基于EASY5的船舶舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)建模與仿真

包 青

(南京板橋汽渡管理處,江蘇南京 210012)

0 引言

舵機(jī)是保持或改變船舶航向,保證安全運(yùn)行的重要設(shè)備,目前稍大一些的船舶大部分采用液壓舵機(jī)。液壓舵機(jī)分為閥控型和泵控型兩種。閥控型舵機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、控制方便,但傳統(tǒng)大多采用一般的換向閥,液壓沖擊較大,可靠性較低。隨著自動(dòng)化技術(shù)和液壓技術(shù)的發(fā)展,電液伺服系統(tǒng)以其控制精度高、響應(yīng)速度快、信號(hào)處理靈活、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)[1],在船舶舵機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展,使得液壓系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性可以通過(guò)仿真分析來(lái)得到。但傳統(tǒng)的仿真一般是先建立數(shù)學(xué)模型,然后再進(jìn)行仿真分析,對(duì)工作者要求較高并且十分復(fù)雜。而采用EASY5軟件進(jìn)行的圖形化建模方法,只需按要求連接組建和設(shè)定參數(shù),無(wú)需建立數(shù)學(xué)模型,并且EASY5采用多種“開(kāi)-關(guān)狀態(tài)”判斷邏輯處理非線性和不連續(xù)狀態(tài)方程,結(jié)合多種改進(jìn)的變步長(zhǎng)、定步長(zhǎng)積分算法,使得分析結(jié)果逼真、可信[2]。本文采用 EASY5對(duì)某船舶舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行建模并仿真,分析了系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性,分析結(jié)果對(duì)熟悉系統(tǒng)性能,優(yōu)化系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。

1 舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)的組成和工作原理

舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)主要由油源、濾器(粗濾器、精濾器)、溢流閥、電液伺服閥和油缸等組成。在該系統(tǒng)中電液伺服閥起電信號(hào)和液壓信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換作用,同時(shí)又起信號(hào)放大作用,其性能的優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)的控制精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性影響很大,是系統(tǒng)的核心元件[3]。其液壓系統(tǒng)原理圖如圖 1所示。

該舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)具有完全相同的左右兩套液壓回路,在不同工況下可以單機(jī)工作也可以雙機(jī)組并聯(lián)工作。單機(jī)工作時(shí),從油泵P1輸出的壓力油經(jīng)精濾器 F1后,清潔的液壓油進(jìn)入串接的電液伺服閥,當(dāng)電液伺服閥收到來(lái)自操舵儀的放大控制電信號(hào)時(shí),電液伺服閥的閥心移動(dòng),輸出液壓能源進(jìn)入油缸C1,使油缸C1活塞桿產(chǎn)生位移,從而推動(dòng)轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu),使舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及角度由操舵儀給定信號(hào)決定,當(dāng)舵機(jī)到位時(shí),控制信號(hào)與反饋信號(hào)的偏差為 0,放大器沒(méi)有輸出信號(hào),電液伺服閥回到 0位(中間位置),舵機(jī)便停止在被控制的位置上,系統(tǒng)的壓力由溢流閥YR1決定。此外,當(dāng)油箱液位低于某一指定值時(shí),液位繼電器KY1接通報(bào)警,提示管系泄漏或油液自然耗損。當(dāng)精濾器 F2進(jìn)出口壓力差大于0.35MPa時(shí),差壓繼電器KP1接通報(bào)警,提示應(yīng)更換濾芯。

圖1 舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)原理圖

2 在EASY5中模型的建立

根據(jù)系統(tǒng)的組成,在EASY5中建立單機(jī)運(yùn)行工況下的仿真模型如圖 2所示[4]。建模中系統(tǒng)主要參數(shù)的設(shè)定如下:泵的轉(zhuǎn)速為150r/min;每轉(zhuǎn)排量為150cm3/r;管路的水力直徑為1cm;伺服閥的自然頻率為120Hz;阻尼比為 0.8;油缸無(wú)桿腔面積為25cm2;有桿腔面積為12.5cm2;負(fù)載等效彈簧剛度為100N/cm。

圖2 舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)在EASY 5中的仿真模型

3 仿真與結(jié)果分析

實(shí)際操舵時(shí),系統(tǒng)輸入的是舵轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信號(hào),其與活塞桿的位移信號(hào)存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,以舵角轉(zhuǎn)動(dòng) 5°的情況為例進(jìn)行仿真分析。當(dāng)舵角轉(zhuǎn)動(dòng) 5°時(shí),活塞桿移動(dòng) 10cm,設(shè)定系統(tǒng)活塞桿位移按照?qǐng)D3所示的指令信號(hào)運(yùn)動(dòng)。仿真運(yùn)行 20s,采用吉爾算法,為表示方便,無(wú)桿腔用“extend”,有桿腔用“retract”表示,指令位移信號(hào)用“commandposition”表示,活塞桿反饋位移信號(hào)用“actuatorposition”表示。在 1s時(shí),系統(tǒng)突加一個(gè)舵角轉(zhuǎn)動(dòng) 5°的信號(hào),當(dāng)舵角轉(zhuǎn)動(dòng)到5°時(shí)(活塞桿移動(dòng)10cm),保持5°舵角到16s;16～18s時(shí),緩慢移動(dòng)舵角回歸 0位;18～20s時(shí)舵葉在 0位保持不動(dòng)。

圖3 與舵角指令對(duì)應(yīng)的位移指令信號(hào)

圖4～圖 5為系統(tǒng)中一些參數(shù)的仿真結(jié)果。

從圖4中可以看出:控制信號(hào)與反饋信號(hào)曲線非常相近,說(shuō)明系統(tǒng)能很好地執(zhí)行轉(zhuǎn)舵信號(hào)。在系統(tǒng)突加一個(gè) 5°的轉(zhuǎn)舵信號(hào)時(shí),系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程大約經(jīng)歷了0.7s,過(guò)渡過(guò)程反映了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,說(shuō)明系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)良好。當(dāng)平穩(wěn)操縱舵角回歸 0位時(shí),系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行發(fā)出的舵角信號(hào)指令。

圖4 指令信號(hào)與活塞桿反饋位移信號(hào)比較

圖5中可以看出:在突加轉(zhuǎn)舵信號(hào)時(shí),系統(tǒng)的壓力波動(dòng)較大。當(dāng)?shù)竭_(dá)指定舵角位置后,液壓缸兩腔壓力能夠很快達(dá)到穩(wěn)定,并且壓力波動(dòng)角小,說(shuō)明伺服閥的比例增益適當(dāng),動(dòng)態(tài)特性較好。當(dāng)慢施加轉(zhuǎn)舵信號(hào)時(shí),系統(tǒng)壓力波動(dòng)較小,與實(shí)際情況吻合。

在仿真過(guò)程中,某些參數(shù)設(shè)定的好壞對(duì)系統(tǒng)的性能影響很大,比如伺服放大器的放大倍數(shù)(Ka)就直接影響到輸出油液的壓力和質(zhì)量流量;還有活塞的位移。圖 6～圖 8給出了在不同的積分環(huán)節(jié)放大倍數(shù)下系統(tǒng)活塞桿位移隨時(shí)間的輸出特性。

圖6 Ka=5時(shí)位移特性

圖7 Ka=15時(shí)位移特性

圖8 Ka=30時(shí)位移特性

從圖6、圖7、圖8的比較中可以發(fā)現(xiàn),若放大倍數(shù)過(guò)大,系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快,但是穩(wěn)定性較差;放大倍數(shù)過(guò)小,則響應(yīng)速度又太慢,也不是所期望的。在EASY5中可通過(guò)參數(shù)的穩(wěn)態(tài)分析功能,得出在Ka=10時(shí),系統(tǒng)的過(guò)渡品質(zhì)良好,這種分析方法對(duì)優(yōu)化系統(tǒng)性能有重要參考價(jià)值。

4 結(jié)論

本文以某船舶舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)為研究對(duì)象,采用EASY5仿真軟件建立了其動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真模型并進(jìn)行了仿真分析,仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況基本一致,反映了所建模型的正確性,也很好地反映了整個(gè)系統(tǒng)的特性。仿真過(guò)程中可及時(shí)修改參數(shù),并能直觀地得出仿真結(jié)果,方便實(shí)用,同時(shí)利用EASY5獨(dú)特的穩(wěn)態(tài)掃描分析功能,可方便地分析出系統(tǒng)中某些參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的影響,這對(duì)船舶舵機(jī)液壓系統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重要的意義。

[1] 雷天覺(jué),等.新編液壓工程手冊(cè)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1998.

[2] 程鋼,王紅巖,王良曦.基于MSCEasy5的車輛液壓控制閥動(dòng)態(tài)特性仿真[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2006,15(S):163-164.

[3] 趙平格,等.液壓傳動(dòng)與控制[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 194-197.