張強(qiáng)，張雷勵(lì)，張銘鈞

(哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置及壓力動(dòng)態(tài)控制技術(shù)

張強(qiáng)，張雷勵(lì)，張銘鈞

(哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

為了模擬深海環(huán)境壓力，研制了一套模擬壓力可以大范圍連續(xù)變化的實(shí)驗(yàn)裝置，并研究了其壓力動(dòng)態(tài)控制技術(shù)。提出了在液壓回路中串聯(lián)液壓缸的方法解決電液比例閥使用水介質(zhì)的局限性問(wèn)題；針對(duì)壓力動(dòng)態(tài)控制模塊固有滯后特性的問(wèn)題，提出了相位補(bǔ)償算法予以解決；針對(duì)實(shí)驗(yàn)試件爆破時(shí)造成裝置內(nèi)壓力突降而無(wú)法快速恢復(fù)到目標(biāo)值的問(wèn)題，提出了基于氣體式蓄能器的壓力快速補(bǔ)償方法予以解決。通過(guò)對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了本文研究的壓力動(dòng)態(tài)控制技術(shù)、壓力快速補(bǔ)償技術(shù)的可行性和有效性。

深海環(huán)境；串聯(lián)液壓缸；油水轉(zhuǎn)換；壓力動(dòng)態(tài)控制模塊；相位補(bǔ)償算法；壓力快速補(bǔ)償方法；液壓系統(tǒng)

隨著海洋開(kāi)發(fā)進(jìn)程的加快，水下設(shè)備的研發(fā)越來(lái)越受到重視[1]，基于試壓容器的深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置可在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬深海環(huán)境，為研制水下設(shè)備提供便捷、可靠的陸地實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)縮短設(shè)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(shí)際價(jià)值[2]。

“紅色”在中國(guó)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(lián)系在一起。在翻譯時(shí)，霍克斯采用了源語(yǔ)文化服從目的語(yǔ)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(yǔ)讀者理解，但卻沒(méi)能將源語(yǔ)文化傳遞向目的語(yǔ)文化中，沒(méi)能達(dá)到文化交流的目的。

本文針對(duì)水下設(shè)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(xù)變化的深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置。針對(duì)系統(tǒng)固有慣性以及閉環(huán)系統(tǒng)延遲特性的影響問(wèn)題，提出一種對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)姆椒?，以改善系統(tǒng)壓力動(dòng)態(tài)控制性能；針對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)壓力突降的問(wèn)題，研究了一種壓力快速補(bǔ)償方法。通過(guò)對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本文所提出方法的可行性與有效性。

1 深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置總體方案

1.1 深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置組成分析

深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置需要能夠模擬水下設(shè)備做復(fù)雜升沉運(yùn)動(dòng)所對(duì)應(yīng)承壓環(huán)境的變化，同時(shí)當(dāng)艙體類實(shí)驗(yàn)試件爆破造成系統(tǒng)壓力突降時(shí)應(yīng)使系統(tǒng)壓力快速恢復(fù)。針對(duì)這些要求，本文研制了一套深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其組成如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)裝置的基本工作原理為：控制器根據(jù)目標(biāo)壓力曲線，控制壓力動(dòng)態(tài)控制模塊，升高試壓容器內(nèi)壓力，當(dāng)試壓容器內(nèi)某個(gè)試驗(yàn)艙爆炸時(shí)，試壓容器內(nèi)壓力陡降，此時(shí)壓力快速補(bǔ)償模塊啟動(dòng)，使其快速升壓，達(dá)到接近爆炸前的壓力。

圖1 深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置組成圖Fig.1 The composition diagram of deep sea environment simulation experiment device

1.2 深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置壓力動(dòng)態(tài)控制模塊

壓力動(dòng)態(tài)控制模塊的作用是模擬不同水深的外部環(huán)境壓力。文獻(xiàn)[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(jī)、減速器和絲杠等啟動(dòng)慣性的影響，其頻響速度較慢。文獻(xiàn)[4]基于電液比例閥設(shè)計(jì)的壓力動(dòng)態(tài)控制方案，其仿真結(jié)果能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，但沒(méi)有考慮深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置通常使用水介質(zhì)，易造成電液比例閥內(nèi)部銹蝕，從而影響其控制性能和使用壽命。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究并設(shè)計(jì)了壓力動(dòng)態(tài)控制方案。針對(duì)文獻(xiàn)[3]中電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式頻響速度慢的問(wèn)題，本文改進(jìn)為液壓驅(qū)動(dòng)方式；針對(duì)文獻(xiàn)[4]中電液比例閥不適于水介質(zhì)的問(wèn)題，本文提出在電液比例閥出油口和試壓容器之間串聯(lián)一只液壓缸，通過(guò)其活塞阻隔作用實(shí)現(xiàn)油水轉(zhuǎn)換的解決方案。本文設(shè)計(jì)的壓力動(dòng)態(tài)控制模塊工作原理如圖2所示。

圖2 壓力動(dòng)態(tài)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(duì)誤差小于±0.02 MPa(對(duì)應(yīng)水深±2 m)，能保持目標(biāo)曲線特征，反映出壓力動(dòng)態(tài)控制模塊可較好地跟蹤0.01 MPa/s的斜坡函數(shù)。

本文基于PID控制算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓力補(bǔ)償控制，具體如下：

圖5中，輸入量單位階躍信號(hào)Step表示為試件發(fā)生爆破時(shí)系統(tǒng)壓力突降值，其值的選取是基于作者之前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，輸出量表示壓力快速補(bǔ)償模塊工作時(shí)蓄能器液腔流量Q1的變化。Gain1為蓄能器液腔中液體質(zhì)量的倒數(shù)1/ma，Gain2為Ba/ma，Gain3對(duì)應(yīng)為Ca/ma，Gain2與Gain3之和即為蓄能器傳遞函數(shù)中的2ζωn，Gain4表示ka+kp0Aa/V0，即為系統(tǒng)無(wú)阻尼固有頻率的平方ωn2。進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，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(xiàn)[1]的方法，通過(guò)圖2壓力動(dòng)態(tài)控制模塊的工作原理圖，結(jié)合本文所選擇的具體元件，推導(dǎo)出壓力動(dòng)態(tài)控制模塊的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

(1)

式中：Pa(s)為壓力模塊輸出量；U0(s)為控制電壓信號(hào)；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(fù)載質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率，rad/s；ξy為液壓缸一負(fù)載質(zhì)量系統(tǒng)的阻尼比。

壓力動(dòng)態(tài)控制模塊的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(2)

式中：Ky為壓力傳感器比例系數(shù)。

2)確定PID控制器參數(shù)

系統(tǒng)設(shè)置了7個(gè)限位開(kāi)關(guān)，分別用于檢測(cè)各部分的工作狀態(tài)。其中，SQ1 檢測(cè)待剪板料是否被輸送到位。SQ2、SQ3 分別檢測(cè)壓塊B 的狀態(tài)，檢測(cè)壓塊是否壓緊已到位的板料；SQ4 檢測(cè)剪切刀A 的狀態(tài)；SQ7 為光電接近開(kāi)關(guān), 檢測(cè)板料是否被剪斷落入小車；SQ5 用于檢測(cè)小車是否到位；SQ6 用于判斷小車是否空載。送料機(jī)構(gòu)E、壓塊B、剪切刀A和送料小車分別由4臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。系統(tǒng)未啟動(dòng)時(shí), 壓塊及剪切刀的限位開(kāi)關(guān)SQ2、SQ3 和SQ4以及 SQ1、SQ7均斷開(kāi)。

本文參考文獻(xiàn)[14]的方法，通過(guò)式(2)建立仿真模型，并采用Simulink Design Optimization工具對(duì)PID控制器參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，最終得到參數(shù)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(shù)，ka為氣體等效剛度系數(shù)。

壓力突降是影響深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置工作性能的一個(gè)不確定因素，艙體類試件在爆破時(shí)造成試壓容器內(nèi)壓力突降，為模擬真實(shí)海洋環(huán)境的要求，希望壓力突降后能夠快速恢復(fù)。對(duì)于壓力突降后快速恢復(fù)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究不多。文獻(xiàn)[5]通過(guò)閉環(huán)機(jī)械加載進(jìn)行壓力突降后快速補(bǔ)償，但受電機(jī)啟動(dòng)特性和機(jī)械慣性影響，實(shí)際補(bǔ)償速度慢。

有時(shí)研究人員和日記主人是同一個(gè)人(“研究人員本人日記”)，此時(shí)研究人員就以自身經(jīng)歷為考察對(duì)象；有時(shí)研究人員不自己寫日記或不用自己的日記，而要求被調(diào)查者(往往是語(yǔ)言學(xué)習(xí)者和語(yǔ)言教師)寫日記，供研究人員使用。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文首先對(duì)壓力補(bǔ)償源進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[6]針對(duì)工程機(jī)械液壓系統(tǒng)在復(fù)雜工況時(shí)受較大壓力沖擊問(wèn)題，提出在液壓回路中安裝氣體式蓄能器對(duì)壓力沖擊進(jìn)行吸收，仿真結(jié)果表明，選用合適參數(shù)的氣體式蓄能器可對(duì)壓力沖擊具有良好的吸收效果，但該方式存在如何優(yōu)選蓄能器的問(wèn)題。本文借鑒文獻(xiàn)[6]的思路，采用蓄能器在壓力突降后快速補(bǔ)償，壓力快速補(bǔ)償方法工作原理如圖3。

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

壓力快速補(bǔ)償方法的工作原理為：蓄能器氣腔內(nèi)為高壓氣體，當(dāng)試壓容器內(nèi)試件發(fā)生爆破造成系統(tǒng)壓力突降時(shí)，在氣腔和液腔壓差的作用下，蓄能器液腔內(nèi)的液體快速補(bǔ)充給試壓容器，使得系統(tǒng)壓力迅速恢復(fù)。

邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和治理涉及到水利水電工程、鐵道工程等諸多工程領(lǐng)域，邊坡失穩(wěn)形成滑坡、崩塌及地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，輕則增加投資、延長(zhǎng)工期，重則摧毀建筑物、造成人員傷亡，能否正確評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性常常是此類工程成敗的關(guān)鍵，也是確保工程安全和降低建設(shè)費(fèi)用的重要環(huán)節(jié)。

2 壓力快速補(bǔ)償方法關(guān)鍵技術(shù)研究

本節(jié)分析蓄能器的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)仿真研究其主要參數(shù)與吸收壓力沖擊效果之間的關(guān)系，以提高壓力快速補(bǔ)償性能。

2.1 蓄能器系統(tǒng)模型分析

綜上所述，高職院校建筑類專業(yè)英語(yǔ)課程模塊重構(gòu)非常重要，這對(duì)于學(xué)生未來(lái)發(fā)展有一定影響。雖然當(dāng)前大部分高職院校都為學(xué)生提供了專門的英語(yǔ)課程，但是在課程開(kāi)展的過(guò)程中還是存在一定問(wèn)題。大學(xué)生就業(yè)問(wèn)題一直都被重點(diǎn)關(guān)注，學(xué)生需要不斷提升自己學(xué)習(xí)能力與專業(yè)的英語(yǔ)水平才能滿足眾多建筑企業(yè)的需求。要注重學(xué)生的實(shí)踐能力，讓學(xué)生將所學(xué)習(xí)到的專業(yè)理論知識(shí)更好地運(yùn)用到實(shí)踐中，要重視建筑專業(yè)英語(yǔ)教學(xué)，讓學(xué)生可以在課堂上多練習(xí)英語(yǔ)，通過(guò)英語(yǔ)表達(dá)想法，將專業(yè)英語(yǔ)與建筑知識(shí)相融合，高校需要充分意識(shí)到建筑專業(yè)英語(yǔ)課程模塊重構(gòu)的重要性，改變英語(yǔ)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式，讓學(xué)生可以從中獲得更多知識(shí)，逐漸提升自身的英語(yǔ)水平。

綜合考慮深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究現(xiàn)狀，并結(jié)合水下作業(yè)設(shè)備研制工作的實(shí)際應(yīng)用需求，爆破試件的容積約占整體容積的1%左右，本系統(tǒng)試壓器總?cè)莘e是253 L，因此本文研制的目標(biāo)爆破試件容積ΔV為0.3 L，爆破壓力pb為4.5 MPa，應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)公稱容積V0分別為4、6.3、10 L的蓄能器進(jìn)行仿真。參考文獻(xiàn)[11,17-18]，蓄能器氣腔的初始充氣壓力p0設(shè)為4.0 MPa，通過(guò)仿真分析蓄能器公稱容積V0對(duì)于其吸收壓力沖擊效果的影響。

上周（10月15日-10月19日）國(guó)際尿素市場(chǎng)需求放緩，尿素經(jīng)銷商重心轉(zhuǎn)向國(guó)內(nèi)，尿素價(jià)格高位企穩(wěn)。10月22日中國(guó)尿素 批 發(fā) 價(jià) 格 指 數(shù)（CNPI）為2110.01點(diǎn)，環(huán)比上漲0.39點(diǎn)，漲幅為0.02%；同比上漲345.48點(diǎn)，漲幅為19.58%；比基期上漲246.76點(diǎn)，漲幅為 13.24%。10月22日中國(guó)尿素零售價(jià)格指數(shù)（CNRI）為 2203.72點(diǎn)，環(huán)比上漲6.92點(diǎn)，漲幅為0.32%；同比上漲348.05點(diǎn)，漲幅為18.76%；比基期上漲298.76點(diǎn)，漲幅為15.68%。

要求從業(yè)人員是具備職業(yè)道德、掌握康復(fù)基礎(chǔ)知識(shí)及過(guò)硬專業(yè)技能的復(fù)合型人才。培養(yǎng)具備在社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心、康復(fù)護(hù)理院、療養(yǎng)院、養(yǎng)老院、老年福利院、居家養(yǎng)老服務(wù)及日間照料中心等各類機(jī)構(gòu)，運(yùn)用現(xiàn)代康復(fù)治療技術(shù)對(duì)常見(jiàn)老年病、慢性病進(jìn)行康復(fù)評(píng)估與治療，并具備老年社會(huì)工作管理能力，具有愛(ài)心、耐心及責(zé)任心等良好職業(yè)道德、人文素養(yǎng)、創(chuàng)新精神的高素質(zhì)技能型老年康復(fù)治療人才非常必要[7]。

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

本文基于牛頓第二定律，對(duì)蓄能器液腔對(duì)蓄能器模進(jìn)行力學(xué)分析，得到以蓄能器液腔內(nèi)液體為研究對(duì)象的數(shù)學(xué)模型[10,15-16]：

(3)

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

對(duì)式(3)進(jìn)行拉氏變換，得到氣體式蓄能器的傳遞函數(shù)：

(4)

1.3 壓力快速補(bǔ)償方法研究

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

(5)

根據(jù)蓄能器各結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)ka表達(dá)式進(jìn)行整理得：

(6)

分析式(4)、(6)，蓄能器系統(tǒng)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(tǒng)工作壓力p2等參數(shù)有關(guān)。

2.2 蓄能器系統(tǒng)仿真研究

本文的研究背景是深海環(huán)境(水深大于4 000 m)，基于上述分析，壓力罐加壓應(yīng)該大于40 MPa?？紤]到40 MPa壓力陡降時(shí)進(jìn)行快速補(bǔ)償有一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)由于試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中都選擇4.5 MPa(對(duì)應(yīng)水深450 m)。

考慮非期望產(chǎn)出的中國(guó)區(qū)域生態(tài)效率測(cè)度及差異分析 … ……………………………… 劉丙泉，王 超（2．45）

試壓罐內(nèi)壓力突變與試驗(yàn)艙容積和試壓罐容積相關(guān)。即，試驗(yàn)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?nèi)≡噳汗奕莘e突變來(lái)研究深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置的壓力補(bǔ)償能力不能充分說(shuō)明問(wèn)題。本文選取壓力突變來(lái)驗(yàn)證本文研制的深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置的壓力補(bǔ)償能力。

ABAQUS建模后，將混凝土柱劃分為8個(gè)單元，梁劃分為10個(gè)單元，模型計(jì)算時(shí)調(diào)用PQ-Fiber子程序.

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

(7)

(8)

參考蓄能器標(biāo)準(zhǔn)系列手冊(cè)，并根據(jù)壓力快速補(bǔ)償方法的實(shí)際參數(shù)，對(duì)不同公稱容積時(shí)蓄能器的ξ、ωn進(jìn)行求解，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 氣體式蓄能器不同公稱容積下相應(yīng)參數(shù)

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(jù)式(2)在MATLAB軟件Simulink環(huán)境中建立蓄能器系統(tǒng)吸收壓力沖擊的仿真模型，如圖5所示，并將表1的數(shù)據(jù)代入圖5對(duì)應(yīng)位置。

圖5 蓄能器系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Accumulator system simulation model

1)推導(dǎo)傳遞函數(shù)

我們?cè)谌龑咏粨Q機(jī)上建立VLAN 60與VLAN 70兩個(gè)網(wǎng)段，并啟用路由功能，以保證兩個(gè)網(wǎng)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(tǒng)的響應(yīng)速度減慢，但穩(wěn)定性增強(qiáng)，輸出流量的振蕩情況減小，當(dāng)V0從4.0 L依次增加至6.3 L和10 L時(shí)，蓄能器吸收相同壓力沖擊所耗時(shí)間分別為0.015 s、0.013 s、0.10 s?？梢钥闯?，V0并不是越大越好，也不是越小越好，對(duì)于本文深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置的具體參數(shù)，當(dāng)V0為6.3 L時(shí)，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(shí)間最短?；诜抡娼Y(jié)果，本文選定V0為6.3 L的氣體式蓄能器。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的壓力動(dòng)態(tài)控制模塊和壓力快速補(bǔ)償方法的可行性，驗(yàn)證在試壓容器和蓄能器之間串聯(lián)液壓缸的壓力快速補(bǔ)償?shù)男Ч髡叽罱松詈－h(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

3.1 壓力動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)研究

本文搭建了深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7 深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7 Deep sea environment simulation experiment device

為了驗(yàn)證本文研制的深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置模擬水下設(shè)備工作在不同水深時(shí)的水壓變化情況，參考我國(guó)“蛟龍?zhí)枴陛d人潛器7 000 m海試時(shí)的下潛速度(約0.84 m/s)[13]，本文設(shè)計(jì)斜率為0.01 MPa/s斜坡函數(shù)跟蹤實(shí)驗(yàn)?？紤]到水下裝備因地形限制或工作需求，可能往復(fù)升沉運(yùn)動(dòng)，本文又設(shè)計(jì)了頻率為0.025 Hz、0.05 Hz、0.1 Hz的正弦曲線跟蹤實(shí)驗(yàn)。

1)斜坡函數(shù)跟蹤效果

壓力動(dòng)態(tài)控制模塊跟蹤斜率為0.01 MPa/s斜坡函數(shù)的實(shí)際壓力曲線及其跟蹤誤差如圖8所示。

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

圖2中，壓力動(dòng)態(tài)控制模塊工作過(guò)程為：電液比例閥根據(jù)放大器接收信號(hào)的幅值和極性調(diào)節(jié)閥口的開(kāi)度和方向，控制油路的流量和方向，進(jìn)而控制水路中進(jìn)出試壓容器的液體流量和方向，實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的壓力動(dòng)態(tài)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(shí)際跟蹤曲線及跟蹤誤差如圖9所示。

圖9 正弦信號(hào)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(dòng)態(tài)控制模塊可以較好地跟蹤目標(biāo)曲線的形狀特征。斜坡函數(shù)和正弦曲線跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了本文研制的壓力動(dòng)態(tài)控制模塊的可行性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電液比例閥工作良好，系統(tǒng)升壓過(guò)程穩(wěn)定，表明本文提出在液壓回路中串聯(lián)液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)油水轉(zhuǎn)換方案的有效性，將圖9不同頻率正弦曲線跟蹤數(shù)據(jù)整理為表2。

分析表2數(shù)據(jù)，目標(biāo)曲線頻率分別為0.025 Hz、0.05 Hz、0.1 Hz時(shí)，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(jī)械系統(tǒng)的慣性以及閉環(huán)系統(tǒng)延遲特性影響，造成跟蹤曲線相位滯后，對(duì)此，本文接下來(lái)研究相位滯后問(wèn)題。

表2 不同頻率的正弦曲線跟蹤指標(biāo)

3.2 針對(duì)相位滯后的改進(jìn)算法及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

已有文獻(xiàn)表明：初始?jí)毫0越大，蓄能器的快速補(bǔ)償能力越好，但是氣體體積V0并不是越大越好，V0的優(yōu)選值涉及到輸出流量振蕩、吸收壓力耗時(shí)等因素。為了分析蓄能器在壓力快速補(bǔ)償方法中的性能，本節(jié)研究蓄能器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)V0和工作參數(shù)p0對(duì)其性能的影響。文獻(xiàn)[7]指出，氣體式蓄能器為一個(gè)模型復(fù)雜的二階系統(tǒng)，影響其工作性能的參數(shù)較多，對(duì)此，本文采用機(jī)理分析法對(duì)其工作原理進(jìn)行分析[8]，參考文獻(xiàn)[9，19]簡(jiǎn)化氣體式蓄能器本體模型，如圖4所示。

本文目標(biāo)曲線為Y1=Asin2πft+B，根據(jù)圖9實(shí)驗(yàn)可知，實(shí)際跟蹤曲線表達(dá)式為Y1=Asin(2πft+θ)+B，即實(shí)際跟蹤曲線與目標(biāo)曲線之間存在θ的相移，θ具體數(shù)值可由實(shí)驗(yàn)得到的時(shí)間延遲t1、目標(biāo)函數(shù)頻率f來(lái)求得，三者的關(guān)系為θ=2πft1。為了得到理想的壓力跟蹤曲線，本文根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的頻率f特征，對(duì)上述目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式Y(jié)1補(bǔ)償一定的相角-θ，得到經(jīng)處理后的表達(dá)式Y(jié)2=Asin(2πft-θ)+B，控制系統(tǒng)根據(jù)表達(dá)式Y(jié)2進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

電路說(shuō)明：太陽(yáng)能電池板兩塊串聯(lián)，每塊標(biāo)準(zhǔn)：15cm×6cm、3V、0.2A；Led燈泡有白光、黃光、綠光、藍(lán)光等顏色，最終選用白光（3.0 V～3.2V）；舊手機(jī)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(jù)表2中跟蹤曲線的參數(shù)，由θ=2πft1得到本文頻率為0.025 Hz、0.05 Hz、0.1 Hz時(shí)目標(biāo)曲線的補(bǔ)償相角θ分別為π/45、2π/45、π/12，根據(jù)Y2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖10所示。

圖10 相位補(bǔ)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(bǔ)償算法的實(shí)際效果，將圖9和圖10中，跟蹤不同頻率正弦曲線、有無(wú)相位補(bǔ)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(wú)相位補(bǔ)償算法時(shí)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(wú)補(bǔ)償有補(bǔ)償改善效果/%0.0250.050.021500.050.100.041500.10.180.07152

分析表3，有相位補(bǔ)償時(shí)，對(duì)應(yīng)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(wú)補(bǔ)償時(shí)，分別減小了150%、150%、152%，反映出本文提出的相位補(bǔ)償方法的有效性。

3.3 壓力快速補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)研究

“二十四橋明月夜”則有點(diǎn)暴發(fā)戶式的排場(chǎng)了：一整個(gè)火腿，挖二十四個(gè)洞，填入豆腐蒸之，最后把火腿丟棄，只取豆腐用之——其實(shí)，豆腐燉火腿是蘇浙滬地區(qū)最常見(jiàn)的家常小菜之一，火腿提供了咸鮮的滋味，豆腐提供了滑潤(rùn)醇厚的口感，不需要?jiǎng)e的調(diào)料，只要一撮蔥花配色，就是上得廳堂的好菜。

為了驗(yàn)證本文研制的壓力快速補(bǔ)償方法的可行性，本文進(jìn)行壓力快速補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)時(shí)試壓容器容積為253 L，實(shí)驗(yàn)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(duì)于蓄能器工作性能的影響，本文設(shè)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(bǔ)償方法的數(shù)據(jù)如表4所示。

分析表4可知，當(dāng)試壓容器內(nèi)加壓到4.49 MPa(爆炸壓力值)時(shí)，艙體類試件發(fā)生爆破，無(wú)壓力快速補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)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(bǔ)償?shù)奖▔毫?.49 MPa，即“需要補(bǔ)償壓力”為1.28 MPa。

有壓力快速補(bǔ)償時(shí)，本文以初始充氣壓力2.0 MPa為例，經(jīng)過(guò)0.32 s后，壓力恢復(fù)至4.09 MPa，壓力補(bǔ)償能力為4.09 MPa-3.21 MPa=0.88 MPa，占需要補(bǔ)償壓力1.28 MPa的68.7%，本文將68.7%稱為壓力補(bǔ)償能力。其他充氣壓力的壓力補(bǔ)償能力見(jiàn)表4。

比較文獻(xiàn)[5]的補(bǔ)償時(shí)間11.76 s，本文方法的補(bǔ)償時(shí)間很小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文研制的壓力快速補(bǔ)償方法的可行性及其迅速性。進(jìn)一步分析表4，本文方法對(duì)壓力突降后快速補(bǔ)償問(wèn)題有較好效果，但壓力恢復(fù)值與爆破時(shí)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(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 4 Experimental result indexes of different accumulator models

初始?jí)毫?MPa壓力恢復(fù)值/MPa壓力差值/MPa壓力補(bǔ)償能力/%補(bǔ)償時(shí)間/s無(wú)補(bǔ)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(bǔ)償方法改進(jìn)方案及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在基于氣體式蓄能器的壓力快速系統(tǒng)中，該系統(tǒng)工作完成后，試壓容器內(nèi)的壓力仍與目標(biāo)壓力存在一定差值。本文針對(duì)小容積蓄能器系統(tǒng)壓力補(bǔ)償能力有限的問(wèn)題，提出在壓力快速補(bǔ)償方法中氣體式蓄能器和試壓容器之間串聯(lián)液壓缸的方式進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)方案如圖11所示。

圖11 壓力快速補(bǔ)償方法改進(jìn)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(wú)桿腔與試壓容器直接相連，對(duì)于試壓容器內(nèi)同等ΔV液體補(bǔ)充量的需求，該方式通過(guò)間接減小蓄能器氣腔內(nèi)氣體體積變化量，從而達(dá)到提高其壓力補(bǔ)償能力的目的。為了檢驗(yàn)改善方案的效果，本文在深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行壓力快速補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中液壓缸的參數(shù)為：內(nèi)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(bǔ)償方法的相關(guān)數(shù)據(jù)如表5所示。

華北多特高壓交直流強(qiáng)耦合大受端電網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)方案設(shè)計(jì)//羅亞洲,陳得治,李軼群,王青,張劍云,訾鵬,等//(22):11

表5 補(bǔ)償方法改進(jìn)前/后的壓力快速補(bǔ)償效果

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

狀態(tài)改進(jìn)前改進(jìn)后壓力恢復(fù)值/MPa與目標(biāo)壓力差值/MPa壓力補(bǔ)償能力/%補(bǔ)償時(shí)間/s4.270.2382.20.244.350.1489.10.30

由表5中數(shù)據(jù)可知，改進(jìn)前后，壓力恢復(fù)值增加了0.08 MPa，與目標(biāo)壓力的差值減小了0.09 MPa，壓力補(bǔ)償能力由82.2%提高至89.1%，相對(duì)提高了6.9%。補(bǔ)償時(shí)間增加了0.06 s。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映出，本文提出的串聯(lián)液壓缸的方案，對(duì)于改善壓力快速補(bǔ)償方法的壓力補(bǔ)償能力有較好的效果，不足的是補(bǔ)償時(shí)間稍有增加，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)補(bǔ)償壓力和補(bǔ)償時(shí)間的不同要求，選擇是否采用該方法。

4 結(jié)論

1)針對(duì)深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置模擬外部復(fù)雜壓力環(huán)境的要求，研制了一套壓力動(dòng)態(tài)控制模塊。針對(duì)電液比例閥不適合水介質(zhì)的問(wèn)題，提出串聯(lián)液壓缸實(shí)現(xiàn)油水轉(zhuǎn)換的方法，函數(shù)跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文研制的壓力動(dòng)態(tài)控制模塊以及串聯(lián)液壓缸實(shí)現(xiàn)油水轉(zhuǎn)換方法的可行性。

2)針對(duì)液壓系統(tǒng)滯后特性影響壓力動(dòng)態(tài)模塊性能的問(wèn)題，本文提出采用相位補(bǔ)償?shù)姆椒?，跟蹤?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相位補(bǔ)償方法具有很好的改善效果。

3)針對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓力突降后快速恢復(fù)問(wèn)題，本文研究了壓力快速補(bǔ)償方法。壓力快速補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)蓄能器初始充氣壓力為4.0 MPa時(shí)，突降后的壓力由3.21 MPa快速恢復(fù)至4.27 MPa，耗時(shí)0.24 s，壓力補(bǔ)償能力為82.2%。反映出較好的壓力快速補(bǔ)償效果。

4)針對(duì)經(jīng)過(guò)快速補(bǔ)償后，系統(tǒng)壓力與目標(biāo)壓力仍存在一定差值的問(wèn)題，本文提出串聯(lián)液壓缸的改善方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方法后，壓力補(bǔ)償能力達(dá)到89.1%，反映出較好的補(bǔ)償效果。

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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(guó)防基礎(chǔ)科研資助項(xiàng)目(B2420133003).

張強(qiáng)(1987-)，男，博士研究生； 張銘鈞(1963-)，男，教授，博士生導(dǎo)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(qiáng)，張雷勵(lì)，張銘鈞. 深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置及壓力動(dòng)態(tài)控制技術(shù)[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 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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