潜艇自航模控制系统设计

魏 军，陈志诚，曾 斌

（海军工程大学，武汉 430033）

潜艇自航模控制系统设计

魏 军，陈志诚，曾 斌

（海军工程大学，武汉 430033）

为满足自航模操纵性试验的需要，设计了潜艇自航模控制系统的结构，建立了基于TCP/IP的网络通信协议，为保障自航模操纵性实验的安全性，设计了应急处理流程，通过对自航模定深控制过程的分析，完成了升降舵模糊控制器的设计。基于实现的自航模控制系统在操纵性实验中表现良好，对于类似系统的设计与实现具有一定借鉴意义。

潜艇自航模，控制系统，操纵性试验，系统设计，模糊控制

引言

自由自航船模（简称自航模）是与真实船型几何相似，质量和质量分布相似，直航阶段满足重力相似的模型，各种实船操纵性实验都可用自航模进行［1］，因此，潜艇自航模成为研究潜艇操纵性的重要装置，而控制系统作为潜艇自航模的重要组成部分，其设计和开发方法是关系到自航模能否顺利完成实验的关键问题。但目前有关潜艇自航模控制系统的文献还比较少，可见的如文献［2-3］，这些文献存在的问题无论是硬件平台还是设计思路都比较陈旧，导致实现的自航模控制系统控制能力和精度都比较差，无法满足复杂自航模实验的要求。

本文通过对潜艇自航模实验的需求进行分析，确立了控制系统的结构，设计了网络通信协议及应急处理流程，并利用根据操纵性试验定深控制的要求设计了升降舵模糊控制器。

1 潜艇自航模实验过程

由上文可知，能够顺利完成潜艇操纵性实验应为自航模控制系统的设计目标，因此，明确自航模控制系统的功能，需首先了解潜艇操纵性实验的有关知识。

潜艇自航模操纵性实验主要分为两类：水面操纵性实验及水下操纵性实验，其中水下操纵性实验是潜艇自航模实验的重点和难点。其主要包括：定深直航实验、定深回转实验、定深Z形实验等等，下面以定深回转实验为例说明潜艇自航模操纵性实验的内容：

·实验名称：定深回转实验

·目的：评价潜艇的回转性能。

·方法：自航模在预定航向上稳速直航并用升降舵保持深度不变，发出操舵令，以最快速度操方向舵至规定舵角，并保持此舵角，直至船艏向改变540°，一次实验结束。

·实验应取得的参数：船重心轨迹、战术直径、定常回转直径、动横倾角等等。

由实验内容可知，潜艇自航模实验的顺利完成依赖于两个要素：第一，自航模必须能够正常受控完成实验规定动作；第二，必须能在实验过程中取得相应实验数据以备分析，即数据采集需求。此两要素缺一不可。因此，控制系统必须满足控制及数据采集两大需求。而潜艇自航模相比水面自航模最大的一个特点是其操纵性实验主要在水下进行，无法与上位机进行无线网络通讯，而水下通讯一般采用的水声通讯和长波通讯带宽较窄，无法满足大量控制信息和数据采集信息传输的要求。因此，潜艇自航模控制系统应同时具备水下自控及本地实验数据存储能力。

由上可知，潜艇水下操纵性实验的基本过程，如图1所示。

图1 自航模水下操纵性实验过程

2 自航模控制系统设计

2.1 系统结构

根据潜艇自航模操纵性实验的要求，设计自航模控制系统结构如图2所示，其主要包含两部分，即艇载计算机系统（即下位机系统）及岸基计算机（即上位机系统）。其中艇载计算机是控制系统的主体部分，负责控制螺旋桨、升降舵、方向舵、进排水泵及气阀、重心控制滑块等控制要素以完成规定的实验动作，同时获取航向、水深、漏水、蓄电池电压、高压气瓶气压等系统状态，并在无线网络连接正常时传输至岸基计算机显示或分析。

图2 自航模控制系统结构

2.2 网络传输协议

自航模控制系统中，上位机系统与下位机系统通过TCP/IP通信协议进行控制及数据信息传输，控制命令协议如表1所示。

表1 控制命令协议

说明：type:

0：艏升降舵转舵，value为转舵度数；

1：艉升降舵转舵，value为转舵度数；

2：艉方向舵转舵，value为转舵度数；

3：升降舵舵角校准完成；

4：水平舵舵角校准完成；

5：绝对调整螺旋桨转速，value为转速；

6：航向初始化，value取0～1（0：初始化完毕，1：初始化开始）；

7：进排水，value取0～3（0：开始进水，1：开始排水，2：停止进水，3：停止排水）；

8：纵向重心滑块调整，value取0～3（0：开始正转，1：开始反转，2：停止正转，3：停止反转）；

9：垂向重心滑块调整，value取0～3（0：开始正转，1：开始反转，2：停止正转，3：停止反转）。

实验参数协议如下页表2所示，不同的实验需要的实验参数有所不同。如定深直航实验需要的参数有：实验时间、超时时间、直航稳定时间、规定下潜纵倾、深度等等。

2.3 潜艇自航模操纵性实验安全性设计

由于潜艇自航模操纵性实验的特殊性，需从多个角度考虑其安全性问题，以确保船体和设备的万无一失。其安全性设计如图3所示。即若发生蓄电池欠压、高压气瓶欠压、漏水、自航模姿态异常（如横倾或纵倾过大）、自航模下潜超规定深度、程控实验超时以及在无线遥控状态下突然丢失无线连接（水下程控实验无线连接也将丢失，将不视作异常）等情况时，均视之为异常情况，并根据潜艇自航模所处状态分别进行异常处理。如自航模处于水下状态，则排水，调整升降舵上浮，到达水面后与上位机建立网络连接后，由上位机控制螺旋桨停机，若自航模处于水面状态，则直接螺旋桨停机即可，然后由工作人员靠近并使用拖船拖回，检测排除故障后重新投入实验。

表2 控制命令协议

图3 自航模安全性设计

需要指出的是，即使以上安全设计已把所有问题考虑得非常全面，但其仍有一个致命的弱点，即以上设计都依赖于舰载计算机仍处于正常工作状态。若舰载机由于某种原因已失效，则以上设计将无能为力。因此，还需增加水声遥控这一手段作为冗余安全控制方式：即在观察（无线网络有效时可以通过岸基计算机进行监控，无效时可以通过肉眼观察或水声定位系统）到自航模已处于某种不正常状态，但舰载计算机安全措施未起作用的情况下，通过水声遥控使主机停机和排水上浮。

3 潜艇自航模定深模糊控制器设计

潜艇自航模水下操纵性试验一般都要求进行定深控制，因此，对潜艇自航模定深控制方法的研究是自航模控制系统设计与实现的关键。本文利用模糊控制理论设计了自航模的定深控制器。

3.1 定深控制要点分析

根据潜艇的运动规律［4］，可将潜艇自航模定深控制过程分为3个阶段，如图4所示。

图4 定深控制过程

第1阶段：快速下潜阶段（t0～t1）。为了较快实现定深控制，在开始阶段需要迅速增加纵倾角以实现快速下潜的目的。此阶段潜艇的姿态变化比较大，需要艏、艉升降舵共同操下潜舵。

第2阶段：均匀下潜阶段（t1～t2）。潜艇纵倾达到一定角度后，不宜再增加纵倾角，以免发生翻转安全事故，由于艉升降舵力矩较大，因此，此阶段应由艏升降舵操下潜舵继续控制下潜，而艉升降舵则微小调整以保持适当纵倾即可，此阶段是改变深度的主要阶段。

第3阶段：深度保持阶段（t2～t3）。此阶段由于潜艇已接近规定深度，因此，需逐步减小纵倾角使潜艇恢复水平姿态，同时还需保持深度不变，一般情况下以艏升降舵控制定深，艉升降舵控制纵倾角。

3.2 升降舵模糊控制器设计

由上节可知，完成潜艇自航模的定深控制需设计两个控制器，即艏升降舵定深控制器及艉升降舵纵倾控制器，而以模糊逻辑为基础的模糊控制其具有不依赖于被控对象的精确数学模型、鲁棒性能好等特点［5-6］，显然非常适宜用于设计需要的控制器，由于篇幅所限，本文只论述艏升降舵定深模糊控制器设计方法，艉升降舵模糊纵倾控制器设计方法与之类似，不再赘述。

模糊控制器输入量为：

·深度偏差：即当前深度与目标深度的差值，正值代表当前深度过深，负值代表当前深度过浅，0代表无偏差；

·深度变化：即当前深度与上一时刻深度的差值，正值代表潜艇正在下潜，负值代表潜艇正在上浮，0代表深度未发生变化。

模糊控制器控制量为：

·升降舵角：即相对于当前状态的升降舵相对舵角，正值代表控制潜艇下潜加速或上浮减速，负值代表控制潜艇上浮加速或下潜减速，0代表保持当前舵角不变。

输入量和控制量的模糊隶属函数都为三角函数，且都化为7个模糊集，分别为：负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、近似零（Z）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）。如控制量升降舵角的模糊隶属函数如图5所示（其他变量的隶属函数与之类似）。

图5 升降舵角隶属函数

模糊控制规则如表3所示。

4 结语

自航模操纵性实验是研究舰艇操纵性的重要手段，本文介绍了潜艇自航模系统的基本组成，设计了上位机与下位机的TCP/IP通信协议，并建立了操纵性实验安全性设计的基本流程，利用模糊控制理论解决了自航模的定深控制问题。实现后的系统操纵简单，可靠性高，定深控制准确有效，满足自航模操纵性实验的要求。

表3 模糊控制规则

［1］范尚雍.船舶操纵性［M］.北京：国防工业出版社，1988.

［2］王 波.潜艇自航模水下长波遥控系统［J］.海军工程大学学报，2007，19（2）：17-20.

［3］毕 毅.水下自航模型无线长波遥控系统［J］.船舶工程，2002（6）：72-74.

［4］何卫华，王益民，黄健鹰.潜艇自动操纵控制系统的基本原理及其现状［J］.舰船科学技术，2005，23（16）：20-24.

［5］刘 洋，米 伟，郭 晨.船舶航向模糊自整定操舵控制器的研究［J］.中国航海，2010，3（5）：11-15.

［6］刘文峰.船舶航向模糊控制系统研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

Design of Submarine Self-propelled Model Control System

WEI Jun，CHEN Zhi-cheng，ZENG Bin
（Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

To meet the demands of self-propelled model maneuverability experiment，the system structure of the submarine self-propelled model control system is built，and setting up the network communication protocol based on TCP/IP.The emergency treatment process is present to ensure the safety of maneuverability experiment.By analyzing the depth control process of self-propelled model，the elevator fuzzy controller is designed.The result of experiment shows that the self-propelled model control system based on this paper behaves well.These works are helpful to the design and implement of other similar system.

submarine self-propelled model，control system，maneuverability experiment，system design，fuzzycontrol

TP29

A

1002-0640（2014）11-0171-04

2013-10-08

2013-11-25

魏 军（1967- ），男，河南南阳人，副教授。研究方向：系统集成与系统控制。