蘇恒, 張瓊, 馬永敬, 劉兵, 譚杰, 鄧學文
(1.長沙市電子工業(yè)學校,長沙 410116;2.湖南師范大學工程與設(shè)計學院,長沙 410081;3.長沙航空職業(yè)技術(shù)學院,長沙 410124;4.芷江民族職業(yè)中專學校,湖南 懷化 418000;5.靖州縣職業(yè)教育總校,湖南 懷化 418499)
水下探測器的轉(zhuǎn)向舵轉(zhuǎn)彎半徑大且推進裝置無法轉(zhuǎn)向,導致其無法輕易完成原地轉(zhuǎn)彎等動作,為解決該問題,眾多研究提出了一種方向和大小均發(fā)生改變的矢量推進力裝置,通過對推進器進行動力學分析,得到運動參數(shù)和力矩的變化規(guī)律[1-2],采用模糊PID算法,以偏航角控制為例,設(shè)計了水下航行器的模糊PID控制器[3],通過引入非線性矢量運動算法,進行推進器的運動數(shù)學模型建立分析[4],這些研究均基于現(xiàn)有的推進器展開。本文根據(jù)F-35發(fā)動機矢量尾噴管原理設(shè)計一種新型矢量推進裝置,驗證其可行性,并設(shè)計了模糊-單神經(jīng)元控制器,為水下探測器高機動推進系統(tǒng)研究提供一定指導。
為了實現(xiàn)空間中螺旋槳姿態(tài)的調(diào)整,提出樣機主要技術(shù)指標,如表1所示。
表1 推進器主要技術(shù)指標
圖1為該矢量推進器的機械運動簡圖,螺旋槳柔性軸安裝在主軸電動機外殼10上,轉(zhuǎn)向電動機2、4、5分別安裝于7、8、9等3段筒體上,且筒體上裝有嚙合傳動齒輪,通過控制轉(zhuǎn)向電動機的轉(zhuǎn)動,3個筒體即可完成沿斜切面的相對旋轉(zhuǎn),進而使螺旋槳軸線完成全方位擺動。
圖1 新型矢量推進器機構(gòu)運動簡圖
該矢量推進器的自由度公式為
式中:F為機構(gòu)的自由度;n為構(gòu)件數(shù);g為運動副數(shù);fi為第i個運動副的相對自由度數(shù)。
得出該新型矢量推進器的自由度數(shù)為4。
圖2為新型矢量推進器的幾何特征示意圖。該矢量推進器由3段筒體構(gòu)成,截面a-a至bb為第一段筒體,截面b-b和c-c之間為第二段筒體,截面c-c和d-d為第三段筒體,且截面bb和c-c為相鄰兩筒體的結(jié)合面。圖3為該推進器筒體偏轉(zhuǎn)至最大偏角時的型面示意圖,α為截面2-2和4-4的夾角,β為螺旋槳的偏轉(zhuǎn)角度。
圖2 新型矢量推進器幾何特征示意圖
圖3 推進器最大偏角型面示意圖
根據(jù)偏轉(zhuǎn)規(guī)律可知,α和β滿足如下關(guān)系式:
由式(2)可得,當螺旋槳軸線偏角為90°時,截面夾角應為22.5°。
圖4為新型矢量推進器的機構(gòu),該矢量推進器通過控制3段筒體的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)螺旋槳的全方位擺動,其主要由主軸電動機、傳動軸、3個轉(zhuǎn)向電動機、3段筒體、傳動齒輪及密封件等構(gòu)成。
圖4 新型矢量推進器結(jié)構(gòu)
為了保證3段筒體的中心線保持在同一平面內(nèi),建立矢量推進器的偏轉(zhuǎn)模型[4-5]如圖5所示。
圖5 新型矢量推進器偏轉(zhuǎn)規(guī)律模型
坐標系x0y0z0繞坐標系xyz的x軸旋轉(zhuǎn)角度-θ1的余弦矩陣為
式中:θ1、θ2、θ3為3段筒體的旋轉(zhuǎn)角度;α為截面2-2和截面4-4的夾角;β為矢量推進器螺旋槳的偏轉(zhuǎn)角度。
為驗證該推進器螺旋槳軸線的最大偏轉(zhuǎn)角度,設(shè)置偏轉(zhuǎn)電動機參數(shù)(如表2),其中令電動機2轉(zhuǎn)向為正向“+”,得到螺旋槳軸線角度變化如圖6和圖7所示。
表2 偏轉(zhuǎn)電動機參數(shù)
由圖6可知,在30 s設(shè)定時間內(nèi),螺旋槳軸線最大偏轉(zhuǎn)角度為90°,而軸線的偏轉(zhuǎn)角度區(qū)間為[-90°,90°],在0.82 s時偏轉(zhuǎn)角度為0°,在7.32 s時偏轉(zhuǎn)角度為90°,則偏轉(zhuǎn)角周期近似為6.5 s。由圖7可知,螺旋槳軸線yz面最大投影角度為180°,而軸線的投影角度區(qū)間為[-180°,180°],此處的投影角度180°和-180°螺旋槳位于同一位置,由于只是一個過渡點,機構(gòu)的投影角度并未發(fā)生突變。耦合驗證結(jié)果表明,螺旋槳軸線能實現(xiàn)最大偏轉(zhuǎn)角度為90°的偏轉(zhuǎn),且可實現(xiàn)螺旋槳軸繞中心軸進行360°旋轉(zhuǎn)。
圖6 螺旋槳軸線偏轉(zhuǎn)角度
圖7 螺旋槳軸線yz 面投影角度
矢量推進器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示,當筒體發(fā)生偏轉(zhuǎn),會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角度誤差。
圖8 矢量推進器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)傳遞函數(shù)[6-7]為
第一筒體旋轉(zhuǎn)角度θ1和第二筒體旋轉(zhuǎn)角度θ2的轉(zhuǎn)速誤差為
神經(jīng)元可以提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和容錯性[8],模糊-單神經(jīng)元PID 控制結(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖9 模糊-單神經(jīng)元PID 控制器結(jié)構(gòu)
增量式的單神經(jīng)元控制算法為:
引入PID控制后筒體轉(zhuǎn)速誤差如圖10所示,階躍響應下的3種PID控制方法下的結(jié)果如圖11所示。
圖10 筒體轉(zhuǎn)速誤差
圖10 中引入PID控制后,轉(zhuǎn)速誤差由0.1下降至0.07 左右。圖11中,PID控制下響應時間為1.5 s,模糊PID控制下響應時間1.2 s,而在模糊-單神經(jīng)元PID控制下響應時間為0.8 s,系統(tǒng)響應更加迅速;在4 s時加入8%的干擾信號,模糊-單神經(jīng)元PID穩(wěn)定時間更短,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
圖11 干擾仿真結(jié)果對比
1)設(shè)計了一種新型矢量推進器,利用電動機控制3段筒體偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)全方位擺動,并耦合驗證了該結(jié)構(gòu)的可行性。
2)設(shè)計了模糊-單神經(jīng)元PID控制器,結(jié)果表明,該控制器可以減少系統(tǒng)的響應時間并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。