阀、操舵液压缸和舵叶等组成，水下航行器的控制系统为电控部分，主要由航行控制计算机、伺服阀控制模块、舵角反馈机构等组成。比例伺服阀接收来自控制系统的信号，通过改变比例伺服阀的阀开度来改变进出操舵液压缸的液压油的速度，进而控制舵叶运动速度和位置。航行控制计算机运行水下航行器的自主航行控制算法，根据自主任务决策、深度/航向/倾角控制需要，产生指令舵角信号，舵角反馈机构安装于操舵液压缸，可实时测量油缸运动行程，进而获得实际舵角，伺服阀控制模块接收指令舵角和实际舵角，当舵角偏差超出误差时，综合舵角偏差、舵速、工况等因素，输出比例伺服阀的阀开度控制信号，实现舵角的闭环控制。

本发明水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法的一种较佳实施案例中，如图2所示，伺服阀控制模块输出控制信号时，包括如下步骤：

当航行控制计算机产生由到的阶跃性跃迁的指令舵角信号（图2中A部分）后，伺服阀控制模块将阶跃性跃迁的指令舵角信号转换为随时间线性变化的斜坡指令舵角信号（图2中B部分）；

其中，表示指令舵角，表示操舵开始时刻，代表操舵完成时刻，表示操舵时间，表示操舵时间和指令舵角的关系系数，表示时的舵角，表示时的指令舵角；

伺服阀控制模块根据斜坡指令舵角信号，进而划分比例伺服阀的阀开度的启动段、中间段和结束段，以调控操舵液压缸的运动行程，从而将分离式艉舵调节至对应所述指令舵角信号的目标舵角。

具体地，取决于系统期望的操舵速度要求，取值范围一般为1°/s～7°/s。

具体地，如图3所示，比例伺服阀的阀开度为0%~100%；

由于接收到新的操舵指令，比例伺服阀往打开开口方向控制，为了达到降噪效果，启动段的开口打开的速度应先由0缓慢变大，当操舵速度变大且接近系统期望的操舵速度时开口打开的速度缓慢下降至0，在启动段时刻，伺服阀开口不再变大，分离式艉舵运动速度到达规定操舵速度。

具体地，在启动段时，比例伺服阀的阀开度控制曲线为，

其中，表示比例伺服阀的阀开度，表示操舵时间，表示启动段的时间间隔，，表示启动段的结束时刻，启动段的时间间隔取值为10ms～100ms，正常操舵工况下启动段的时间间隔取值为10ms～30ms，低速操舵工况下启动段的时间间隔取值为30ms～100ms。

比例伺服阀在启动段的控制电压为，

其中，表示比例伺服阀在启动段的控制电压，表示常数（比例伺服阀的本身特性数值），正常操舵工况下常数取值为比例伺服阀的最大控制电压的80%，低速操舵工况下常数取值为比例伺服阀的最大控制电压的50%；

在中间段时，比例伺服阀的阀开度保持不变，比例伺服阀的控制电压为，

其中，表示比例伺服阀在中间段的控制电压，表示中间段对应时刻的实际舵角；

在结束段时，比例伺服阀的阀开度控制曲线为，

其中，表示结束段的时间间隔，，表示操舵完成时刻，表示结束段的开始时刻，结束段的时间间隔取值为10ms～80ms，正常操舵工况下结束段的时间间隔取值为10ms～20ms，低速操舵工况下结束段的时间间隔取值为20ms～80ms。

比例伺服阀在结束段的控制电压为，

其中，表示比例伺服阀在结束段的控制电压。

具体地，一个完整操舵过程负载一般呈往复规律变化，操舵速度会产生一定波动，舵速上下波动可相互抵消基本不影响整个过程的平均舵速，实际应用中，比例伺服阀的开口保持固定时，操舵噪声最小，因此，在中间段，比例伺服阀的控制电压也可保持恒定不变，即，。

进一步地，还包括：伺服阀控制模块判断时刻的斜坡指令舵角与目标舵角的差值小于或等于0.5°且时刻的实际舵角与目标舵角的差值小于或等于0.5°时，伺服阀控制模块控制比例伺服阀的阀开度进入结束段。

较佳地，斜坡指令舵角与目标舵角的差值在0.5°以内且实际舵角与目标舵角的差值在0.5°以内，操舵进入结束段，结束段时，往关闭比例伺服阀的开口方向控制，为达到降低噪声目标，比例伺服阀的开口关闭的速度应先由0缓慢变大，操舵速度逐渐减少；当比例伺服阀的开口接近0（或接近比例伺服阀的控制死区）时，比例伺服阀的开口关闭速度缓慢下降至0，在结束段时刻，比例伺服阀的开口处于关闭状态（或处于控制死区内）。

本发明水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法通过将阶跃性跃迁的指令舵角信号转换为随时间线性变化的斜坡指令舵角信号，进而划分比例伺服阀的阀开度的控制方法，从而在操舵改变舵角时，使得操舵液压缸平稳进行调节，减小操舵时的噪音。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

水下航行器的航行控制计算机输出指令舵角信号；

水下航行器的舵角反馈机构实时测量操舵液压缸的运动行程，以获得实际舵角信号；

水下航行器的伺服阀控制模块接收所述指令舵角信号和实际舵角信号，进而计算指令舵角信号对应的指令舵角和实际舵角信号对应的实际舵角的偏差，当偏差大于设定值时，伺服阀控制模块输出控制信号；

比例伺服阀接收所述控制信号并调节阀开度，以调控操舵液压缸的运动行程，从而将分离式艉舵调节至对应所述指令舵角信号的目标舵角；

其中，伺服阀控制模块输出控制信号时，包括如下步骤：

当航行控制计算机产生由到的阶跃性跃迁的指令舵角信号后，伺服阀控制模块将阶跃性跃迁的指令舵角信号转换为随时间线性变化的斜坡指令舵角信号；

其中，表示指令舵角，表示操舵开始时刻，代表操舵完成时刻，表示操舵时间，表示操舵时间和指令舵角的关系系数，取值范围为1°/s～7°/s，表示时的舵角，表示时的指令舵角；

伺服阀控制模块根据斜坡指令舵角信号，进而划分比例伺服阀的阀开度的启动段、中间段和结束段，以调控操舵液压缸的运动行程，从而将分离式艉舵调节至对应所述指令舵角信号的目标舵角；

比例伺服阀的阀开度为0%~100%；

在启动段时，比例伺服阀的阀开度控制曲线为，

其中，表示比例伺服阀的阀开度，表示启动段的时间间隔，，表示启动段的结束时刻；

比例伺服阀在启动段的控制电压为，

其中，表示比例伺服阀在启动段的控制电压，表示常数，常数取值为比例伺服阀的最大控制电压的80%或最大控制电压的50%；

在中间段时，比例伺服阀的阀开度保持不变，比例伺服阀的控制电压为，或，

其中，表示比例伺服阀在中间段的控制电压，表示中间段对应时刻的实际舵角；

在结束段时，比例伺服阀的阀开度控制曲线为，

其中，表示结束段的时间间隔，，表示操舵完成时刻，表示结束段的开始时刻，

比例伺服阀在结束段的控制电压为，

其中，表示比例伺服阀在结束段的控制电压。

2.根据权利要求1所述的水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法，其特征在于，还包括：

伺服阀控制模块判断时刻的斜坡指令舵角与目标舵角的差值小于或等于0.5°且时刻的实际舵角与目标舵角的差值小于或等于0.5°时，伺服阀控制模块控制比例伺服阀的阀开度进入结束段。

3.根据权利要求1所述的水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法，其特征在于，启动段的时间间隔取值为10ms～100ms。

4.根据权利要求1所述的水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法，其特征在于，结束段的时间间隔取值为10ms～80ms。

5.根据权利要求1所述的水下航行器分离式艉舵的舵角控制方法，其特征在于，所述偏差为0.2°。