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1、华中科技大学 硕士学位论文 水下压力模拟装置电液伺服系统研究 姓名：陈祺 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：李宝仁;杜经民 20090517 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 电液伺服系统具有响应速度快、控制精度高、刚度大、控制方式灵活等优点， 在环境模拟试验领域的应用十分广泛。本课题研究的水下压力模拟装置电液伺服系 统用来模拟水下压力环境，可以在实验室环境中提供变化的水下压力环境测试被试 验件的耐水压性能，是电液伺服系统在海洋模拟仿真领域的一个新应用。 该系统和一般的电液伺服系统的设计相比，有其显著的
2、特色和难度。主要体现 在：水下压力模拟装置有高压小容积和低压大容积两种工况。当系统工作容积为 18m3时，最高压力达到 20MPa；当系统工作容积为 81m3时，最高压力达到 5MPa； 压力梯度要求 0.05MPa/s。 论文主要内容如下： 1）按照水下压力模拟装置实际功能需求设计了水下压力模拟装置电液伺服系 统，完成了关键元件的设计和选型。 2）根据设计系统参数，求出了系统中每个环节近似模型，进而得出整个系统 数学模型。运用 MATLAB/Simulink 对该系统数学模型进行仿真，分析了系统稳定 性，响应特性和误差，并对系统进行了校正。 3）采用 AMESim 搭建系统模型，根据实际工况
3、对系统进行仿真。验证了控制 策略可行性和系统设计合理性。 关键词：关键词：水下压力模拟装置，电液伺服系统，MATLAB/Simulink，AMESim，PID 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract As for electro-hydraulic servo systems advantages, such as quick response, high control precision and fixable control mode, it is used widely in condition-simula
4、tion examination. The electro-hydraulic servo simulation system developed by this paper is used to simulation water-pressure, so as to provide the changing water-pressure environment for items being tested in the lab. Its a new use of electro-hydraulic in ocean simulation field. Compared with design
5、 of general electro-hydraulic servo system, this system has notable characteristics and difficulty in following aspects: the water-pressure simulation device has small volume with high pressure and large volume with low pressure these two working conditions. When the device works at the volume of 18
6、m3, the maximum pressure is 20MPa, when the device works at the volume of 81m3, the maximum pressure is 5MPa and the grad of pressure is 0.05MPa/s. The main content of the paper is as follows: (1) According to the function demands of the water-pressure simulation device, the electro-hydraulic servo
7、system is designed and the components of the system are designed and selected. (2) According to the system parameters designed, the math model of each part is calculated and then the math model of entire system is calculated. The MATLAB/Simulink software is used for the simulation of math model, the
8、 system stability, response character and error are analyzed and the system is corrected according to the analysis. (3) The system model is constructed with the software AMESim according to the actual working conditions to ensure the feasibility of control strategy and the rationality of system desi
9、gned. Keywords: The Water-Pressure Simulation Device, Electro-Hydraulic Servo System, MATLAB/Simulink, AMESim, PID 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文
10、作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题来源及研究目的和意义课题来源及研究目的和
11、意义 水下压力模拟装置电液伺服系统为动态多功能水下压力模拟装置中的关键设 备，用于对水下压力模拟装置高压容器内水介质的压力控制，可根据被试验件环境 变化要求来进行加压和减压，以实现不同海水深度压力环境的精确动态模拟。 开展水下压力模拟装置电液伺服系统的研制工作，以在实验室条件下构造被试 验件在实际水下环境压力下的测试情况，对于新型设备的研究，缩短其研制周期， 降低其研制成本，减少实际航行实验和海上试验意外损失等具有重要而深远意义和 实际工程价值。 1.2 水下压力模拟装置的研究现状水下压力模拟装置的研究现状 随着海洋科学、深海技术的不断进步，人们对海洋的认识日益加深，了解到海 洋中蕴藏着极其丰
12、富的生物资源及矿产资源，是日益枯竭的陆地资源的可靠接替。 经过半个多世纪的海洋探索，国外发达国家的深海技术已得到了长足的发展。 美国是世界上最早进行深海研究和开发的国家，在 2003 年开始的“综合大洋钻探 计划”两项国际合作计划中，美国以其先驱的高水平技术处于主导地位；日本拥有 当今世界上最先进的“地球”号深海探测船，可以在水深 2500 米的深海能钻探海 洋地壳下方 7000 米处的地幔；巴西在深海和超深海石油勘探开发领域具有世界顶 尖的技术和经验；俄罗斯北极科考队 2007 年 8 月 2 日出动载人深潜器，在北极点 下潜至 4261 米水深的海底12。 我国的深海开发与先进的深海开发国
13、家有较大差距，然而我国已制定追赶性的 规划，立志在 21 世纪将我国建设成为新时代的海洋强国。 我国要发展深海技术就必须先研发各种深海装备，而这些设备在研发过程中必 须经过不同要求的压力试验。可以说这一步至关重要。 水下压力模拟装置主要用来测试设备的耐压能力， 国外俄罗斯的 Krylov 造船研 究所制造的 15000 米（150MPa）深海压力模拟试验舱（压力试验舱内部有效空间 1800mm5500mm）是国际上模拟压力最高的水下压力模拟装置3。上海交通大 学建造的深海高压环境试验装置包括两项装置：2000 米深海环境模拟装置，其主 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科
14、技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 要性能及尺度：直径为 2.1 米，工作压力为 20MPa，可供各种水下机电设备在 2000 米深海环境中进行结构强度、密封及高压条件下运动试验；4000 米深水高压环境 试验装置，主要性能及尺度：筒体内径为 1 米，工作压力为 40MPa，可供各种壳体 进行密封、压力试验。该实验装置在国内处于领先地位4。图 1.1 为 2000 米深海环 境模拟装置。 图 1.1 2000 米深海环境模拟装置 针对不同实验目的，水下压力模拟装置在功能和结构上都有不同扩展。日本防 卫厅技术研究所第五研究中心设计的水下压力模拟装置可以测试鱼雷、无人水下载 体及其它水下武器的
15、声学、 壳体振动和强度等特征5。 BHRGroup 公司设计的 35MPa 模拟深海压力试验舱 （内部有效空间300mm1100mm） ， 试验舱底部有一个转盘， 在最高模拟压力 10MPa 下，转盘转速可为 1-10 转/分钟6。中国科学院力学研究所 设计的水下压力模拟装置用来完成应变片放水绝缘电阻等相关量的有效测量7。 本论文所研究的水下压力模拟装置要求实现不同海水深度压力环境的精确动 态模拟，这是对传统水下压力模拟装置的发展。 1.3 电液伺服控制技术的研究现状电液伺服控制技术的研究现状 1.3.1 电液伺服控制系统概述电液伺服控制系统概述 人类使用水利机械及液压传动虽然已有很长的历史，
16、但液压控制技术的快速发 展却还是近几十年的事，随着电液伺服阀的诞生，使液压伺服技术进入了电液伺服 时代，其应用领域也得到广泛的扩展。早期的液压伺服控制为机械液压伺服控制， 40 年代，在飞机上应用了电液伺服系统。但该系统中的滑阀由伺服电动机驱动，由 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 于伺服电动机时间常数较大，电液伺服系统的响应速度受到了限制。50 年代初，出 现了快速响应的永磁力矩马达，力矩马达与滑阀结合，形成了电液伺服阀。50 年代 末，又出现了以喷嘴挡板阀作为第一级的电液伺服阀，进一步提高了电液伺服阀的 快速性。60 年代，各种结构的电液伺服阀相继出现，其性能日趋完善。由于电液伺 服阀和电子技术的发展，使电液伺服系统得到迅速的发展。电液伺服系统具有结构 紧凑、响应速度快、精度高、功率/重量比大及自润滑功能等优点，这使得电液伺服 技术在大功率、快速、高精度控制领域显示出明显的优越性。电液伺服控制作为一 门新兴的技术学科
