深度模擬器的試驗研究＊

（中國船舶重工集團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半實物仿真的重要設備。它由水下航行器主控機或本機仿真主控機控制運行，產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所承受的水壓。該設備可為壓力檢測系統提供分析所需要的各種動態壓力信號，所以配合航行器深度系統的有關模塊，可在實驗室條件下對水下航行器縱向深度控制系統的各項性能指標和參數進行測試［1～2］。

雖然經過多年研究，深度模擬器仍存在一些問題，比如動態響應頻率低，無法準確跟蹤預定的輸入信號，自適應能力差等［3～4］。本課題組結合某水下航行體半實物仿真的需求開發了一種新型的，見圖1深度模擬器。并對深度模擬器進行了性能試驗驗證［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。深度模擬器的主要組成有主控計算機（主控機），測控系統，液壓站，電液伺服閥和檢測單元等部分。如圖2所示為深度模擬器系統總體組成框圖。其工作原理是利用主控機發出給定的壓力輸入信號，通過測控系統同時分別控制液壓站和電液伺服閥，電液伺服閥輸出信號通過檢測單元輸出相應的信號，檢測單元同時把輸出的信號閉環反饋到測控系統［7～8］。

圖2 深度模擬器系統總體組成框圖

主控機是深度模擬器的上位機監控系統，主要完成信號輸入輸出、數據采集、信息顯示等任務。測控系統是深度模擬器的下位機實時測控系統，主要對數據采集板卡及繼電器板卡的實時控制，通過D／A 轉換及信號放大，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現控制測控單元腔內的壓力，進而實現控制輸出相對應的壓力；同時測控單元把信號A／D 轉換，把輸出信號反饋到測控系統，修正輸入的控制信號，從而構成一個高精度閉環液壓控制系統，使深度模擬器按設定的方式工作［11］。

3 試驗方法及結果

3．1 試驗前準備工作

1）檢查電源是否準備好；2）檢查油箱液壓油位是否在規定的范圍之內，如果油源不足應添加液壓油，液壓油的型號為L-HM46 防銹性抗磨液壓油；3）檢查被測對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 啟動設備與程序

1）先確保所有開關都處于關閉狀態后，接通主控機柜上總電源，機柜右上角上電指示燈亮起即已上電；2）打開主控機箱后蓋，打開主控機電源；3）打開主控機面板蓋，將主控機電源開關置于ON 的狀態，啟動主控機；4）在主控機箱后部，從右至左依次開啟各電源開關（空調電源可根據需要開啟），如圖3所示；5）開啟中央處理器機箱上的電源（WFTPD軟件接收到數據表明中央處理器已啟動）；6）等待WFTPD軟件接收到數據后，在主控機屏幕桌面點擊深度模擬器軟件，啟動深度模擬程序；在仿真機軟件左下角的信息提示欄里看到藍色的“系統已準備好，可以開始仿真！”字樣，說明系統正常啟動。

圖3 主控機打開后各種開關開啟與關閉次序

3．3 深度模擬器的試驗

深度模擬器試驗的主要目的是檢驗深度模擬器是否可在模擬壓力輸出范圍內可輸出任意單一壓力，或依據輸入信號或設定波形輸出連續的壓力；根據仿真系統需要，可向仿真系統主控機傳送壓力或深度數據。深度模擬器有兩種工作方式，一是靜態方式，二是動態方式。在靜態工作方式下，系統根據輸入要求，輸出恒定壓力；在動態工作方式下，系統根據輸入的波形信號，輸出連續可變的壓力。試驗測試項目如表1所示。

4 深度模擬器試驗結果分析

按照深度模擬器試驗測試項目，選擇信源類型為仿真，并在仿真模式下，輸入基準深度5m，振幅1m，頻率1Hz三個參數，信號類型選取正弦。測試結果見圖4仿真正弦測試結果。

由圖4仿真正弦測試結果可以看出，參數輸入區顯示：基準深度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測試的結果顯示，輸出信號跟隨輸入信號，略有滯后，但仍能滿足模擬跟蹤要求。

選擇信源類型為仿真，信號類型選取定深，并輸入基準深度20m。測試結果見圖5仿真定深測試結果。

由圖5仿真定深測試結果可以看出，參數輸入區顯示：輸入深度為20m，參數顯示區顯示：輸入壓力為19．999m，輸出壓力為20．029m，油源壓力為4．728MPa。從圖5測試的結果顯示，輸出信號與輸入信號模擬跟蹤良好。

選擇信源類型為模擬模式下，深度模擬仿真系統的參數輸入區已經鎖定，顯示為灰色，只能通過模擬通道輸入的信號進行控制。通過信號源產生所設定的定值或正弦等信號，并將此信號施加給深度模擬器。通過信號源輸入基準深度150m 的正弦信號，測試結果見圖6模擬定深測試結果。

圖4 仿真正弦測試結果

圖5 仿真定深測試結果

圖6 模擬正弦測試結果

由圖6模擬正弦測試結果可以看出，參數顯示區顯示：輸入壓力為150．548m，輸出壓力為150．484m，油源壓力為4．713MPa。從圖6測試的結果顯示，輸出信號與輸入信號模擬跟隨良好。

通過上述各項內容的測試結果進一步驗證了：1）在淺水區域，受電液伺服閥自然頻響特性影響，深度模擬器對外界信號的跟蹤能力略有滯后。2）隨著深度模擬器模擬深度的增大，系統對信號的跟蹤能力越好。

5 結語

研制出一種深度模擬器，并對其進行試驗測試。通過上述各項內容的測試結果說明，在0m～500m 內，模擬器的靜態精度可以達到≤0．2m；1Hz～20Hz范圍內，動態精度可以達到：幅值｜ΔA／A｜≤30%，相位｜ΔΦ｜≤90°。測試試驗的結果進一步確定研制的深度模擬器的效果滿足使用要求，同時為下一步深度模擬器的優化設計及推廣提供依據。

［1］高永寧，丁建龍．深度模擬器控制統設計與仿真［J］．水雷戰與艦船防護，2011，19（3）．

［2］葉祥明．基于深度模擬器控制系統的仿真研究［J］．水雷戰與艦船防護，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研究［J］．魚雷技術，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］．系統仿真學報，1995（4）．

［7］朱松柏，樊鵬．基于PC104平臺的數據實時采樣和動態顯示［J］．兵工自動化，2007（12）．

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

［9］龐利平．水下航行器深度模擬系統研究及實現［D］．西安：西北工業大學，2007．

［10］吳海彬．基于半物理仿真的海上平臺沉浮運動研究［D］．杭州：浙江大學，2002．

［11］羅凱，黨建軍，王育才．水下半物理仿真實驗臺背壓模擬系統研制［C］／／2010年中國造船工程學會優秀學術論文集，2011．