雙向變體積式浮力調(diào)節(jié)裝置及其控制技術(shù)研究

殷寶吉，朱華倫，3，唐文獻(xiàn)

(1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇省船海機(jī)械先進(jìn)制造及工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇鎮(zhèn)江 212003；3.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011)

0 前言

近年來(lái)，水下機(jī)器人作為一種新型的水下設(shè)備，在水下監(jiān)視、水下救援、學(xué)術(shù)研究和軍事等方面的使用越來(lái)越多。由于在海洋環(huán)境中時(shí)，受到海水密度變化、機(jī)構(gòu)變形等諸多因素的影響，水下機(jī)器人的浮力以及浮心位置將發(fā)生改變，影響正常的勘探與作業(yè)。故需要通過(guò)浮力調(diào)節(jié)裝置調(diào)整自身浮力和浮心位置，使它回到工作位置和姿態(tài)。

目前現(xiàn)有的水下機(jī)器人浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)按調(diào)節(jié)方式可分為兩類，即體積式與重力式。體積式主要是在不改變自身重力的條件下改變排水體積使其浮力發(fā)生變化。重力式主要是在不改變排水體積的條件下改變自身質(zhì)量使浮力發(fā)生變化。重力式調(diào)節(jié)方式主要用于深海的浮力調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，不適用于中小型水下設(shè)備，而體積式浮力調(diào)節(jié)范圍雖不如重力式，卻更易于實(shí)現(xiàn)浮力的精準(zhǔn)控制。因此，為具備可靠的作業(yè)能力和巡航能力，本文作者研制一種適用于水下機(jī)器人的雙向體積可變式浮力調(diào)節(jié)及其實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，并設(shè)計(jì)基于ARM內(nèi)核的嵌入式水下控制系統(tǒng)與水面監(jiān)控系統(tǒng)。針對(duì)浮力體積裝置的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，設(shè)計(jì)重力矩與耦合力矩實(shí)驗(yàn)，并以不同期望信號(hào)輸出跟蹤實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證PID控制器的有效性。

1 浮力調(diào)節(jié)及其實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

1.1 浮力調(diào)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)

本文作者設(shè)計(jì)的雙向體積可變式浮力調(diào)節(jié)裝置如圖1所示。該裝置直徑為230 mm，初始長(zhǎng)度為560 mm，末態(tài)長(zhǎng)度為796 mm，排水量約為6 L，裝置兩端配備水密接插件，分別用于裝置串口通信與電源輸送。由于其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，該裝置可搭載作業(yè)型水下機(jī)器人實(shí)現(xiàn)浮心與浮力的雙重調(diào)節(jié)。

圖1 浮力調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意

該裝置剖視圖如圖2(a)所示，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括固定筒、伸縮筒、波紋管以及封蓋法蘭等部件。其中，固定筒外徑為180 mm，在其表面設(shè)有用于安裝波紋管的肋型凸臺(tái)；伸縮筒內(nèi)徑為160 mm，設(shè)置于固定筒的開(kāi)口內(nèi)，可與固定筒相對(duì)滑動(dòng)；波紋管包裹于固定筒外，起密封作用。如圖2(b)所示，考慮到裝置內(nèi)部空間較為緊湊，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)浮力雙向調(diào)節(jié)，文中裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱式布置方式，驅(qū)動(dòng)源選用電動(dòng)推桿，并選用高精度拉繩傳感器對(duì)伸縮筒的位置進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，以間接獲得裝置的排水體積。

圖2 浮力調(diào)節(jié)裝置剖視圖

1.2 浮力調(diào)節(jié)裝置控制單元

受裝置自身體積大小及運(yùn)動(dòng)部件所占空間限制，浮力調(diào)節(jié)裝置控制單元需在不干擾裝置伸縮運(yùn)動(dòng)的前提下進(jìn)行布局。為充分利用裝置初始狀態(tài)的有限空間，在第一與第二調(diào)節(jié)模塊中設(shè)置隔板以安裝電子元器件，其分布如圖3所示。

圖3 浮力調(diào)節(jié)裝置控制單元實(shí)物及模型

圖3中，左端為第一調(diào)節(jié)模塊，選用高性能ARM芯片STM32F103ZET6作為中央控制器，其體積小、能耗低且具備豐富的外設(shè)功能，滿足浮力調(diào)節(jié)裝置空間布局及控制功能需要。右端為第二調(diào)節(jié)模塊，主要為電源降壓與分壓模塊，考慮到裝置雙向移動(dòng)時(shí)線路長(zhǎng)度對(duì)裝置運(yùn)動(dòng)造成干擾，故將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等線路較多元件設(shè)置于裝置中間的固定位置。

1.3 浮力調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置

物體質(zhì)心測(cè)量方法大多是基于力矩平衡原理實(shí)現(xiàn)的，主要有不平衡力矩法和多點(diǎn)衡重法等。其中，多點(diǎn)衡重法又可以分為懸吊法、臥式三點(diǎn)法、可傾斜平臺(tái)法等。為測(cè)試浮力調(diào)節(jié)裝置的浮力及力矩參數(shù)，在基于臥式三點(diǎn)法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)如圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置，包括浮力測(cè)試平臺(tái)與力矩測(cè)試平臺(tái)。其中，浮力調(diào)節(jié)裝置放置于力矩測(cè)試平臺(tái)之上，并與力矩測(cè)試平臺(tái)通過(guò)拉壓傳感器共同作用于浮力測(cè)試平臺(tái)，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖4 浮力調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該裝置中，傳感器1、2用于浮力測(cè)試，傳感器3用于力矩測(cè)試。根據(jù)力矩平衡原理，該實(shí)驗(yàn)裝置平衡方程可表述為

(1)

為獲取浮力調(diào)節(jié)裝置雙向運(yùn)動(dòng)時(shí)重心的變化情況，需先進(jìn)行陸上實(shí)驗(yàn)，在得知浮力調(diào)節(jié)裝置的質(zhì)心位置后，再計(jì)算浮心在軸的位置。

(2)

式中：為力矩測(cè)試平臺(tái)重力，N；為浮力調(diào)節(jié)裝置重力，N；為重心沿軸向坐標(biāo)值，mm；為傳感器3沿軸向坐標(biāo)值，mm；′、為傳感器1兩次示數(shù)計(jì)算值，N；′、為傳感器2 兩次示數(shù)計(jì)算值，N。

則

(3)

2 浮力調(diào)節(jié)裝置控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

雙向體積可變式浮力調(diào)節(jié)裝置控制系統(tǒng)分為水面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與水下控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖6可以看出，水面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括控制臺(tái)以及實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)裝置中的傳感器與控制臺(tái)通過(guò)RS485實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，以獲得對(duì)應(yīng)的質(zhì)量參數(shù)。水下控制系統(tǒng)由ARM控制板構(gòu)成，通過(guò)RS232通信線接收水面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制指令，完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將各傳感器采集的信息上傳至水面控制臺(tái)。ARM控制板的外圍電路模塊包括電源模塊、電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)模塊以及各傳感器模塊。

2.2 水下控制系統(tǒng)

浮力調(diào)節(jié)裝置本體控制器選用某半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6芯片，它以Cortex-M3架構(gòu)為基礎(chǔ)，基于嵌入式平臺(tái)開(kāi)發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)的功能為：與水面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信，對(duì)電動(dòng)推桿的速度及方向進(jìn)行控制，拉繩傳感器模擬量采集及數(shù)模轉(zhuǎn)換，接近開(kāi)關(guān)的信號(hào)采集等。

水下控制系統(tǒng)軟件程序流程如圖7所示。調(diào)用控制器相關(guān)外設(shè)的初始化函數(shù)，并對(duì)功能函數(shù)進(jìn)行編程，主函數(shù)循環(huán)執(zhí)行串口數(shù)據(jù)發(fā)送、PWM輸出、ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及接近開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)的指令，數(shù)據(jù)接收在串口中斷進(jìn)行，當(dāng)水面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，串口中斷打開(kāi)，主函數(shù)根據(jù)接收指令進(jìn)行電動(dòng)推桿PWM以及方向的控制。

圖7 水下控制系統(tǒng)軟件程序流程

2.3 水面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

水面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件以PC計(jì)算機(jī)為硬件基礎(chǔ)，借助Visual Studio 2019進(jìn)行編程，控制界面如圖8所示。該軟件可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)浮力調(diào)節(jié)裝置運(yùn)行狀態(tài)、顯示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)傳感器返回?cái)?shù)據(jù)。

圖8 水面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件框架

水面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件采用多線程編程方式，當(dāng)串口通信連接后，系統(tǒng)自動(dòng)處于半自動(dòng)控制，此時(shí)浮力調(diào)節(jié)裝置半自動(dòng)控制子線程將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)全局變量交換至水面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指令發(fā)送子線程。當(dāng)系統(tǒng)處于閉環(huán)控制時(shí)，浮力調(diào)節(jié)裝置閉環(huán)控制子線程將期望值代入算法運(yùn)算，將得到的控制信號(hào)賦予全局變量，再由全局變量將數(shù)據(jù)交換至水面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指令發(fā)送子線程。傳感器數(shù)據(jù)處理子線程接收并處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)傳感器發(fā)至水面監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包，經(jīng)計(jì)算后于控制界面顯示。

3 PID控制器設(shè)計(jì)

為保證浮力調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性以及響應(yīng)快速性，采用積分分離式PID控制方法。積分分離 PID 算法是在一定情況下減小積分環(huán)節(jié)的作用，減小因積分過(guò)度積累而導(dǎo)致的系統(tǒng)超調(diào)，同時(shí)在誤差進(jìn)入一定階段后，再引入積分環(huán)節(jié)的作用，從而消除靜差，提高控制精度。

積分分離PID控制算法的公式可表示為

(4)

其中,為積分開(kāi)關(guān)系數(shù)，取值為

(5)

4 浮力調(diào)節(jié)裝置測(cè)試實(shí)驗(yàn)

文中實(shí)驗(yàn)分為兩部分，主要包括靜態(tài)開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn)以及動(dòng)態(tài)閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境分為陸上實(shí)驗(yàn)與水池實(shí)驗(yàn)。陸上實(shí)驗(yàn)主要用于分析浮力調(diào)節(jié)裝置兩端調(diào)節(jié)模塊單獨(dú)或同步運(yùn)動(dòng)時(shí)重力矩的變化過(guò)程。由于所設(shè)計(jì)的浮力調(diào)節(jié)裝置為近似規(guī)則形狀物體，可通過(guò)理論計(jì)算得出浮力調(diào)節(jié)裝置在不同位置時(shí)的重力矩，將重力矩的理論值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證理論計(jì)算測(cè)試方法的可行性。在水池實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置依次測(cè)得第一、第二調(diào)節(jié)模塊單獨(dú)以及同步運(yùn)動(dòng)時(shí)浮力調(diào)節(jié)量，同時(shí)測(cè)得第一、第二調(diào)節(jié)模塊在運(yùn)動(dòng)時(shí)浮力矩與重力矩的耦合情況。由于浮力調(diào)節(jié)裝置浮力與浮力矩可通過(guò)理論計(jì)算得出，將實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果與理論值進(jìn)行比較，驗(yàn)證文中實(shí)驗(yàn)理論計(jì)算的正確性。設(shè)計(jì)目標(biāo)浮力曲線跟蹤實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證浮力調(diào)節(jié)裝置浮力動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能，具體流程如圖9所示。

圖9 浮力調(diào)節(jié)裝置實(shí)驗(yàn)流程

4.1 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

(1)重力矩測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中控制第一、第二調(diào)節(jié)模塊分別以一定速度從初值狀態(tài)運(yùn)動(dòng)至最大位置，結(jié)果如圖10所示。從圖10(a)(b)可以看出:在浮力調(diào)節(jié)裝置的初始狀態(tài)，裝置兩側(cè)重力矩不同，這是由于其重心的位置不在裝置的中性面上，而是偏向第二調(diào)節(jié)模塊。隨位移量增加，實(shí)際重力矩與理論重力矩的差值顯著增加，且第一與第二調(diào)節(jié)模塊的重力矩最終差值不同。經(jīng)分析可知，調(diào)節(jié)模塊的重力矩應(yīng)為移動(dòng)部件的位移量與移動(dòng)部件質(zhì)量的乘積。由于理論計(jì)算時(shí)的模型與實(shí)際模型存在一定的質(zhì)量差，例如水密接插件與螺栓連接件質(zhì)量并未考慮在內(nèi)，導(dǎo)致理論重力矩?cái)?shù)值低于實(shí)際重力矩?cái)?shù)值；其次，第一調(diào)節(jié)模塊重力矩斜率絕對(duì)值與理論重力矩斜率相比，相較于第二模塊重力矩斜率絕對(duì)值與理論重力矩斜率比值大，這是由于第一、第二調(diào)節(jié)模塊質(zhì)量不同導(dǎo)致的，也是重心在初始狀態(tài)發(fā)生偏移的必然結(jié)果。

圖10 第一、第二調(diào)節(jié)模塊重力矩測(cè)試結(jié)果

分析誤差產(chǎn)生的原因后，將第一、第二調(diào)節(jié)模塊的重力矩理論值進(jìn)行修正，第一調(diào)節(jié)模塊運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量為5.1 kg，第二調(diào)節(jié)模塊運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量約為4.8 kg，故將水密接插件與螺栓連接件等影響因素考慮在內(nèi)后，重新生成重力矩對(duì)比曲線，結(jié)果如圖10(c)(d)所示。可知：圖中曲線基本重合，說(shuō)明在理論計(jì)算時(shí)忽略的外在零件質(zhì)量是導(dǎo)致重力矩初始理論值與實(shí)際不一致的主要原因。

(2)浮力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

當(dāng)浮力調(diào)節(jié)裝置第一、第二調(diào)節(jié)模塊單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其結(jié)果如圖11(a)(b)所示?？芍?，該浮力調(diào)節(jié)裝置的第一、第二調(diào)節(jié)模塊均具備約30 N水的浮力調(diào)節(jié)量，總浮力調(diào)節(jié)量達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)60 N；隨浮力調(diào)節(jié)模塊的位移，拉繩傳感器的反饋值即調(diào)節(jié)模塊的位移量與浮力呈線性關(guān)系，即可通過(guò)拉繩的位移間接測(cè)出浮力大小。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的浮力調(diào)節(jié)裝置第一、第二調(diào)節(jié)模塊浮力調(diào)節(jié)量與理論值存在一定差值，這是由于理論計(jì)算時(shí)浮力值為規(guī)則圓柱體計(jì)算產(chǎn)生，而該裝置由于波紋管移動(dòng)時(shí)體積變化的特殊性，導(dǎo)致浮力的實(shí)際變化值與理論計(jì)算存在一定誤差。

當(dāng)浮力調(diào)節(jié)裝置第一、第二調(diào)節(jié)模塊同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，結(jié)果如圖11(c)所示?？芍×?shù)值與浮筒的位移呈線性關(guān)系。由于浮力調(diào)節(jié)裝置實(shí)際體積變化與理論計(jì)算存在一定誤差，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)際浮力數(shù)值小于理論數(shù)值。對(duì)比同步運(yùn)動(dòng)時(shí)浮力隨位移的變化量與第一、第二模塊單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)浮力增量累加值，可知同步運(yùn)動(dòng)時(shí)浮力曲線與單獨(dú)運(yùn)動(dòng)累加值曲線不一致，這是因?yàn)閷⒌谝弧⒌诙{(diào)節(jié)模塊的浮力測(cè)量值累加屬于重復(fù)測(cè)量，在一定程度上導(dǎo)致了誤差的產(chǎn)生，但同步運(yùn)動(dòng)時(shí)的總浮力達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)60 N，故該誤差可忽略不計(jì)。

圖11 第一、第二調(diào)節(jié)模塊浮力測(cè)試

(3)同步運(yùn)動(dòng)重力矩與耦合力矩實(shí)驗(yàn)

為研究浮力調(diào)節(jié)裝置同步運(yùn)動(dòng)時(shí)重力矩與耦合力矩的變化情況，對(duì)第一與第二調(diào)節(jié)模塊設(shè)置5 mm的同步位移量，并記錄力矩傳感器的數(shù)值，生成同步運(yùn)動(dòng)時(shí)重力矩變化曲線，如圖12(a)所示。其中，理論計(jì)算的重力矩為重心偏移所產(chǎn)生的重力矩，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)浮力調(diào)節(jié)裝置第一、第二調(diào)節(jié)模塊同步相反運(yùn)動(dòng)時(shí)，其重力矩雖有波動(dòng)，但數(shù)值在理論計(jì)算的重力矩附近波動(dòng)。說(shuō)明當(dāng)浮力調(diào)節(jié)裝置同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，裝置的重心位置雖發(fā)生偏移，但卻以很小的變化量在初始位置附近移動(dòng)。

圖12(b)所示為水池中浮力調(diào)節(jié)裝置第一、第二模塊同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力矩與浮力矩耦合作用的結(jié)果。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，耦合力矩值與理論值雖存在一定差值，但波動(dòng)范圍很小。此外，實(shí)際耦合值與重力矩值基本保持在一定數(shù)值范圍內(nèi)變化，充分說(shuō)明浮力調(diào)節(jié)裝置同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，裝置兩側(cè)的浮力矩處于相互抵消狀態(tài)，即所提裝置在實(shí)現(xiàn)姿態(tài)不變的情況下，可通過(guò)同步控制裝置兩側(cè)浮力調(diào)節(jié)模塊達(dá)到浮力的精確調(diào)節(jié)。

圖12 同步運(yùn)動(dòng)力矩測(cè)試

4.2 動(dòng)態(tài)性能跟蹤實(shí)驗(yàn)

為測(cè)試浮力調(diào)節(jié)裝置控制器的有效性，選用正弦信號(hào)、方波信號(hào)、三角波信號(hào)等3種常見(jiàn)的周期信號(hào)進(jìn)行位置跟蹤，并通過(guò)改變周期信號(hào)的頻率研究浮力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)模塊實(shí)際位移信號(hào)與目標(biāo)跟蹤信號(hào)之間的幅值比-頻率特性。

浮力調(diào)節(jié)裝置的輸入信號(hào)(設(shè)定位移)按照正弦規(guī)律變化，系統(tǒng)分別輸入頻率為1/70、1/60、1/50、1/40、1/30、1/20、1/10 Hz的信號(hào)，幅值為30 mm，浮力調(diào)節(jié)裝置實(shí)際位移跟蹤軌跡如圖13所示。

圖13 輸入正弦信號(hào)的跟蹤結(jié)果

圖13(a)(b)所示為期望信號(hào)為正弦信號(hào)時(shí)，頻率分別為1/70、1/60 Hz時(shí)的位移跟蹤曲線，圖13(c)(d)所示分別為不同頻率下幅值比和相位差與頻率之間的關(guān)系。由圖13(a)(b)可以看出：浮力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)模塊的實(shí)際位移與期望位移基本一致，幅值基本相等，相位略有滯后。由圖13(c)(d)可以看出：隨頻率增加，相位差、幅值比變化幅度較小，但當(dāng)頻率大于1/30 Hz時(shí)，相位差顯著增加，幅值比快速衰減。由此可知，頻率小于1/30 Hz時(shí)浮力調(diào)節(jié)裝置實(shí)際輸出可以跟上期望輸出，當(dāng)頻率大于1/30 Hz時(shí)水下機(jī)器人實(shí)際輸出難以跟上期望輸出。輸入信號(hào)(設(shè)定位移)為方波信號(hào)、三角波信號(hào)時(shí)，結(jié)果分別如圖14、圖15所示，可知結(jié)果與圖13相一致。由此可知，浮力調(diào)節(jié)模塊位移跟蹤截止頻率為1/30 Hz。

圖14 輸入方波信號(hào)的跟蹤結(jié)果

圖15 輸入三角波信號(hào)時(shí)的跟蹤結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文作者針對(duì)作業(yè)型機(jī)器人水中深沉運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種雙向體積可變式浮力調(diào)節(jié)裝置，滿足體積小且容積比大的需求；設(shè)計(jì)了一種浮力調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)浮力調(diào)節(jié)裝置浮力及力矩的測(cè)量；設(shè)計(jì)了靜態(tài)測(cè)試與動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了文中浮力調(diào)節(jié)裝置達(dá)到設(shè)計(jì)排水量6 L(浮力60 N)；將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與理論計(jì)算值對(duì)比分析，驗(yàn)證了所提浮力調(diào)節(jié)裝置可在不改變重心的條件下實(shí)現(xiàn)浮力的精確調(diào)節(jié)；設(shè)計(jì)了一種積分分離式PID控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)模塊排水體積的控制；選用正弦信號(hào)、方波信號(hào)、三角波信號(hào)等3種常見(jiàn)的周期信號(hào)，以不同頻率研究浮力調(diào)節(jié)模塊實(shí)際位移與設(shè)定位移之間的幅值比-頻率特性與相位差-頻率特性。結(jié)果表明：當(dāng)頻率小于1/30 Hz時(shí)，浮力調(diào)節(jié)模塊實(shí)際位移可以跟上設(shè)定位移；當(dāng)頻率大于1/30 Hz時(shí)，浮力調(diào)節(jié)模塊實(shí)際位移難以跟上設(shè)定位移。