一種小型航行自控系統(tǒng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)*

胥文清

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

?

一種小型航行自控系統(tǒng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)*

胥文清

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

航行自動(dòng)控制系統(tǒng)是降低船舶在風(fēng)浪中運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的重要裝置,而開(kāi)展水池縮比船模試驗(yàn)是研究航行姿態(tài)控制系統(tǒng)有效性的重要手段。論文提出了一種適用于水池縮比船模試驗(yàn)的航行自動(dòng)控制系統(tǒng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,經(jīng)實(shí)際水池船模試驗(yàn)驗(yàn)證,該系統(tǒng)能夠有效滿足航行自動(dòng)控制系統(tǒng)要求,為船舶航行自動(dòng)控制系統(tǒng)研制及試驗(yàn)提供參考。

航行自動(dòng)控制; 執(zhí)行機(jī)構(gòu); T型水翼; 壓浪板

Class Number TP273

1 引言

在運(yùn)用自動(dòng)控制技術(shù)來(lái)降低船舶在航行過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),改善船舶的耐波性方面,國(guó)外開(kāi)展了大量的研究工作,早在1972年Carley利用操舵會(huì)引起橫搖的特性,將自動(dòng)舵和減搖鰭聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行船舶運(yùn)動(dòng)的綜合控制[1],穿浪雙體船具有良好的耐波性、穩(wěn)性和快速性[2～3],對(duì)于穿浪雙體船或小水線面船[4]的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù),國(guó)外目前主要采用首部配置T型水翼,以及在船艉部配置壓的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[5～7],如日本建造的100m穿浪雙體船,澳大利亞INcat公司為西班牙建造的98m穿浪雙體船,AUSTUL為美國(guó)建造的獨(dú)立級(jí)瀕海戰(zhàn)斗艦等,而國(guó)內(nèi)對(duì)于采用T型水翼和壓浪板作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)控制穿浪雙體船、三體船在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)方面尚沒(méi)有成功應(yīng)用,處于研究階段。如何驗(yàn)證控制系統(tǒng)的有效性是研究船舶航行自動(dòng)控制系統(tǒng)的難點(diǎn)之一,仿真分析具有局限性,建造實(shí)船試驗(yàn)造價(jià)高昂,采用水池船模[3]試驗(yàn)驗(yàn)證航行自控系統(tǒng)是驗(yàn)證控制系統(tǒng)及算法有效性的重要手段,但是船模載荷能力小,搖擺周期短,對(duì)航行自動(dòng)控制系統(tǒng)伺服執(zhí)行結(jié)構(gòu)要求高。針對(duì)這一問(wèn)題,本文提出的一種適用于水池船模試驗(yàn)的航行自動(dòng)控制系統(tǒng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu),重量輕,響應(yīng)速度快,經(jīng)實(shí)際雙體船水池船模試驗(yàn)驗(yàn)證,該機(jī)構(gòu)能夠有效滿足船模自動(dòng)控制系統(tǒng)要求。

2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體方案

伺服控制系統(tǒng)[8～9]由三套執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成,包括二套安裝在艉部?jī)上系膲豪税搴鸵粋€(gè)安裝在艏部中央位置的T型水翼。每套執(zhí)行機(jī)構(gòu)均采用直流無(wú)刷伺服馬達(dá)、直流無(wú)刷伺服驅(qū)動(dòng)器、四頭高速滾珠絲桿、直線導(dǎo)軌、諧波減速器等實(shí)現(xiàn)機(jī)械控制和傳動(dòng),采用增量編碼器作為伺服控制器的速度反饋,T型水翼及壓浪板角度檢測(cè)元件。通過(guò)檢測(cè)伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)行距離,推算水翼和壓浪板角度。

T型水翼位于船體中間靠艏位置,壓浪板位于船艉左右兩側(cè),具體如圖1所示。實(shí)船98m,船體模型按1∶25設(shè)計(jì)制作。

圖1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)布置安裝示意圖

3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 T型水翼傳動(dòng)設(shè)計(jì)

T型水翼傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中T型水翼包括固定翼和活動(dòng)翼,活動(dòng)尾翼和固定尾翼通過(guò)鉸鏈連接,T型水翼采用直流無(wú)框架電機(jī)+滾珠絲桿+傳動(dòng)桿直接驅(qū)動(dòng)水翼轉(zhuǎn)動(dòng)的方案,全部機(jī)構(gòu)對(duì)稱布置,T型水翼的設(shè)計(jì)最大角度運(yùn)動(dòng)范圍為-20°～+20°。

圖2 T型水翼傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

直線傳動(dòng)裝置伸出一個(gè)直線推桿,直線推桿和傳動(dòng)桿通過(guò)鉸鏈連接。傳動(dòng)桿和活動(dòng)尾翼亦通過(guò)鉸鏈銷軸和鉸鏈支座連接,電機(jī)工作時(shí),帶動(dòng)傳動(dòng)直線機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)活動(dòng)尾翼與固定尾翼產(chǎn)生不同的夾角,從而產(chǎn)生不同的水作用力,實(shí)現(xiàn)對(duì)船模運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的控制。T型水翼活動(dòng)翼面的運(yùn)動(dòng)情況如圖3所示。

圖3 T型水翼運(yùn)動(dòng)示意圖

3.2 壓浪板傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案

船艉壓浪板的傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案中,直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)器等和T型水翼的直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完全相同,以減少零件和備件的種類。鉸鏈銷軸及鉸鏈支座按照壓浪板的尺寸設(shè)計(jì),盡量減小體積和迎水橫截面積,以減少對(duì)水流的影響。與T型水翼不同的是,T型水翼旋轉(zhuǎn)軸是固定尾翼和活動(dòng)尾翼的連接處,而壓浪板的活動(dòng)軸是壓浪板與船尾的連接部位。船艉壓浪板的設(shè)計(jì)最大角度運(yùn)動(dòng)范圍為-20°～+20°,T型水翼活動(dòng)翼面的運(yùn)動(dòng)情況如圖4所示。

圖4 壓浪板運(yùn)動(dòng)示意圖

T型水翼和壓浪板伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)物照片如圖5所示。

圖5 T型水翼(左)和壓浪板(右)

4 電機(jī)功率計(jì)算及負(fù)載測(cè)試

設(shè)計(jì)艏部T型水翼和艉壓浪板的行程為±20°,船?？v搖周期最小為0.5s。假定船模在水池拖曳航行時(shí)T型水翼和艉壓浪板隨船體的縱搖做正弦運(yùn)動(dòng)。角速度方程為

最大線速度計(jì)算:

1) T型水翼

活動(dòng)翼長(zhǎng)度為l1,牽引點(diǎn)為端部,故旋轉(zhuǎn)軸半徑長(zhǎng)度為R=l1。

最大線速度:

2) 艉壓浪板

活動(dòng)翼長(zhǎng)度為l2,牽引點(diǎn)為艉壓浪板中部,旋轉(zhuǎn)半徑最大長(zhǎng)度為R=l2/2。

· 最大線速度:

· 最大推力計(jì)算:

T型水翼和壓浪板推力Fi計(jì)算如下

式中,Ai為水翼或壓浪板面積,Ci為升力系數(shù)曲線的斜率,α為T(mén)型水翼和壓浪板攻角,ρ為水密度,U為航速。

· 最大功率計(jì)算:

最大功率計(jì)算時(shí),最大考慮適當(dāng)余量,以最大推力和最大線速度之積為最大功率,即:

Pmax=Fmax×Vmax

經(jīng)計(jì)算T型水翼最大功率為15.48W,壓浪板最大功率為25.8W。為統(tǒng)一選型去25.8W為最大功率,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率按照60%考慮,所需電機(jī)功率為43W,現(xiàn)選擇60W無(wú)刷電機(jī),直流電機(jī)按照2倍過(guò)載能力考慮,設(shè)計(jì)最大輸出功率為120W。

為了驗(yàn)證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度能夠滿足使用需求,對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)加載20kg負(fù)載,上位機(jī)系統(tǒng)輸出正弦控制命令,測(cè)試條件頻率范圍從1Hz～4Hz,角度范圍為±2°～±10°,對(duì)響應(yīng)延遲時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 響應(yīng)延遲時(shí)間測(cè)試結(jié)果表

5 伺服控制系統(tǒng)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服系統(tǒng)采用PID控制[10～11],由伺服機(jī)構(gòu)集中控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、滾珠絲杠、T型水翼和壓浪板組成。伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和滾珠絲杠一共三套,三套伺服裝置采用CAN總線組網(wǎng),使用CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線,通訊速率500Kbps,保證了水翼的快速響應(yīng)。伺服機(jī)構(gòu)集中控制器與上位DSP采用串口通訊,DSP發(fā)送來(lái)的水翼與壓浪板角度值,經(jīng)過(guò)計(jì)算與轉(zhuǎn)換后,將運(yùn)動(dòng)指令通過(guò)CAN總線發(fā)送給三個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使水翼和壓浪板運(yùn)動(dòng)到指定的角度。同時(shí)伺服機(jī)構(gòu)集中控制器會(huì)采集水翼和壓浪板當(dāng)前的角度值,并通過(guò)串口發(fā)送給上位DSP。

CANopen是一種架構(gòu)在控制局域網(wǎng)路(Control Area Network,CAN)上的高層通訊協(xié)定,包括通訊子協(xié)定及設(shè)備子協(xié)定常在嵌入式系統(tǒng)中使用,也是工業(yè)控制常用到的一種現(xiàn)場(chǎng)總線。

CANopen實(shí)現(xiàn)了OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層以上(包括網(wǎng)絡(luò)層)的協(xié)定。CANopen標(biāo)準(zhǔn)包括尋址方案、數(shù)個(gè)小的通訊子協(xié)定及由設(shè)備子協(xié)定所定義的應(yīng)用層。CANopen支援網(wǎng)絡(luò)管理、設(shè)備監(jiān)控及節(jié)點(diǎn)間的通訊,其中包括一個(gè)簡(jiǎn)易的傳輸層,可處理資料的分段傳送及其組合。

1) 伺服機(jī)構(gòu)集中控制器

由于三套伺服是以CANopen總線組網(wǎng),一個(gè)主站CANopen設(shè)備作為集中控制器。采用帶有CAN接口的單片機(jī)板,使用主流芯片SJA1000作為CAN控制器,82C250作為CAN驅(qū)動(dòng)器,支持CAN2.0A和CAN2.0B(PeliCAN)協(xié)議。此單片機(jī)板上還具有RS485總線接口,自帶USB-UART,方便調(diào)試與通訊。

2) 伺服驅(qū)動(dòng)器

圖6 上位機(jī)DSP與伺服系統(tǒng)程序流程

配有三通道線驅(qū)增量式光電編碼器,選用Elmo的HAR-A5/50CG直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。此驅(qū)動(dòng)器具有小體積,高功率密度,高剛性,高可靠性,智能化,并且同時(shí)支持有刷和無(wú)刷電機(jī)。Elmo伺服驅(qū)動(dòng)器擁有PTP,PVT,PT,ECAM等多種運(yùn)動(dòng)控制功能,可在內(nèi)部編寫(xiě)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)控制程序。驅(qū)動(dòng)器標(biāo)配CANopen接口,支持DS301、P402協(xié)議,控制簡(jiǎn)單,功能強(qiáng)大。驅(qū)動(dòng)器自帶的IO口還可以直接通過(guò)軟件配制成限位開(kāi)關(guān)與原點(diǎn)開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回零。上位機(jī)DSP與伺服系統(tǒng)程序流程如圖6所示。

伺服機(jī)構(gòu)每20ms給DSP2812控制器發(fā)送一次角度數(shù)據(jù)作為反饋。DSP2812控制器每20ms給伺服機(jī)構(gòu)發(fā)送一次數(shù)據(jù)作為命令。

上位機(jī)DSP對(duì)伺服機(jī)構(gòu)命令程序:

void Load_SA()

{

signed int TempA,i;//起始符

SentCharA[0]=0x55;

SentCharA[1]=0xAA;

//T型水翼角度

TempA = Ang_CT*1000;

SentCharA[2] = TempA >>8;

SentCharA[3] = TempA & 0x00FF;

//壓浪板

TempA = Ang_CL*1000;

SentCharA[4] = TempA >>8;

SentCharA[5] = TempA & 0x00FF;

//右壓浪板

TempA = Ang_CR*1000;

SentCharA[6] = TempA >>8;

SentCharA[7] = TempA & 0x00FF;

//異或校驗(yàn)

TempA=0;

for (i=2 ; i<10 ; i++)

{

TempA=SentCharA[i]^TempA;

}

SentCharA[10] = TempA & 0x00FF;

//結(jié)束符

SentCharA[11]=0xAA;

SentCharA[12]=0x55;

//}

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出的一種適用于水池船模試驗(yàn)的航行姿態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu),重量輕,響應(yīng)速度快,有效解決了采用船模驗(yàn)證航行姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)有效性時(shí),船模載荷能力小,搖擺周期短,對(duì)航行姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)伺服執(zhí)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間要求高的問(wèn)題,經(jīng)實(shí)際雙體船水池船模試驗(yàn)驗(yàn)證,該系統(tǒng)能夠較好的滿足船模自動(dòng)控制系統(tǒng)要求,為船舶航行自動(dòng)控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究及其它伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 金鴻章,王科俊.智能技術(shù)在船舶減搖鰭系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2003.

[2] 董文才,夏翔,左文鏘,等.高速輕型穿浪雙體船型及性能試驗(yàn)研究[J].中國(guó)造船,2008,49(3):118-26

[3] 張曉陽(yáng),李鐵驪,林焰.穿浪雙體船阻力性能預(yù)報(bào)與模型試驗(yàn)分析[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,49(3):396-400.

[4] 黃鼎良.小水線面雙體船性能原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版杜,1993.

[5] CRUZ D L, LUCAS J M D, ARANDA P, et al. A research on motion smoothing of fast ferries[C]//IFAC Conference — Control Aplications in Marine Systems 2001(CAMS 2001). Italy,2001.

[4] GIRON J M, ESTEBAN S. Frequency domain study of longitudinal motion attenuation of a fast ferry using a Tfoil[C]//Proceedings of the 17th World Congress of the International Federation of Automatic Control. Koera,2008.

[7] 金亨哲.雙體小水線面水翼復(fù)合型高速船(HYSWATH)概念設(shè)計(jì)與性能研究[D].上海:上海交通大學(xué),2005.

[8] 楊鹽生.艦船運(yùn)動(dòng)控制研究[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2003(3):34-39

[9] 梅生偉,等.現(xiàn)代控制理論與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版,2003.

[10] 李岳林,王立標(biāo),曾志偉.汽油機(jī)怠速穩(wěn)定性的復(fù)合模糊-PID控制方法研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2010,31(3):57-60.

[11] 陶永華,尹怡欣,葛蘆生.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

Design of A Small Servo Actuator of Ship Ride Automatic Control System

XU Wenqing

(China Ship Research and Development Center, Wuhan 430064)

Ship ride automatic control system is an important device for reducing the ship motion in waves, carrying out towing ship model test is an important means to study the validity of ship ride automatic control system. The paper designs a small servo actuator of ship ride automatic control system for towing ship model test. The actual towing ship model tests validate that the servo actuator satisfy the requirement of the system, provide a reference for study or test of ship ride automatic control system.

ship ride automatic control, servo actuator, T-foil, trim tab

2014年10月21日,

2014年11月30日

胥文清,男,碩士,工程師,研究方向,艦船電子信息,自動(dòng)控制。

TP273

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.015