某調(diào)距槳螺距振蕩控制分析

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(1.武漢船用機械有限責(zé)任公司，武漢 430084；2.福建省東南造船廠，茂名 350015)

調(diào)距槳作為做為船舶航行過程中的重要推進(jìn)設(shè)備，具有安全性高、原理復(fù)雜以及制造精密等特點，其安全運行直接關(guān)系到船舶安全。本文討論調(diào)距槳調(diào)試過程中最常見的螺距振蕩現(xiàn)象，分析螺距振蕩產(chǎn)生的原因以及解決方法。

1 螺距控制原理分析

螺距振蕩現(xiàn)象的主要表現(xiàn)為：螺距圍繞在命令螺距附近抖動，當(dāng)減小電控系統(tǒng)螺距控制允許精度時，振蕩加??；增大電控系統(tǒng)螺距控制允許精度時，振蕩減弱，但螺距控制不理想，離給定螺距有較大誤差。

調(diào)距槳往往通過液壓系統(tǒng)推動油缸從而調(diào)整螺距，而螺距調(diào)整的方式多樣。本文主要以目前較為常見的電液比例控制調(diào)整螺距的方式為例。舟山名龍78 m三用工作船調(diào)距槳設(shè)計采用了這種控制方法，即電氣+電磁液壓比例閥。

1.1 液壓系統(tǒng)螺距調(diào)整原理

調(diào)距槳螺距控制電液比例控制的基本液壓原理見圖1。

該型調(diào)距槳液壓系統(tǒng)中，P1為液壓泵組，提供螺距控制過程中所需的液壓油；DT1為電磁比例閥；V1為液壓油缸?？刂葡到y(tǒng)通過發(fā)出控制信號調(diào)節(jié)比例閥開口來調(diào)節(jié)液壓油的流量和方向，從而驅(qū)動油缸實現(xiàn)螺距調(diào)整。

圖1 電液比例控制螺距基本原理

液壓系統(tǒng)中，電磁比例閥DT1特性見圖2。

圖2 電磁比例閥特性

該閥為雙線圈電磁閥，接收4～20 mA電流控制信號。理論上，比例閥為線性比例閥，即比例閥開口隨著控制信號的增加線性增大。

12 mA對應(yīng)中位信號，此時比例閥閥芯位于中位。

4～12 mA對應(yīng)倒車螺距信號，控制電磁閥的倒車線圈，控制指令越小，比例閥開口越大，流量越大，螺距調(diào)整越快。

12～20 mA對應(yīng)正車螺距信號，控制電磁閥的正車線圈，控制指令越大，比例閥開口越大，流量越大，螺距調(diào)整越快。

實際應(yīng)用過程中，比例閥中位信號往往存在一定死區(qū)，比例閥控制信號只有不在死區(qū)范圍內(nèi)時，比例閥才會發(fā)生動作。且比例閥的線性特性并不是嚴(yán)格意義上的線性。同時，比例閥在剛開啟時，其流量往往不為零，有一個最小開啟流量[1]。

1.2 電控系統(tǒng)螺距控制原理

而電氣控制系統(tǒng)則采取閉環(huán)的控制方案，如程序控制邏輯，見圖3。

E-目標(biāo)螺距與實際螺距之間的誤差；E1-大誤差；E2-螺距允許控制誤差；PZ-螺距控制指令；P1-螺距快速倒車指令；P2-螺距慢速倒車指令；P3-螺距快速正車指令；P4-螺距慢速正車指令;P5-閥芯中位控制信號。

圖3螺距控制邏輯

該控制邏輯僅考慮螺距調(diào)整過程，沒有考慮螺距控制中的其它限制條件。

螺距控制過程為，系統(tǒng)程序在每一個運行周期開始時，實時讀取手柄位置和螺距反饋信號，并進(jìn)行相應(yīng)程序處理后得到螺距目標(biāo)位置PM和螺距實際位置PA，并得出目標(biāo)螺距和實際螺距之間的誤差E。

E=PM-PA

1)當(dāng)E=0時，說明此時螺距實際位置與目標(biāo)位置一致，系統(tǒng)不需要進(jìn)行調(diào)整。

2)當(dāng)E>0時，說明螺距實際位置小于目標(biāo)位置，需要進(jìn)行正車動作。

3)當(dāng)E<0時，說明螺距實際位置大于目標(biāo)位置，需要進(jìn)行倒車動作。

即E≠0時，說明螺距需要調(diào)整。

1.3 螺距調(diào)整過程

在E>0的情況下，需要進(jìn)行正車操作。

1)|E|>E1，說明誤差較大，此時發(fā)出快速調(diào)整指令P3，即發(fā)出較大的控制信號使得螺距快速調(diào)整到給定螺距附近。

2)E2<|E|

3)|E|

E<0，需要進(jìn)行倒車動作，調(diào)整過程同上述過程，不再進(jìn)行說明。

在螺距調(diào)整過程中，系統(tǒng)僅用到了比例閥的4個開口位置，即兩個快速調(diào)整螺距時的比例閥開口位置以及兩個慢速調(diào)整螺距時的比例閥開口位置。

2 螺距振蕩起因及解決方案

2.1 螺距振蕩產(chǎn)生的原因

設(shè)開始時，E>0且E2<|E|

若ΔP1足夠大，大到本次調(diào)整后ΔP1>ΔP+E2，則會出現(xiàn)E<0且|E|>E2。此時，需要進(jìn)行倒車動作。慢速倒車過程中，系統(tǒng)接收慢速倒車動作指令P2。

如若調(diào)整后的螺距調(diào)整量為ΔP2，且ΔP2大到滿足E>0且E2<|E|

由上分析可知，螺距振蕩產(chǎn)生的原因為：比例閥精度與電氣控制系統(tǒng)允許精度之間的關(guān)系沒有匹配正確，導(dǎo)致系統(tǒng)每次慢速調(diào)整時的螺距調(diào)整量過大，系統(tǒng)需要回調(diào)，從而出現(xiàn)振蕩。

2.2 螺距振蕩的解決方法

1)減小慢速調(diào)整時的控制指令P2和P4，使得每次調(diào)整的螺距足夠小，小到每次調(diào)整時僅向一個方向(即正車或者倒車方向)進(jìn)行調(diào)整，直到|E|

2)增大系統(tǒng)允許誤差E2，使得ΔP1<ΔP+E2，當(dāng)E2足夠大時，系統(tǒng)不會出現(xiàn)振蕩。但E2過大的后果是系統(tǒng)誤差增大，螺距無法控制在系統(tǒng)運行誤差范圍內(nèi)。

因此，解決螺距振蕩問題，需要比例閥慢速控制信號與系統(tǒng)允許誤差之間的關(guān)系匹配，方法如下。

1)通過試驗方法檢測電磁比例閥最小開口時的正車起動電流I1、最小開口時的倒車起動電流I2以及閥芯中位電流I3。

2)修改程序，使得慢速正車控制信號和慢速倒車控制信號P4和P2對應(yīng)I1和I2，閥芯中位控制信號P5對應(yīng)I3。

3)將程序中的控制允許誤差E2調(diào)整至系統(tǒng)允許最大值。

以上措施能夠保證系統(tǒng)調(diào)整螺距過程中，在滿足螺距控制精度的前提下以最小的調(diào)整量慢慢逼近目標(biāo)螺距。試驗過程中，如效果理想，則可適當(dāng)提高系統(tǒng)允許精度；如發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)整時間過慢，則適當(dāng)加大P2和P4指令值。

3 結(jié)論

采用上述方法使舟山民龍78 m三用工作船調(diào)距槳項目的調(diào)試過程中所出現(xiàn)的螺距振蕩問題得到有效解決。

以上僅僅從電氣控制角度提出了螺距振蕩現(xiàn)象產(chǎn)生的原因以及解決方法。如上述方法仍然不能解決問題，則需要從其它方面尋找原因。如液壓油存在大量空氣；液壓比例閥開口流量過大，不足以滿足系統(tǒng)精度要求；系統(tǒng)存在漏油現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力無法保持等[2]。而這些問題屬于機械或者液壓方面的制造精度問題，是不能依靠電氣控制系統(tǒng)解決的。

[1] 劉 江.PLC在電液比例控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機電一體化.2008(1):75-77.

[2] 鄭士君.船舶液壓系統(tǒng)故障診斷與維修技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,1996.