论文摘要
深度模拟器是水下航行器控制系统仿真的重要设备，应用该设备，可以模拟水下航行器在不同海洋深度航行时所承受的水压；与航行器系统有关模块相配合，可直接在实验室条件下对水下航行器纵向深度控制的各种性能和参数进行测试。传统的深度模拟器由于受自身传感元件测量精度和范围的约束，深度模拟的精度和范围很有限，所采用的常规比例-积分-微分控制算法往往受人为经验左右，费时费力，却难以达到预期的控制效果。本文以近年来发展迅速的智能控制相关理论为基础，提出一种数字化控制、双传感器反馈的新模拟器设计方案。通过采用实时控制和面向对象的方法，对深度模拟器的重要数字控制部分一监控软件进行了算法研究和设计。通过该软件的实时控制，可使深度模拟器精确地模拟水下航行器航行时的不同深度压力，从而实现大深度、高精度、实时精确显示的模拟要求。本文的设计内容及结果如下：1)数字控制器的设计鉴于受控对象存在本质的非线性及参数不确定性，常规PID算法难以达到预期动态效果的现状，将智能控制的相关理论应用于常规PID控制中，通过采取可以灵活调整控制结构和参数的数字控制方法，设计出一种非线性智能数字控制器。该控制器可根据系统响应偏离设定值的情况及变化趋势，借助相关的控制规则，自动调节控制参数以加大或减小控制力度，使输出快速且平稳地趋于设定值。仿真试验表明，该算法减小了深度跟随误差，使深度跟随误差降低到0.05米以下；对非线性扰动因素的适应性能力也得到加强，因而深度模拟器的动态性能提高明显。2)实时、大深度、高精度模拟方法的研究与设计通过将单量程压力传感器改装成具有大、小不同量程的压力传感器以反馈不同范围的深度，并在量程过渡区域采取软件平滑切换和数据拟合的方法，实现了大深度范围、高精度模拟的要求。系统试验显示，应用该方法进行深度模拟的范围可达0～655.35m、分辨率达到0.1m、静态精度为0.1％。在实时设计上，本文提出了一种单任务多速率与多任务多速率相结合的任务执行方式，使实时系统的设计效率得到显著提高；在调度算法上采取了优先级动态调整、任务灵活调度的策略，降低了因不良竞争而引起的死锁现象，提高了资源的利用率。仿真试验显示，运用该方法，深度模拟器系统的最小更新周期可达到1ms，满足了水下航行器实时、多任务、并行处理的要求。3)远程控制模拟的设计与实现采用远程通信方式实现上位主仿真机对下位深度模拟器的现场模拟控制，是深度模拟器重要的工作模式之一。本文采取串行异步通信方式实现了远程模拟控制，较之同步通信，具有传输简单、通信距离长的优点。在设计时，通过定义安全数据类及校验码，确保数据通信无误；通过调用Windows API函数以获得精确的控制时间。通信试验表明，该通信方法可使通信间隔精确到0.001秒，传输数据准确无误。4)监控界面的设计和实现以Visual C++为设计工具，建立了一个面向用户的深度模拟器图形监控界面。该界面实现了深度模拟的方式设定、压力范围设置、运行控制、精确图形显示、自检、帮助等要求的功能。5)软件的可靠性设计为了防止程序跳飞、数据丢失以及提高软件抗干扰能力，本文还采取了软件滤波、看门狗等技术进一步保证了软件的可靠运行。软件测试和系统仿真结果表明，该监控软件能够满足深度模拟器的指标要求。其界面简洁、用户操作简便、模拟结果良好。目前该模拟器系统已正式投入水下航行器仿真使用。