魏 軍，陳志誠，曾 斌

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

潛艇自航?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)

魏 軍，陳志誠，曾 斌

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

為滿足自航模操縱性試驗(yàn)的需要，設(shè)計(jì)了潛艇自航?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)，建立了基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，為保障自航模操縱性實(shí)驗(yàn)的安全性，設(shè)計(jì)了應(yīng)急處理流程，通過對自航模定深控制過程的分析，完成了升降舵模糊控制器的設(shè)計(jì)。基于實(shí)現(xiàn)的自航?？刂葡到y(tǒng)在操縱性實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)良好，對于類似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有一定借鑒意義。

潛艇自航模，控制系統(tǒng)，操縱性試驗(yàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，模糊控制

引言

自由自航船模（簡稱自航模）是與真實(shí)船型幾何相似，質(zhì)量和質(zhì)量分布相似，直航階段滿足重力相似的模型，各種實(shí)船操縱性實(shí)驗(yàn)都可用自航模進(jìn)行［1］，因此，潛艇自航模成為研究潛艇操縱性的重要裝置，而控制系統(tǒng)作為潛艇自航模的重要組成部分，其設(shè)計(jì)和開發(fā)方法是關(guān)系到自航模能否順利完成實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵問題。但目前有關(guān)潛艇自航?？刂葡到y(tǒng)的文獻(xiàn)還比較少，可見的如文獻(xiàn)［2-3］，這些文獻(xiàn)存在的問題無論是硬件平臺(tái)還是設(shè)計(jì)思路都比較陳舊，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)的自航模控制系統(tǒng)控制能力和精度都比較差，無法滿足復(fù)雜自航模實(shí)驗(yàn)的要求。

本文通過對潛艇自航模實(shí)驗(yàn)的需求進(jìn)行分析，確立了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及應(yīng)急處理流程，并利用根據(jù)操縱性試驗(yàn)定深控制的要求設(shè)計(jì)了升降舵模糊控制器。

1 潛艇自航模實(shí)驗(yàn)過程

由上文可知，能夠順利完成潛艇操縱性實(shí)驗(yàn)應(yīng)為自航模控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此，明確自航模控制系統(tǒng)的功能，需首先了解潛艇操縱性實(shí)驗(yàn)的有關(guān)知識(shí)。

潛艇自航模操縱性實(shí)驗(yàn)主要分為兩類：水面操縱性實(shí)驗(yàn)及水下操縱性實(shí)驗(yàn)，其中水下操縱性實(shí)驗(yàn)是潛艇自航模實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。其主要包括：定深直航實(shí)驗(yàn)、定深回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、定深Z形實(shí)驗(yàn)等等，下面以定深回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)為例說明潛艇自航模操縱性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容：

·實(shí)驗(yàn)名稱：定深回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

·目的：評(píng)價(jià)潛艇的回轉(zhuǎn)性能。

·方法：自航模在預(yù)定航向上穩(wěn)速直航并用升降舵保持深度不變，發(fā)出操舵令，以最快速度操方向舵至規(guī)定舵角，并保持此舵角，直至船艏向改變540°，一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

·實(shí)驗(yàn)應(yīng)取得的參數(shù)：船重心軌跡、戰(zhàn)術(shù)直徑、定?；剞D(zhuǎn)直徑、動(dòng)橫傾角等等。

由實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可知，潛艇自航模實(shí)驗(yàn)的順利完成依賴于兩個(gè)要素：第一，自航模必須能夠正常受控完成實(shí)驗(yàn)規(guī)定動(dòng)作；第二，必須能在實(shí)驗(yàn)過程中取得相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以備分析，即數(shù)據(jù)采集需求。此兩要素缺一不可。因此，控制系統(tǒng)必須滿足控制及數(shù)據(jù)采集兩大需求。而潛艇自航模相比水面自航模最大的一個(gè)特點(diǎn)是其操縱性實(shí)驗(yàn)主要在水下進(jìn)行，無法與上位機(jī)進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)通訊，而水下通訊一般采用的水聲通訊和長波通訊帶寬較窄，無法滿足大量控制信息和數(shù)據(jù)采集信息傳輸?shù)囊蟆Ｒ虼?，潛艇自航模控制系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)具備水下自控及本地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。

由上可知，潛艇水下操縱性實(shí)驗(yàn)的基本過程，如圖1所示。

圖1 自航模水下操縱性實(shí)驗(yàn)過程

2 自航模控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)潛艇自航模操縱性實(shí)驗(yàn)的要求，設(shè)計(jì)自航?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要包含兩部分，即艇載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（即下位機(jī)系統(tǒng)）及岸基計(jì)算機(jī)（即上位機(jī)系統(tǒng)）。其中艇載計(jì)算機(jī)是控制系統(tǒng)的主體部分，負(fù)責(zé)控制螺旋槳、升降舵、方向舵、進(jìn)排水泵及氣閥、重心控制滑塊等控制要素以完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)動(dòng)作，同時(shí)獲取航向、水深、漏水、蓄電池電壓、高壓氣瓶氣壓等系統(tǒng)狀態(tài)，并在無線網(wǎng)絡(luò)連接正常時(shí)傳輸至岸基計(jì)算機(jī)顯示或分析。

圖2 自航?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議

自航?？刂葡到y(tǒng)中，上位機(jī)系統(tǒng)與下位機(jī)系統(tǒng)通過TCP/IP通信協(xié)議進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)信息傳輸，控制命令協(xié)議如表1所示。

表1 控制命令協(xié)議

說明：type:

0：艏升降舵轉(zhuǎn)舵，value為轉(zhuǎn)舵度數(shù)；

1：艉升降舵轉(zhuǎn)舵，value為轉(zhuǎn)舵度數(shù)；

2：艉方向舵轉(zhuǎn)舵，value為轉(zhuǎn)舵度數(shù)；

3：升降舵舵角校準(zhǔn)完成；

4：水平舵舵角校準(zhǔn)完成；

5：絕對調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速，value為轉(zhuǎn)速；

6：航向初始化，value取0～1（0：初始化完畢，1：初始化開始）；

7：進(jìn)排水，value取0～3（0：開始進(jìn)水，1：開始排水，2：停止進(jìn)水，3：停止排水）；

8：縱向重心滑塊調(diào)整，value取0～3（0：開始正轉(zhuǎn)，1：開始反轉(zhuǎn)，2：停止正轉(zhuǎn)，3：停止反轉(zhuǎn)）；

9：垂向重心滑塊調(diào)整，value取0～3（0：開始正轉(zhuǎn)，1：開始反轉(zhuǎn)，2：停止正轉(zhuǎn)，3：停止反轉(zhuǎn)）。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)協(xié)議如下頁表2所示，不同的實(shí)驗(yàn)需要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)有所不同。如定深直航實(shí)驗(yàn)需要的參數(shù)有：實(shí)驗(yàn)時(shí)間、超時(shí)時(shí)間、直航穩(wěn)定時(shí)間、規(guī)定下潛縱傾、深度等等。

2.3 潛艇自航模操縱性實(shí)驗(yàn)安全性設(shè)計(jì)

由于潛艇自航模操縱性實(shí)驗(yàn)的特殊性，需從多個(gè)角度考慮其安全性問題，以確保船體和設(shè)備的萬無一失。其安全性設(shè)計(jì)如圖3所示。即若發(fā)生蓄電池欠壓、高壓氣瓶欠壓、漏水、自航模姿態(tài)異常（如橫傾或縱傾過大）、自航模下潛超規(guī)定深度、程控實(shí)驗(yàn)超時(shí)以及在無線遙控狀態(tài)下突然丟失無線連接（水下程控實(shí)驗(yàn)無線連接也將丟失，將不視作異常）等情況時(shí)，均視之為異常情況，并根據(jù)潛艇自航模所處狀態(tài)分別進(jìn)行異常處理。如自航模處于水下狀態(tài)，則排水，調(diào)整升降舵上浮，到達(dá)水面后與上位機(jī)建立網(wǎng)絡(luò)連接后，由上位機(jī)控制螺旋槳停機(jī)，若自航模處于水面狀態(tài)，則直接螺旋槳停機(jī)即可，然后由工作人員靠近并使用拖船拖回，檢測排除故障后重新投入實(shí)驗(yàn)。

表2 控制命令協(xié)議

圖3 自航模安全性設(shè)計(jì)

需要指出的是，即使以上安全設(shè)計(jì)已把所有問題考慮得非常全面，但其仍有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，即以上設(shè)計(jì)都依賴于艦載計(jì)算機(jī)仍處于正常工作狀態(tài)。若艦載機(jī)由于某種原因已失效，則以上設(shè)計(jì)將無能為力。因此，還需增加水聲遙控這一手段作為冗余安全控制方式：即在觀察（無線網(wǎng)絡(luò)有效時(shí)可以通過岸基計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，無效時(shí)可以通過肉眼觀察或水聲定位系統(tǒng)）到自航模已處于某種不正常狀態(tài)，但艦載計(jì)算機(jī)安全措施未起作用的情況下，通過水聲遙控使主機(jī)停機(jī)和排水上浮。

3 潛艇自航模定深模糊控制器設(shè)計(jì)

潛艇自航模水下操縱性試驗(yàn)一般都要求進(jìn)行定深控制，因此，對潛艇自航模定深控制方法的研究是自航模控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。本文利用模糊控制理論設(shè)計(jì)了自航模的定深控制器。

3.1 定深控制要點(diǎn)分析

根據(jù)潛艇的運(yùn)動(dòng)規(guī)律［4］，可將潛艇自航模定深控制過程分為3個(gè)階段，如圖4所示。

圖4 定深控制過程

第1階段：快速下潛階段（t0～t1）。為了較快實(shí)現(xiàn)定深控制，在開始階段需要迅速增加縱傾角以實(shí)現(xiàn)快速下潛的目的。此階段潛艇的姿態(tài)變化比較大，需要艏、艉升降舵共同操下潛舵。

第2階段：均勻下潛階段（t1～t2）。潛艇縱傾達(dá)到一定角度后，不宜再增加縱傾角，以免發(fā)生翻轉(zhuǎn)安全事故，由于艉升降舵力矩較大，因此，此階段應(yīng)由艏升降舵操下潛舵繼續(xù)控制下潛，而艉升降舵則微小調(diào)整以保持適當(dāng)縱傾即可，此階段是改變深度的主要階段。

第3階段：深度保持階段（t2～t3）。此階段由于潛艇已接近規(guī)定深度，因此，需逐步減小縱傾角使?jié)撏Щ謴?fù)水平姿態(tài)，同時(shí)還需保持深度不變，一般情況下以艏升降舵控制定深，艉升降舵控制縱傾角。

3.2 升降舵模糊控制器設(shè)計(jì)

由上節(jié)可知，完成潛艇自航模的定深控制需設(shè)計(jì)兩個(gè)控制器，即艏升降舵定深控制器及艉升降舵縱傾控制器，而以模糊邏輯為基礎(chǔ)的模糊控制其具有不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型、魯棒性能好等特點(diǎn)［5-6］，顯然非常適宜用于設(shè)計(jì)需要的控制器，由于篇幅所限，本文只論述艏升降舵定深模糊控制器設(shè)計(jì)方法，艉升降舵模糊縱傾控制器設(shè)計(jì)方法與之類似，不再贅述。

模糊控制器輸入量為：

·深度偏差：即當(dāng)前深度與目標(biāo)深度的差值，正值代表當(dāng)前深度過深，負(fù)值代表當(dāng)前深度過淺，0代表無偏差；

·深度變化：即當(dāng)前深度與上一時(shí)刻深度的差值，正值代表潛艇正在下潛，負(fù)值代表潛艇正在上浮，0代表深度未發(fā)生變化。

模糊控制器控制量為：

·升降舵角：即相對于當(dāng)前狀態(tài)的升降舵相對舵角，正值代表控制潛艇下潛加速或上浮減速，負(fù)值代表控制潛艇上浮加速或下潛減速，0代表保持當(dāng)前舵角不變。

輸入量和控制量的模糊隸屬函數(shù)都為三角函數(shù)，且都化為7個(gè)模糊集，分別為：負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)小（NS）、近似零（Z）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）。如控制量升降舵角的模糊隸屬函數(shù)如圖5所示（其他變量的隸屬函數(shù)與之類似）。

圖5 升降舵角隸屬函數(shù)

模糊控制規(guī)則如表3所示。

4 結(jié)語

自航模操縱性實(shí)驗(yàn)是研究艦艇操縱性的重要手段，本文介紹了潛艇自航模系統(tǒng)的基本組成，設(shè)計(jì)了上位機(jī)與下位機(jī)的TCP/IP通信協(xié)議，并建立了操縱性實(shí)驗(yàn)安全性設(shè)計(jì)的基本流程，利用模糊控制理論解決了自航模的定深控制問題。實(shí)現(xiàn)后的系統(tǒng)操縱簡單，可靠性高，定深控制準(zhǔn)確有效，滿足自航模操縱性實(shí)驗(yàn)的要求。

表3 模糊控制規(guī)則

［1］范尚雍.船舶操縱性［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1988.

［2］王 波.潛艇自航模水下長波遙控系統(tǒng)［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，19（2）：17-20.

［3］畢 毅.水下自航模型無線長波遙控系統(tǒng)［J］.船舶工程，2002（6）：72-74.

［4］何衛(wèi)華，王益民，黃健鷹.潛艇自動(dòng)操縱控制系統(tǒng)的基本原理及其現(xiàn)狀［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2005，23（16）：20-24.

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

［6］劉文峰.船舶航向模糊控制系統(tǒng)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，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 軍（1967- ），男，河南南陽人，副教授。研究方向：系統(tǒng)集成與系統(tǒng)控制。