一种新型矢量推进器设计与控制

苏恒， 张琼， 马永敬， 刘兵， 谭杰， 邓学文

（1.长沙市电子工业学校，长沙 410116；2.湖南师范大学工程与设计学院，长沙 410081；3.长沙航空职业技术学院，长沙 410124；4.芷江民族职业中专学校，湖南 怀化 418000；5.靖州县职业教育总校，湖南 怀化 418499）

0 引言

水下探测器的转向舵转弯半径大且推进装置无法转向，导致其无法轻易完成原地转弯等动作，为解决该问题，众多研究提出了一种方向和大小均发生改变的矢量推进力装置，通过对推进器进行动力学分析，得到运动参数和力矩的变化规律[1-2]，采用模糊PID算法，以偏航角控制为例，设计了水下航行器的模糊PID控制器[3]，通过引入非线性矢量运动算法，进行推进器的运动数学模型建立分析[4]，这些研究均基于现有的推进器展开。本文根据F-35发动机矢量尾喷管原理设计一种新型矢量推进装置，验证其可行性，并设计了模糊-单神经元控制器，为水下探测器高机动推进系统研究提供一定指导。

1 矢量推进器设计

1.1 自由度计算

为了实现空间中螺旋桨姿态的调整，提出样机主要技术指标，如表1所示。

表1 推进器主要技术指标

图1为该矢量推进器的机械运动简图，螺旋桨柔性轴安装在主轴电动机外壳10上，转向电动机2、4、5分别安装于7、8、9等3段筒体上，且筒体上装有啮合传动齿轮，通过控制转向电动机的转动，3个筒体即可完成沿斜切面的相对旋转，进而使螺旋桨轴线完成全方位摆动。

图1 新型矢量推进器机构运动简图

该矢量推进器的自由度公式为

式中：F为机构的自由度；n为构件数；g为运动副数；fi为第i个运动副的相对自由度数。

得出该新型矢量推进器的自由度数为4。

1.2 截面偏角计算

图2为新型矢量推进器的几何特征示意图。该矢量推进器由3段筒体构成，截面a-a至bb为第一段筒体，截面b-b和c-c之间为第二段筒体，截面c-c和d-d为第三段筒体，且截面bb和c-c为相邻两筒体的结合面。图3为该推进器筒体偏转至最大偏角时的型面示意图，α为截面2-2和4-4的夹角，β为螺旋桨的偏转角度。

图2 新型矢量推进器几何特征示意图

图3 推进器最大偏角型面示意图

根据偏转规律可知，α和β满足如下关系式：

由式（2）可得，当螺旋桨轴线偏角为90°时，截面夹角应为22.5°。

1.3 推进器结构

图4为新型矢量推进器的机构，该矢量推进器通过控制3段筒体的旋转实现螺旋桨的全方位摆动，其主要由主轴电动机、传动轴、3个转向电动机、3段筒体、传动齿轮及密封件等构成。

图4 新型矢量推进器结构

2 推进器偏转模型

为了保证3段筒体的中心线保持在同一平面内，建立矢量推进器的偏转模型[4-5]如图5所示。

图5 新型矢量推进器偏转规律模型

坐标系x0y0z0绕坐标系xyz的x轴旋转角度-θ1的余弦矩阵为

式中：θ1、θ2、θ3为3段筒体的旋转角度；α为截面2-2和截面4-4的夹角；β为矢量推进器螺旋桨的偏转角度。

3 偏转角度耦合验证

为验证该推进器螺旋桨轴线的最大偏转角度，设置偏转电动机参数（如表2），其中令电动机2转向为正向“+”，得到螺旋桨轴线角度变化如图6和图7所示。

表2 偏转电动机参数

由图6可知，在30 s设定时间内，螺旋桨轴线最大偏转角度为90°，而轴线的偏转角度区间为[-90°,90°]，在0.82 s时偏转角度为0°，在7.32 s时偏转角度为90°，则偏转角周期近似为6.5 s。由图7可知，螺旋桨轴线yz面最大投影角度为180°，而轴线的投影角度区间为[-180°,180°]，此处的投影角度180°和-180°螺旋桨位于同一位置，由于只是一个过渡点，机构的投影角度并未发生突变。耦合验证结果表明，螺旋桨轴线能实现最大偏转角度为90°的偏转，且可实现螺旋桨轴绕中心轴进行360°旋转。

图6 螺旋桨轴线偏转角度

图7 螺旋桨轴线yz 面投影角度

4 模糊-神经元PID控制

矢量推进器控制系统结构如图8所示，当筒体发生偏转，会产生偏转角度误差。

图8 矢量推进器控制系统结构框图

伺服电动机调速系统传递函数[6-7]为

第一筒体旋转角度θ1和第二筒体旋转角度θ2的转速误差为

神经元可以提高神经网络的鲁棒性和容错性[8]，模糊-单神经元PID 控制结构如图9所示。

图9 模糊-单神经元PID 控制器结构

增量式的单神经元控制算法为：

引入PID控制后筒体转速误差如图10所示，阶跃响应下的3种PID控制方法下的结果如图11所示。

图10 筒体转速误差

图10 中引入PID控制后，转速误差由0.1下降至0.07 左右。图11中，PID控制下响应时间为1.5 s，模糊PID控制下响应时间1.2 s，而在模糊-单神经元PID控制下响应时间为0.8 s，系统响应更加迅速；在4 s时加入8%的干扰信号，模糊-单神经元PID稳定时间更短，提高了系统的稳定性。

图11 干扰仿真结果对比

5 结论

1）设计了一种新型矢量推进器，利用电动机控制3段筒体偏转实现全方位摆动，并耦合验证了该结构的可行性。

2）设计了模糊-单神经元PID控制器，结果表明，该控制器可以减少系统的响应时间并提高系统的稳定性。