深海環境模擬實驗裝置及壓力動態控制技術

張強，張雷勵，張銘鈞

(哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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深海環境模擬實驗裝置及壓力動態控制技術

張強，張雷勵，張銘鈞

(哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

為了模擬深海環境壓力，研制了一套模擬壓力可以大范圍連續變化的實驗裝置，并研究了其壓力動態控制技術。提出了在液壓回路中串聯液壓缸的方法解決電液比例閥使用水介質的局限性問題；針對壓力動態控制模塊固有滯后特性的問題，提出了相位補償算法予以解決；針對實驗試件爆破時造成裝置內壓力突降而無法快速恢復到目標值的問題，提出了基于氣體式蓄能器的壓力快速補償方法予以解決。通過對模擬實驗裝置進行相關實驗研究，驗證了本文研究的壓力動態控制技術、壓力快速補償技術的可行性和有效性。

深海環境；串聯液壓缸；油水轉換；壓力動態控制模塊；相位補償算法；壓力快速補償方法；液壓系統

隨著海洋開發進程的加快，水下設備的研發越來越受到重視[1]，基于試壓容器的深海環境模擬實驗裝置可在實驗室條件下模擬深海環境，為研制水下設備提供便捷、可靠的陸地實驗平臺，對縮短設備研究周期、降低研制成本、減少海試造成意外損失等具有重要的研究意義和實際價值[2]。

“紅色”在中國文化中象征著喜慶、熱烈，但在西方文化中則更多地與暴力、流血聯系在一起。在翻譯時，霍克斯采用了源語文化服從目的語文化的做法，用綠色代替了紅色，將“怡紅公子”譯為“Green Boy”，將“怡紅院”譯為了“House of Green Delights”。雖然這樣做便于目的語讀者理解，但卻沒能將源語文化傳遞向目的語文化中，沒能達到文化交流的目的。

本文針對水下設備工作在不同水深的需求，研制了一套模擬壓力可在大范圍連續變化的深海環境模擬實驗裝置。針對系統固有慣性以及閉環系統延遲特性的影響問題，提出一種對目標函數進行相位補償的方法，以改善系統壓力動態控制性能；針對模擬實驗裝置內壓力突降的問題，研究了一種壓力快速補償方法。通過對模擬實驗裝置進行相關實驗，驗證本文所提出方法的可行性與有效性。

1 深海環境模擬實驗裝置總體方案

1.1 深海環境模擬實驗裝置組成分析

深海環境模擬實驗裝置需要能夠模擬水下設備做復雜升沉運動所對應承壓環境的變化，同時當艙體類實驗試件爆破造成系統壓力突降時應使系統壓力快速恢復。針對這些要求，本文研制了一套深海環境模擬實驗裝置，其組成如圖1所示。本實驗裝置的基本工作原理為：控制器根據目標壓力曲線，控制壓力動態控制模塊，升高試壓容器內壓力，當試壓容器內某個試驗艙爆炸時，試壓容器內壓力陡降，此時壓力快速補償模塊啟動，使其快速升壓，達到接近爆炸前的壓力。

圖1 深海環境模擬實驗裝置組成圖Fig.1 The composition diagram of deep sea environment simulation experiment device

1.2 深海環境模擬實驗裝置壓力動態控制模塊

壓力動態控制模塊的作用是模擬不同水深的外部環境壓力。文獻[3]研制了一套壓力控制模塊，該模塊的壓力控制精度較高，但由于受電機、減速器和絲杠等啟動慣性的影響，其頻響速度較慢。文獻[4]基于電液比例閥設計的壓力動態控制方案，其仿真結果能滿足設計指標，但沒有考慮深海環境模擬實驗裝置通常使用水介質，易造成電液比例閥內部銹蝕，從而影響其控制性能和使用壽命。

針對上述問題，本文研究并設計了壓力動態控制方案。針對文獻[3]中電機驅動方式頻響速度慢的問題，本文改進為液壓驅動方式；針對文獻[4]中電液比例閥不適于水介質的問題，本文提出在電液比例閥出油口和試壓容器之間串聯一只液壓缸，通過其活塞阻隔作用實現油水轉換的解決方案。本文設計的壓力動態控制模塊工作原理如圖2所示。

圖2 壓力動態控制模塊的工作原理圖Fig.2 The working schematic diagram of pressure dynamic control module

由圖8可知，跟蹤絕對誤差小于±0.02 MPa(對應水深±2 m)，能保持目標曲線特征，反映出壓力動態控制模塊可較好地跟蹤0.01 MPa/s的斜坡函數。

本文基于PID控制算法進行動態壓力補償控制，具體如下：

圖5中，輸入量單位階躍信號Step表示為試件發生爆破時系統壓力突降值，其值的選取是基于作者之前的實驗數據，輸出量表示壓力快速補償模塊工作時蓄能器液腔流量Q1的變化。Gain1為蓄能器液腔中液體質量的倒數1/ma，Gain2為Ba/ma，Gain3對應為Ca/ma，Gain2與Gain3之和即為蓄能器傳遞函數中的2ζωn，Gain4表示ka+kp0Aa/V0，即為系統無阻尼固有頻率的平方ωn2。進行仿真實驗，得到橫截面積Aa和初始充氣壓力p0相同而公稱容積不同的蓄能器吸收壓力沖擊效果的曲線，如圖6所示。

基于文獻[1]的方法，通過圖2壓力動態控制模塊的工作原理圖，結合本文所選擇的具體元件，推導出壓力動態控制模塊的開環傳遞函數為

(1)

式中：Pa(s)為壓力模塊輸出量；U0(s)為控制電壓信號；Ksv為電液比例閥的流量增益，m3/(s·A)；K0為比例放大器增益，A/V；EV為液體的體積彈性模量；A1為液壓缸的有效作用面積，m2；A2為活塞桿面積，m2；V0為試壓容器容積，m3；ωsv為電液比例閥固有頻率，rad/s；ξsv為電液比例閥阻尼比；ωy為液壓缸一負載質量系統的固有頻率，rad/s；ξy為液壓缸一負載質量系統的阻尼比。

壓力動態控制模塊的閉環傳遞函數為

(2)

式中：Ky為壓力傳感器比例系數。

2)確定PID控制器參數

系統設置了7個限位開關，分別用于檢測各部分的工作狀態。其中，SQ1 檢測待剪板料是否被輸送到位。SQ2、SQ3 分別檢測壓塊B 的狀態，檢測壓塊是否壓緊已到位的板料；SQ4 檢測剪切刀A 的狀態；SQ7 為光電接近開關, 檢測板料是否被剪斷落入小車；SQ5 用于檢測小車是否到位；SQ6 用于判斷小車是否空載。送料機構E、壓塊B、剪切刀A和送料小車分別由4臺電動機拖動。系統未啟動時, 壓塊及剪切刀的限位開關SQ2、SQ3 和SQ4以及 SQ1、SQ7均斷開。

本文參考文獻[14]的方法，通過式(2)建立仿真模型，并采用Simulink Design Optimization工具對PID控制器參數進行尋優，最終得到參數的具體值為：Kp=3.50、Ki=0.01、Kd=2.20。

式中：Q1(s)為蓄能器液腔的液體輸出流量，Pb(s)為蓄能器液腔壓力，k為氣體多變指數，ka為氣體等效剛度系數。

壓力突降是影響深海環境模擬實驗裝置工作性能的一個不確定因素，艙體類試件在爆破時造成試壓容器內壓力突降，為模擬真實海洋環境的要求，希望壓力突降后能夠快速恢復。對于壓力突降后快速恢復問題，國內外研究不多。文獻[5]通過閉環機械加載進行壓力突降后快速補償，但受電機啟動特性和機械慣性影響，實際補償速度慢。

有時研究人員和日記主人是同一個人(“研究人員本人日記”)，此時研究人員就以自身經歷為考察對象；有時研究人員不自己寫日記或不用自己的日記，而要求被調查者(往往是語言學習者和語言教師)寫日記，供研究人員使用。

針對以上問題，本文首先對壓力補償源進行研究。文獻[6]針對工程機械液壓系統在復雜工況時受較大壓力沖擊問題，提出在液壓回路中安裝氣體式蓄能器對壓力沖擊進行吸收，仿真結果表明，選用合適參數的氣體式蓄能器可對壓力沖擊具有良好的吸收效果，但該方式存在如何優選蓄能器的問題。本文借鑒文獻[6]的思路，采用蓄能器在壓力突降后快速補償，壓力快速補償方法工作原理如圖3。

圖3 壓力快速補償方法工作原理圖Fig.3 The working schematic diagram of pressure fast compensation method

壓力快速補償方法的工作原理為：蓄能器氣腔內為高壓氣體，當試壓容器內試件發生爆破造成系統壓力突降時，在氣腔和液腔壓差的作用下，蓄能器液腔內的液體快速補充給試壓容器，使得系統壓力迅速恢復。

邊坡穩定性評價和治理涉及到水利水電工程、鐵道工程等諸多工程領域，邊坡失穩形成滑坡、崩塌及地裂縫等地質災害，輕則增加投資、延長工期，重則摧毀建筑物、造成人員傷亡，能否正確評價其穩定性常常是此類工程成敗的關鍵，也是確保工程安全和降低建設費用的重要環節。

2 壓力快速補償方法關鍵技術研究

本節分析蓄能器的數學模型，通過仿真研究其主要參數與吸收壓力沖擊效果之間的關系，以提高壓力快速補償性能。

2.1 蓄能器系統模型分析

綜上所述，高職院校建筑類專業英語課程模塊重構非常重要，這對于學生未來發展有一定影響。雖然當前大部分高職院校都為學生提供了專門的英語課程，但是在課程開展的過程中還是存在一定問題。大學生就業問題一直都被重點關注，學生需要不斷提升自己學習能力與專業的英語水平才能滿足眾多建筑企業的需求。要注重學生的實踐能力，讓學生將所學習到的專業理論知識更好地運用到實踐中，要重視建筑專業英語教學，讓學生可以在課堂上多練習英語，通過英語表達想法，將專業英語與建筑知識相融合，高校需要充分意識到建筑專業英語課程模塊重構的重要性，改變英語教學內容與教學模式，讓學生可以從中獲得更多知識，逐漸提升自身的英語水平。

綜合考慮深海環境模擬實驗技術研究現狀，并結合水下作業設備研制工作的實際應用需求，爆破試件的容積約占整體容積的1%左右，本系統試壓器總容積是253 L，因此本文研制的目標爆破試件容積ΔV為0.3 L，爆破壓力pb為4.5 MPa，應用MATLAB軟件對公稱容積V0分別為4、6.3、10 L的蓄能器進行仿真。參考文獻[11,17-18]，蓄能器氣腔的初始充氣壓力p0設為4.0 MPa，通過仿真分析蓄能器公稱容積V0對于其吸收壓力沖擊效果的影響。

上周（10月15日-10月19日）國際尿素市場需求放緩，尿素經銷商重心轉向國內，尿素價格高位企穩。10月22日中國尿素 批 發 價 格 指 數（CNPI）為2110.01點，環比上漲0.39點，漲幅為0.02%；同比上漲345.48點，漲幅為19.58%；比基期上漲246.76點，漲幅為 13.24%。10月22日中國尿素零售價格指數（CNRI）為 2203.72點，環比上漲6.92點，漲幅為0.32%；同比上漲348.05點，漲幅為18.76%；比基期上漲298.76點，漲幅為15.68%。

要求從業人員是具備職業道德、掌握康復基礎知識及過硬專業技能的復合型人才。培養具備在社區衛生服務中心、康復護理院、療養院、養老院、老年福利院、居家養老服務及日間照料中心等各類機構，運用現代康復治療技術對常見老年病、慢性病進行康復評估與治療，并具備老年社會工作管理能力，具有愛心、耐心及責任心等良好職業道德、人文素養、創新精神的高素質技能型老年康復治療人才非常必要[7]。

圖4 氣體式蓄能器等效力學模型Fig.4 The equivalent mechanical model of gas accumulator

本文基于牛頓第二定律，對蓄能器液腔對蓄能器模進行力學分析，得到以蓄能器液腔內液體為研究對象的數學模型[10,15-16]：

(3)

式中：Aa為蓄能器內腔的橫截面積；pa為試件爆破時蓄能器氣腔內氣體的壓強；pb為試件爆破時蓄能器液腔的壓強；Va為試件爆破時蓄能器氣腔內氣體的體積；ma為蓄能器液腔內液體的質量；Bb為液腔中液體的阻尼系數；Ca為氣體阻尼系數[11]；ka氣體的等效彈簧剛度。

對式(3)進行拉氏變換，得到氣體式蓄能器的傳遞函數：

(4)

1.3 壓力快速補償方法研究

本文蓄能器工作時其液腔放液速度快，近似為絕熱過程，因此取k=1.4[12]；剛度系數ka等效為氣體壓強變化量與體積變化量的比值，其表達式為[12]

(5)

根據蓄能器各結構參數之間的關系，對ka表達式進行整理得：

(6)

分析式(4)、(6)，蓄能器系統的固有特性與其橫截面積Aa、初始充氣壓力p0、初始充氣體積V0和系統工作壓力p2等參數有關。

2.2 蓄能器系統仿真研究

本文的研究背景是深海環境(水深大于4 000 m)，基于上述分析，壓力罐加壓應該大于40 MPa。考慮到40 MPa壓力陡降時進行快速補償有一定的危險性，同時由于試驗條件有限(已有的壓力罐最大耐壓7 MPa)，為了探討本文所提出方法的可行性，本文在仿真和實驗中都選擇4.5 MPa(對應水深450 m)。

考慮非期望產出的中國區域生態效率測度及差異分析 … ……………………………… 劉丙泉，王 超（2．45）

試壓罐內壓力突變與試驗艙容積和試壓罐容積相關。即，試驗艙容積越大，壓力突變值越大，試壓罐容積越大，壓力突變值越小。因此，單純取試壓罐容積突變來研究深海環境模擬實驗裝置的壓力補償能力不能充分說明問題。本文選取壓力突變來驗證本文研制的深海環境模擬實驗裝置的壓力補償能力。

ABAQUS建模后，將混凝土柱劃分為8個單元，梁劃分為10個單元，模型計算時調用PQ-Fiber子程序.

為建立蓄能器系統的仿真模型，本文將式(6)代入式(4)，得到蓄能器系統的阻尼系數ξ和無阻尼固有頻率ωn的表達式：

(7)

(8)

參考蓄能器標準系列手冊，并根據壓力快速補償方法的實際參數，對不同公稱容積時蓄能器的ξ、ωn進行求解，得到數據如表1所示。

表1 氣體式蓄能器不同公稱容積下相應參數

Table 1 The corresponding parameters of different nominal volume of gas accumulator

容積/Ld/mAa/m2ξωn/rad46.3100.1520.1520.2191.81×10-21.81×10-23.76×10-20.4710.7470.092706445583

根據式(2)在MATLAB軟件Simulink環境中建立蓄能器系統吸收壓力沖擊的仿真模型，如圖5所示，并將表1的數據代入圖5對應位置。

圖5 蓄能器系統仿真模型Fig.5 Accumulator system simulation model

1)推導傳遞函數

我們在三層交換機上建立VLAN 60與VLAN 70兩個網段，并啟用路由功能，以保證兩個網段的用戶可以互連互通.

圖6 不同公稱容積蓄能器吸收壓力沖擊效果Fig.6 The absorbing pressure impact effect of different nominal volume accumulator

分析圖6公稱容積V0為4.0 L、6.3 L、10 L的曲線可知，隨著公稱容積V0增大，蓄能器系統的響應速度減慢，但穩定性增強，輸出流量的振蕩情況減小，當V0從4.0 L依次增加至6.3 L和10 L時，蓄能器吸收相同壓力沖擊所耗時間分別為0.015 s、0.013 s、0.10 s。可以看出，V0并不是越大越好，也不是越小越好，對于本文深海環境模擬實驗裝置的具體參數，當V0為6.3 L時，蓄能器具有良好的吸收壓力沖擊效果，輸出流量的振蕩最小，吸收壓力沖擊的時間最短。基于仿真結果，本文選定V0為6.3 L的氣體式蓄能器。

3 實驗研究

為了驗證本文設計的壓力動態控制模塊和壓力快速補償方法的可行性，驗證在試壓容器和蓄能器之間串聯液壓缸的壓力快速補償的效果，作者搭建了深海環境模擬實驗裝置進行相關實驗研究。

3.1 壓力動態模擬實驗研究

本文搭建了深海環境模擬實驗裝置如圖7所示。

圖7 深海環境模擬實驗裝置Fig.7 Deep sea environment simulation experiment device

為了驗證本文研制的深海環境模擬實驗裝置模擬水下設備工作在不同水深時的水壓變化情況，參考我國“蛟龍號”載人潛器7 000 m海試時的下潛速度(約0.84 m/s)[13]，本文設計斜率為0.01 MPa/s斜坡函數跟蹤實驗。考慮到水下裝備因地形限制或工作需求，可能往復升沉運動，本文又設計了頻率為0.025 Hz、0.05 Hz、0.1 Hz的正弦曲線跟蹤實驗。

1)斜坡函數跟蹤效果

壓力動態控制模塊跟蹤斜率為0.01 MPa/s斜坡函數的實際壓力曲線及其跟蹤誤差如圖8所示。

圖8 斜坡函數跟蹤曲線及跟蹤誤差Fig.8 Slop function tracking curves and tracking error

圖2中，壓力動態控制模塊工作過程為：電液比例閥根據放大器接收信號的幅值和極性調節閥口的開度和方向，控制油路的流量和方向，進而控制水路中進出試壓容器的液體流量和方向，實現模擬實驗裝置的壓力動態控制。

2)正弦曲線跟蹤效果

頻率為0.025、0.05、0.1 Hz，幅值為0.5 MPa的正弦實際跟蹤曲線及跟蹤誤差如圖9所示。

圖9 正弦信號跟蹤曲線及跟蹤誤差Fig.9 Sinusoidal signal tracking curves and tracking error

分析圖9可知，壓力動態控制模塊可以較好地跟蹤目標曲線的形狀特征。斜坡函數和正弦曲線跟蹤實驗結果，驗證了本文研制的壓力動態控制模塊的可行性。實驗過程中電液比例閥工作良好，系統升壓過程穩定，表明本文提出在液壓回路中串聯液壓缸來實現油水轉換方案的有效性，將圖9不同頻率正弦曲線跟蹤數據整理為表2。

分析表2數據，目標曲線頻率分別為0.025 Hz、0.05 Hz、0.1 Hz時，最大跟蹤誤差分別為0.05 MPa、0.10 MPa、0.18 MPa，相位滯后分別為4°、8°、15°。分析其原因主要是受液壓、機械系統的慣性以及閉環系統延遲特性影響，造成跟蹤曲線相位滯后，對此，本文接下來研究相位滯后問題。

表2 不同頻率的正弦曲線跟蹤指標

3.2 針對相位滯后的改進算法及其實驗驗證

已有文獻表明：初始壓力p0越大，蓄能器的快速補償能力越好，但是氣體體積V0并不是越大越好，V0的優選值涉及到輸出流量振蕩、吸收壓力耗時等因素。為了分析蓄能器在壓力快速補償方法中的性能，本節研究蓄能器的主要結構參數V0和工作參數p0對其性能的影響。文獻[7]指出，氣體式蓄能器為一個模型復雜的二階系統，影響其工作性能的參數較多，對此，本文采用機理分析法對其工作原理進行分析[8]，參考文獻[9，19]簡化氣體式蓄能器本體模型，如圖4所示。

本文目標曲線為Y1=Asin2πft+B，根據圖9實驗可知，實際跟蹤曲線表達式為Y1=Asin(2πft+θ)+B，即實際跟蹤曲線與目標曲線之間存在θ的相移，θ具體數值可由實驗得到的時間延遲t1、目標函數頻率f來求得，三者的關系為θ=2πft1。為了得到理想的壓力跟蹤曲線，本文根據目標函數的頻率f特征，對上述目標函數表達式Y1補償一定的相角-θ，得到經處理后的表達式Y2=Asin(2πft-θ)+B，控制系統根據表達式Y2進行控制，從而實現相位補償的目的。

電路說明：太陽能電池板兩塊串聯，每塊標準：15cm×6cm、3V、0.2A；Led燈泡有白光、黃光、綠光、藍光等顏色，最終選用白光（3.0 V～3.2V）；舊手機電池電壓3.7V；二極管1使用較小的二極管，二極管2（分壓用）使用較大的二極管。

根據表2中跟蹤曲線的參數，由θ=2πft1得到本文頻率為0.025 Hz、0.05 Hz、0.1 Hz時目標曲線的補償相角θ分別為π/45、2π/45、π/12，根據Y2進行實驗，如圖10所示。

圖10 相位補償后正弦跟蹤曲線及跟蹤誤差Fig.10 The sine tracking curves after phase compensation and tracking error

為了方便分析相位補償算法的實際效果，將圖9和圖10中，跟蹤不同頻率正弦曲線、有無相位補償算法的跟蹤效果整理成表3。

表3 不同頻率正弦曲線有/無相位補償算法時跟蹤效果

Table 3 Sine curves following indexes with/without load phase compensation algorithm

曲線頻率/Hz最大跟蹤誤差/MPa無補償有補償改善效果/%0.0250.050.021500.050.100.041500.10.180.07152

分析表3，有相位補償時，對應0.025 Hz、0.05 Hz、0.1 Hz頻率的正弦曲線，最大跟蹤誤差分別為0.02 MPa、0.04 MPa、0.07 MPa，相比無補償時，分別減小了150%、150%、152%，反映出本文提出的相位補償方法的有效性。

3.3 壓力快速補償實驗研究

“二十四橋明月夜”則有點暴發戶式的排場了：一整個火腿，挖二十四個洞，填入豆腐蒸之，最后把火腿丟棄，只取豆腐用之——其實，豆腐燉火腿是蘇浙滬地區最常見的家常小菜之一，火腿提供了咸鮮的滋味，豆腐提供了滑潤醇厚的口感，不需要別的調料，只要一撮蔥花配色，就是上得廳堂的好菜。

為了驗證本文研制的壓力快速補償方法的可行性，本文進行壓力快速補償實驗研究。

實驗時試壓容器容積為253 L，實驗試件容積為0.3 L，蓄能器公稱容積為6.3 L。為了研究初始充氣壓力對于蓄能器工作性能的影響，本文設定蓄能器初始充氣壓力分別為2.0 MPa、3.0 MPa、4.0 MPa[11]，得到壓力快速補償方法的數據如表4所示。

分析表4可知，當試壓容器內加壓到4.49 MPa(爆炸壓力值)時，艙體類試件發生爆破，無壓力快速補償時，系統壓力迅速下降至3.21 MPa。理論上，需要盡快將壓力由3.21 MPa補償到爆炸壓力4.49 MPa，即“需要補償壓力”為1.28 MPa。

有壓力快速補償時，本文以初始充氣壓力2.0 MPa為例，經過0.32 s后，壓力恢復至4.09 MPa，壓力補償能力為4.09 MPa-3.21 MPa=0.88 MPa，占需要補償壓力1.28 MPa的68.7%，本文將68.7%稱為壓力補償能力。其他充氣壓力的壓力補償能力見表4。

比較文獻[5]的補償時間11.76 s，本文方法的補償時間很小。實驗結果驗證了本文研制的壓力快速補償方法的可行性及其迅速性。進一步分析表4，本文方法對壓力突降后快速補償問題有較好效果，但壓力恢復值與爆破時的壓力值仍存在一定差值。

表4 不同蓄能器初始充氣壓力時實驗結果

Table 4 Experimental result indexes of different accumulator models

初始壓力/MPa壓力恢復值/MPa壓力差值/MPa壓力補償能力/%補償時間/s無補償2.03.04.03.214.094.194.271.280.400.300.22—68.776.082.2—0.320.280.24

3.4 壓力快速補償方法改進方案及其實驗驗證

在基于氣體式蓄能器的壓力快速系統中，該系統工作完成后，試壓容器內的壓力仍與目標壓力存在一定差值。本文針對小容積蓄能器系統壓力補償能力有限的問題，提出在壓力快速補償方法中氣體式蓄能器和試壓容器之間串聯液壓缸的方式進行改進。改進方案如圖11所示。

圖11 壓力快速補償方法改進方案Fig.11 Improved scheme for pressure fast compensation method

圖11中，液壓缸的有桿腔與蓄能器液腔出口相連，無桿腔與試壓容器直接相連，對于試壓容器內同等ΔV液體補充量的需求，該方式通過間接減小蓄能器氣腔內氣體體積變化量，從而達到提高其壓力補償能力的目的。為了檢驗改善方案的效果，本文在深海環境模擬實驗裝置上進行壓力快速補償實驗。實驗中液壓缸的參數為：內徑63 mm，活塞桿直徑45 mm，行程為500 mm，最大容積為1 550 ml。液壓缸有桿腔壓力為4.0 MPa，得到壓力快速補償方法的相關數據如表5所示。

華北多特高壓交直流強耦合大受端電網系統保護方案設計//羅亞洲,陳得治,李軼群,王青,張劍云,訾鵬,等//(22):11

表5 補償方法改進前/后的壓力快速補償效果

Table 5 The pressure fast compensation effect parameters before/after method improved

狀態改進前改進后壓力恢復值/MPa與目標壓力差值/MPa壓力補償能力/%補償時間/s4.270.2382.20.244.350.1489.10.30

由表5中數據可知，改進前后，壓力恢復值增加了0.08 MPa，與目標壓力的差值減小了0.09 MPa，壓力補償能力由82.2%提高至89.1%，相對提高了6.9%。補償時間增加了0.06 s。以上實驗結果反映出，本文提出的串聯液壓缸的方案，對于改善壓力快速補償方法的壓力補償能力有較好的效果，不足的是補償時間稍有增加，可以根據實驗對補償壓力和補償時間的不同要求，選擇是否采用該方法。

4 結論

1)針對深海環境模擬實驗裝置模擬外部復雜壓力環境的要求，研制了一套壓力動態控制模塊。針對電液比例閥不適合水介質的問題，提出串聯液壓缸實現油水轉換的方法，函數跟蹤實驗結果驗證了本文研制的壓力動態控制模塊以及串聯液壓缸實現油水轉換方法的可行性。

2)針對液壓系統滯后特性影響壓力動態模塊性能的問題，本文提出采用相位補償的方法，跟蹤實驗結果表明，相位補償方法具有很好的改善效果。

3)針對模擬實驗裝置在實驗過程中壓力突降后快速恢復問題，本文研究了壓力快速補償方法。壓力快速補償實驗結果表明，當蓄能器初始充氣壓力為4.0 MPa時，突降后的壓力由3.21 MPa快速恢復至4.27 MPa，耗時0.24 s，壓力補償能力為82.2%。反映出較好的壓力快速補償效果。

4)針對經過快速補償后，系統壓力與目標壓力仍存在一定差值的問題，本文提出串聯液壓缸的改善方法。實驗結果表明，采用該方法后，壓力補償能力達到89.1%，反映出較好的補償效果。

[1]孫小輝, 李維嘉, 曹和云. 基于模糊PID的壓力筒動態保壓系統[J]. 中國艦船研究, 2014, 9(1): 127-131. SUN Xiaohui, LI Weijia, CAO Heyun. A dynamic pressure packing system based on fuzzy PID[J]. Chinese journal of ship research, 2014, 9(1): 127-131.

[2]DUNN P M. The navy unmanned undersea vehicle master plan[J]. Naval undersea warfare center, 2006, 15-23.

[3]李維嘉, 李紹安, 羅興桂. 高精度壓力筒試驗系統[J]. 中國造船, 2008, 49(1): 72-76. LI Weijia, LI Shao'an, LUO Xinggui. The pressure vessel experiment system with high precision[J]. Shipbuilding of China, 2008, 49(1): 72-76.

[4]譚宗柒, 戴浩林, 汪云峰. 基于AMESim的深度模擬器液壓系統設計與仿真[J]. 機床與液壓, 2009, 37(2): 150-152, 200. TAN Zongqi, DAI Haolin, WANG Yunfeng. Design and simulation of hydraulic depth simulator based on AMESim[J]. Machine tool & hydraulics, 2009, 37(2): 150-152, 200.

[5]李天. 深海壓力環境模擬試驗裝置及其恒壓控制系統研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2013: 40-50. LI Tian. Research on the deep-sea pressure environmental simulation test device and its constant pressure control system[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2013: 40-50.

[6]CHO D O, WHITCOMB M A. A review of the ocean science and technology partnership between US and Korea[J]. Marine policy, 2008, 32(3): 502-513.

[7]李浪, 王海濤, 龔烈航. 皮囊式蓄能器吸收壓力脈動的參數分析與試驗[J]. 液壓與氣動, 2012(7): 3-6. LI Lang, WANG Haitao, GONG Liehang. The parameter analysis and experiment of the bladder accumulator absorbing pressure pulsation[J]. Chinese hydraulics & pneumatics, 2012(7): 3-6.

[8]呂少力. 波義耳定律在液壓缸加載系統中的應用[J]. 液壓與氣動, 2010(11): 63-64. LYU Shaoli. Application of boyle's law in loading system of hydraulic cylinder[J]. Chinese hydraulics & pneumatics, 2010(11): 63-64.

[9]OHISHI K, NAKAO M, OHNISHI K, et al. Microprocessor-controlled DC motor for load-insensitive position servo system[J]. IEEE transactions on industrial electronics, 1987, IE-34(1): 44-49.

[10]柳俊忻, 馬彪, 李和言, 等. 基于吸收壓力沖擊的蓄能器參數設計及其仿真研究[J]. 車輛與動力技術, 2009(2): 6-11. LIU Junxin, MA Biao, LI Heyan, et al. Study on parameters design and hydraulic shock reduction of hydraulic accumulator for hydrostatic transmission system[J]. Vehicle & power technology, 2009(2): 6-11.

[11]馬登成, 楊士敏, 陳箏, 等. 蓄能器對工程機械液壓系統影響的仿真與試驗[J]. 中國公路學報, 2013, 26(2): 183-190. MA Dengcheng, YANG Shimin, CHEN Zheng, et al. Simulation and experimental study on impact of accumulator on engineering machinery hydraulic system[J]. China journal of highway and transport, 2013, 26(2): 183-190.

[12]孔祥東, 權凌霄, 姚靜, 等. 基于力學分析的蓄能器數學模型建立及實驗研究[J]. 液壓與氣動, 2006(7): 31-34. KONG Xiangdong, QUAN Lingxiao, YAO Jing, et al. Accumulator is modeled on its stressing model and experiments research[J]. Chinese hydraulics & pneumatics, 2006(7): 31-34.

[13]崔維成, 劉峰, 胡震, 等. 蛟龍號載人潛水器的7 000米級海上試驗[J]. 船舶力學, 2012, 16(10): 1131-1143. CUI Weicheng, LIU Feng, HU Zhen, et al. 7 000 m sea trials test of the deep manned submersible "JIAOLONG"[J]. Journal of ship mechanics, 2012, 16(10): 1131-1143.

[14]熊世和. 機電系統計算機控制工程[M]. 成都: 電子科技大學出版社, 1999: 115-122.

[15]MURAKAMI P, HIROAKI, NAOKA Y. Multiplier-accumulator macro for a 45 MIPS embedded RISC processor[J]. IEEE journal of solid-state circuits.1996,31(7): 1067-1071.

[16]SUNG P, KYEONGCHEOL Y. Multi-rate parity accumulator accumulator codes[J]. IEEE vehicular technology conference, 2003, 57(4): 551-740.

[17]楊燕芳.不同工況下皮囊式蓄能器工作參數的選擇與計算[D]. 秦皇島：燕山大學, 2011:25-26． YANG Yangfang. Working parameters selection and calculation of bladder-type accumulator under the different conditions[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2011:25-26.

[18]戰興群,張炎華.二次調節系統中液壓蓄能器數學模型的研究[J].中國機械工程,2001, 12(3):45-46. ZHAN Xingqun, ZHANG Yanhua. Research on the mathematical model of hydraulic accumulator in the two regulation system[J].China mechanical engineering, 2001, 12(3):45-46.

[19]宋孝臣. 入口特性蓄能器性能影響的研究[D]. 秦皇島：燕山大學, 2006:12. SONG Xiaochen. Research on the influence of inlet characteristics on the performance of accumulator[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2006:12.

Experiment devices for simulating a deep-sea environment and dynamic pressure control technology

ZHANG Qiang, ZHANG Leili, ZHANG Mingjun

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In this paper, we develop a set of deep-sea environment simulation experiment devices with a large continual change scope of simulative pressureto simulate the pressureof a deep-sea environment. The dynamic pressure control technology isalso investigated. The method of connecting hydraulic cylinders in series in a hydraulic circuit is proposed to solve the boundedness that electro-hydraulic proportional valve uses a water medium. The phase compensation algorithm is proposed in view of the inherent hysteresis of the dynamic pressure control module. The fast pressure compensation method based on the gas accumulatoris proposed considering the fact that the system pressure cannot rapidly return to the target value caused by the test-pieceexplosion. The feasibility and effectiveness of the dynamic pressure control technology and the fast pressure compensation technology are verified by the experimental study of the simulation devices.

deep sea environment;series hydraulic cylinder; oil and water conversion; dynamic pressure control module; phase compensation algorithm; fast pressurecompensation method; hydraulic system

2015-10-19.

日期：2016-09-28.

國防基礎科研資助項目(B2420133003).

張強(1987-)，男，博士研究生； 張銘鈞(1963-)，男，教授，博士生導師，博士.

張銘鈞，E-mail：zhangmingjun@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu.201510044

TH137.3

A

1006-7043(2016) 11-1565-08

張強，張雷勵，張銘鈞. 深海環境模擬實驗裝置及壓力動態控制技術[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2016, 37(11): 1565-1572. ZHANG Qiang, ZHANG Leili, ZHANG Mingjun. Experiment devices for simulating a deep-sea environment and dynamic pressure control technology[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(11): 1565-1572.

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