署名作者：常 文, 魏海峰, 张 懿, 李垣江, 王伟然, 刘维亭
作者单位：江苏科技大学 电子信息学院, 江苏 镇江, 212003
基金项目：国家自然基金科学基金项目(51977101); 江苏省省重点研发计划产业前瞻性与共性关键技术重点项目(BE2018007)。
复杂洋流干扰下的水下航行器本体平衡对于后续的导航定位、路线规划有着极其重要的意义。在非线性、时变、耦合的水流干扰下, 水下航行器多电机推进系统存在以下三大关键技术难点, 并成为当前研究热点: 1) 总耗能最低的多电机推力协调分配; 2) 高动态、高鲁棒性的多电机协同驱动; 3) 多电机协同驱动下的故障诊断与容错控制。对此, 文中分别对各个难点问题研究现状进行综述, 并选取当前典型的控制策略进行详细阐述。最后, 从推进电机选型以及多电机推进系统拓扑结构两方面, 总结水下航行器多电机推进系统未来的发展趋势。
水下航行器具有操纵灵活、远距离遥控、能长时间在高危环境下工作等特点, 在海洋生物研究, 水下地形勘探, 水下环境监测, 水下武器投放, 水下警戒、监视、探雷、布雷和隐蔽攻击等诸多领域均具有极其重要的现实意义[1-3]。水下航行器在施工作业时, 需要对自身进行精准定位, 同时对采集样品精准定位并上传信息, 因此精准定位技术的提高会大大增加水下航行器的执行效率[4-6]。但水下航行器受洋流干扰难以保持本体姿态稳定, 势必会对精准定位造成影响, 从而对后续的路径规划、导航算法造成前端干扰, 影响算法的实现效果。对比近年来四旋翼飞行器的快速发展[7-8], 水下航行器发展缓慢, 其主要原因之一在于外界水流干扰极其复杂, 存在各个自由度方向的随机扰动, 缺乏在复杂洋流干扰下高效、快速稳定本体的动力定位方法。水下航行器具有多种动力推进结构, 如单轴螺旋桨推进式、双轴螺旋桨推进式、滚翼螺旋桨推进式和四旋翼螺旋桨推进式等, 这些动力推进配置为了实现水下航行器六自由度运动, 必须配置多台驱动电机(主推进器、侧推进器和升潜装置等)。同时需要设计具有高动态响应、完全解耦的多电机动态协同驱动控制方法, 使系统能够实时根据本体姿态合理分配推进器动力逻辑, 将六自由度的随机扰动信号简化到能耗最低的推进器组合分配从而予以抵消。此外, 系统中的单电机受到水流随机干扰也会产生负载转矩和输出转速的变化; 系统中某一传感器的故障同样会通过偏差耦合的关系蔓延至其他子系统。如何抑制外界随机扰动, 保证单电机与多电机系统的高动态、高精度实时响应, 提升系统的冗余性与容错性是实现复杂洋流干扰下的水下航行器本体稳态控制的必由之路[9-11]。
在非线性、时变、耦合(对不可形变本体的耦合力)的水流干扰下, 水下航行器多电机推进系统存在以下三大关键技术。1) 多电机推力分配。复杂洋流条件下的水文情况复杂多变, 水下航行器受洋流干扰难以保持本体姿态稳定, 因此需要通过水下航行器的推进器合理分配其推力来平衡本体相对稳定运行, 最大限度减弱洋流干扰, 使水下航行器处于相对静止状态。然而, 推力分配需考虑系统能耗、执行机构的非线性约束以及系统自身影响等因素, 为了提高系统性能, 增加控制系统的可靠性, 应该优化推力分配的控制, 最大限度减少外界干扰及系统误差对本体平稳运行的影响。因此, 如何在满足各项约束条件的情况下保证系统能耗最低成为有待解决的一个关键技术问题。2) 多电机协同驱动。与一般多电机转速同步驱动不同, 复杂洋流干扰下的水下航行器多电机协同驱动并非单纯追求多电机同速或者是负载转矩平衡, 而是本体动态平衡, 这就意味着每个电机的驱动要求实时多变, 本质为异速平衡协同驱控系统。如何在多变干扰下保证协同系统的跟踪性和抗干扰性成为有待解决的另一个关键技术问题。3) 多电机容错控制。水下航行器为了实现位置及速度的精确测量, 采用了大量位置和速度传感器, 在恶劣的水下环境, 传感器容易出现故障, 并会通过耦合关系蔓延到整个多电机协同控制系统中, 造成系统整体协同性能的失控。因此, 如何及时有效地识别这类故障并进行容错成为有待解决的一个关键技术问题。文中依次对以上水下航行器多电机推进系统三大关键技术研究现状展开综述, 并分别列举出典型且较为成功的控制策略。最后, 从推进电机选型以及多电机推进系统拓扑结构两方面, 总结水下航行器多电机推进系统未来的发展趋势。
1.1 推力分析模型
水下航行器推进器推力空间分布如图1所示, 作用于航行器本体上的水平方向推力为~, 垂直方向上推进器的推力为~, 推进器输出推力数值为()[12]。
图1 水下航行器推进器推力空间分布
假设、与轴反向夹角为, 、与轴正向夹角为, 、与轴正向夹角为, 与轴负向夹角为。参照图1所示推进器推力空间分布, 建立单个推进器推力分析模型, 设航行器本体坐标系为, 推进器坐标系为, 2个坐标系均为右手系, 具体关系如图2所示。
图2 单个推进器推力分析坐标系关系
本体坐标系到推进器1坐标系姿态变换矩阵为
(1)
可以得到7个推进器作用于本体上的推力()的矢量表达式为
, (2)
式中, 为推进器从推进器坐标系到航行器本体坐标系姿态变换矩阵。
1.2 推进器解耦与推力补偿
1.3 多电机推力协调优化分配
相比单电机驱动, 多电机驱动输出力矩较大, 且在单个电机出现故障时, 对驱动电机的逻辑分配不会影响系统的整体运行效果, 其增加了系统的冗余性, 提高了设备工作效率, 也提升了运行的可靠性。多电机协同驱动最初运用在造纸与印刷行业(无轴印刷机领域)[13], 如今已广泛应用于火炮电控领域(提升炮塔运动性)、四旋翼飞行器领域(实现飞行器姿态稳定的关键)、电动汽车领域(实现多轮驱动)[14]以及水下航行器领域[15-16]。除此之外, 多电机协同驱动在数控机床、数控车间、多工序直进拉丝车床等基础制造业场合也有着广泛的应用, 因此, 多电机协同驱动在工控领域的发展已成为必然。
尽管多电机协同驱动涵盖诸多领域, 但驱动方法有其相似性。多电机协同驱动系统的同步控制策略主要有以下4种。1) 平行控制策略。系统包含的所有电机在同一维度下同步运行, 受到相同指令控制; 系统中任意一台电机发生故障或者受到外界干扰时, 整个系统运行平稳性及跟随性会受到干扰[17-19]。2) 主从控制。从电机跟随主电机工作, 主电机的运行会超前于从电机[20], 尽管可以设计相关前置补偿器, 但系统启动和停止时, 转速变化较大时, 仍会影响主从电机间的同步误差。3) 交叉耦合控制策略[21]。该策略起初是通过反馈跟踪2个电机之间速度的差值来实现, 对于多电机运行系统并不适用, 因此, 为了实现多电机运行已进行了诸多改进。优化的交叉耦合控制主要包括: ① 相关耦合控制[22]。该策略同步控制性能相对较好, 但对于多电机控制系统, 电机数量增加导致系统结构复杂, 计算量增大, 控制难度增加, 严重影响控制系统的实时性。② 相邻耦合控制[23]。该策略计算任意2台电机的转速差, 当驱动电机数目为n时, 需要设计3n个控制器。③ 环耦合控制[24]。该策略较好地解决了上述问题, 可降低控制系统复杂度, 但由于其控制策略是通过相邻两电机之间的速度误差作为多电机运行系统的反馈补偿信号实现的, 因此当其中一台电机受到扰动, 相邻两电机与该电机之间的速度误差增大, 导致系统中的电机对于给定信号响应不一致, 相邻电机之间均存在同步误差, 因此同步稳定性不易被证明。4) 虚拟主轴控制[25]: 通过虚拟轴调整系统的输入信号获得电机参考信号, 因此, 给定的参考信号经过虚拟轴调整后可能会发生偏差, 导致实际参考信号发生偏移。为实现多电机协同驱动控制系统, 需要考虑该系统控制结构的复杂程度、协同性能的优良以及协同误差的收敛。
前文提到的多电机驱动控制算法自身均存在一定缺陷, 如抗干扰性能差、系统结构复杂、电机个数受限、同步稳定性差和响应速度不一致等。随着多电机控制领域的发展, 多电机控制策略也在不断优化进步。Li等[26]提出一种结合2阶自适应滑模控制方法的均值偏差耦合同步控制策略, 该策略通过系统中所有电机偏差平均值作为反馈信号来设计控制器, 通过耦合将电机信号统一设计至控制器中, 从而有效保证电机的协同收敛性, 电机的数量也可以不受限制。这种结合均值耦合和滑模控制结构的方法, 可以有效改善系统的协同稳定性。然而, 该策略对多电机运行速度要求较高, 需要保证各电机运行速度一致, 因此限制了水下航行器这种多电机变速平衡驱控结构的应用。针对此, 胥小勇等[27]提出了一种加权相邻耦合策略, 有效改善了上述策略对速度一致性的要求, 各电机间运行速度不同时系统也能够稳定运行, 并将其应用在薄膜拉伸收卷场合。这种场合下, 尽管所有的电机均为异速运行, 但电机间的速度存在一定比例的递增关系, 其仍属于同步速度控制的变体, 与水下航行器的控制要求存在差异。史婷娜等[28]提出引入虚拟电机补偿的改进偏差耦合多电机同步驱动方法, 该方法追求的是多电机同速控制。
受文献[28]启发, 文中对该文献的驱动系统结构图进行改进, 得到引入虚拟电机补偿的改进偏差耦合多电机异速平衡协同驱动方法, 该方法适合水下航行器多电机异速驱动应用场合。如图3所示为引入虚拟电机补偿的改进偏差耦合多电机协同驱动系统结构图。
图3 引入虚拟电机补偿的改进偏差耦合多电机异速平衡协同驱动系统结构图
图中, 为第个电机的给定速度; 为虚拟电机的给定速度; 为第个电机的实际速度; 为虚拟电机的实际速度; 为补偿系数; 为第个电机的给定转矩; 为第个电机的实际转矩。由图可知, 转速给定与补偿模块中包含了每个电机子系统的协同补偿器, 该补偿器是由与差值作为反馈信号进行跟踪补偿。同理, 图中虚拟电机模块的协同补偿器是由与差值之和作为反馈信号进行补偿。假设系统中包含台电机, 整个系统的协同补偿器共包含个转速差值, 相对于传统偏差耦合结构来说, 计算量得到很大的改善。同时, 当系统中电机数量增加, 只需在虚拟电机协同补偿器中加入新增电机与虚拟电机的转速差即可, 无需改变原系统的协同补偿器。由图3可知, 系统中各个电机转速环控制器的输入量是由转速跟踪误差和简化的协同补偿器比较输出。给定转速保障了电机起动过程中各电机的起动速度, 增大虚拟电机的转动惯量即可优化系统的同步性能。其工作原理如下: 增大, 均小于, 此时系统中所有电机的协同补偿器输出反馈值均为正值, 从而减小了转速环控制器在饱和状态的工作时间。且对于不同转速的电机协同补偿器输出各不相同, 从而可以改善系统在起动过程中的协同性能, 增强负载突变时的跟踪响应性能。在图3多电机异速平衡协同驱动系统作用下, 当水下航行器某个推进电机由于洋流推力扰动导致实际转速值与给定转速值发生偏差时, 此偏差值将会被补偿至其余各个推进电机, 使得其余推进电机给定转速值均发生相应改变, 最终保证在各个推进电机的协同驱动作用下, 水下航行器本体整体姿态依旧保持相对稳定。
通过解析冗余的动态系统故障诊断, 为多电机协同驱动系统的可靠性提供了有力保障[29]。位置传感器是可调速度驱动器中最常用的器件之一, 为避免传感器发生故障时对调速系统的影响, 已有大量文献对其进行研究。目前, 解决传感器故障问题主要有以下2种方法。1) 基于数学模型的方法。该方法通过设计合理的观测器, 来解决故障问题。如毛海杰等[30]提出一种基于故障诊断可靠性评估的灵活自适应交换策略, 通过使用自抗扰控制技术提高转速环的抗干扰能力, 并结合电流回路中的扩张状态观测器获得扩展状态的速度估计, 分析实际速度与估计速度之间的残余信号进行故障诊断, 实现对传感器故障的切换容错; Najafabadi等[31]通过估计的相电流和转子电阻确定故障传感器类型, 提出一种具有转子电阻估计的自适应电流观测器, 只需要一个观测器就可以解决多种类型传感器故障问题; Marino 等[32]为了实现在线检测传感器故障设计了自适应观测器, 该系统的容错控制通过间接磁场定向控制实现, 但其模型建立比较困难。2) 基于数据驱动的方法。该方法主要通过数据的分析对比实现, 利用数据挖掘技术对离线和在线抓取的大量数据进行分析, 获取系统运行的各项指标, 判断系统运行是否异常, 从而诊断传感器是否存在异常, 该技术在判断传感器异常领域较为实用。如Cai 等[33]为实现对永磁同步电机逆变器的故障诊断, 将采集到的线电压信号经过快速傅里叶变换处理, 实现了基于两层贝叶斯网络数据驱动的故障诊断。
上述方法已应用于多电机协同控制系统故障诊断和容错控制, 但仍存在系统结构相对复杂, 算法实现难度大等缺点。因此, 为了使基于数学模型和基于数据驱动这2种方法的优势被更广泛地利用, 将这2种方法结合起来的研究显得尤为必要。此外, 冗余在故障诊断与容错中的作用不可忽视, 当某一设备发生损坏时, 冗余配置的部件可以作为备援, 为实现系统容错提供便利条件。对此, 毛海杰等[34]提出基于复杂网络相似度矩阵的多电机故障诊断与容错控制方法, 该方法适合水下航行器在复杂水下环境下的多电机驱动应用场合。
3.1 复杂网络相似度矩阵构建
3.2 基于相似度矩阵的传感器故障诊断
3.3 基于修正加权均值反馈的传感器故障隔离与系统容错
文中对水下航行器多电机推进系统存在三大关键技术难点的研究现状进行了综述, 并从多电机推力分配、多电机协同驱动、多电机容错控制3个方面选取当前典型的控制策略进行详细阐述,得出以下结论: 1) 多个约束条件下, 需寻求符合推力补偿要求的能耗最低分配方案, 来确定多电机协同驱动系统中每个电机的控制要求; 2) 构建多电机协同驱动系统, 实现复杂洋流干扰下的高动态响应及动力输出协同分配; 3) 建立多电机传感器故障诊断与容错控制机制, 提升多电机协同驱动系统的可靠性。
结合水下航行器多电机推进技术的研究难点与主要研究成果, 从推进电机选型以及多电机推进系统拓扑结构两方面, 总结水下航行器多电机推进系统的发展趋势。
1) 电机选型方面, 一般来说, 水下推进电机既是系统的驱动, 同时又作为系统自身的负载存在, 因而在实际应用中, 水下推进电机应具有较高的功率密度, 以此来满足其小型化、轻型化的要求, 同时电机还应具有效率高、功率大、动态响应好以及安全性高等特性, 兼具一定程度的容错性。故而多相电机驱动技术所显现的优势: ① 降低功率器件的电压和电流等级; ② 降低转矩脉动, 提高静态性能; ③ 提高容错能力, 提升系统可靠性; ④ 提高控制自由度等, 使其成为未来水下航行器推进系统的首选。其具有体积小、低压下输出功率大、转矩脉动小、容错性强、控制自由度高等优点, 特别适用于水下航行器这类对体积和可靠性要求较高的低压驱动场合。
2) 多电机推进系统拓扑结构方面。考虑到水下航行器本体空间位置有限以及多电机驱动系统硬件复杂度较高, 利用单个逆变器驱动实现多个推进电机串联系统解耦控制成为水下航行器推进系统的未来发展趋势之一, 旨在实现同一逆变器供电和同一套控制平台下多台推进电机解耦运行, 节省控制装置和外围电路, 在元器件层面上使得推进系统结构简单化, 提高系统的可靠性并降低驱动系统的体积、质量与成本。
原文刊登于《水下无人系统学报》2021年第29卷第6期
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