電液舵機控制系統(tǒng)設(shè)計及軟件仿真分析

舒冠柏　袁　媛

（1.湖北飯店有限公司，湖北武漢　430071；2.空軍預警學院三系，湖北武漢　430019）

電液舵機控制系統(tǒng)設(shè)計及軟件仿真分析

舒冠柏1袁媛2

（1.湖北飯店有限公司，湖北武漢430071；2.空軍預警學院三系，湖北武漢430019）

電動液壓舵機系統(tǒng)是現(xiàn)今使用最多的舵機系統(tǒng)，其許多優(yōu)點促進了電動液壓舵機的普及，其液壓和控制系統(tǒng)也是船舶上非常重要的船舶運動控制系統(tǒng)。本文主要針對操舵系統(tǒng)進行研究。建立了變量泵排量控制系統(tǒng)和操舵系統(tǒng)的模型，并完成了隨動系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，最后在此基礎(chǔ)上利用AMEsim軟件對隨動系統(tǒng)進行仿真分析，利用經(jīng)典PID控制設(shè)計了隨動系統(tǒng)的控制器。

液壓舵機系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計仿真

1　引言

船舶在應用液壓傳動之前，采用的是蒸汽傳動和電氣傳動。1916年美國在“新墨西哥”號戰(zhàn)艦上首次使用了液壓舵機。經(jīng)過一段時間發(fā)展，l981年國際海事會議正式通過了對l974年SOLAS公約的修正案，其中對舵機的要求提出了重要的新條款。進入八十年代以來，世界舵機主要制造廠家都開始認真檢查其產(chǎn)品，并按1981年修正案的要求重新設(shè)計各自的舵機，力爭在市場上保持較大的競爭優(yōu)勢。新一代的舵機的性能和可靠性更趨完善。目前國外舵機最新變化動向如下。（1）普遍設(shè)置了兩套液壓系統(tǒng)；（2）電控液壓型舵機的應用功率范圍在擴大，性能也在改善。

本文主要針對隨動系統(tǒng)進行研究。建立了變量泵排量控制系統(tǒng)和操舵系統(tǒng)的模型，并完成了隨動系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，最后在此基礎(chǔ)上利用AMEsim軟件對隨動系統(tǒng)進行仿真分析，利用經(jīng)典PID控制設(shè)計了隨動系統(tǒng)的控制器。

2　操舵系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型

電液舵機原理參文獻［1］。根據(jù)計算的柱塞缸行程與舵角的關(guān)系，在舵角范圍內(nèi)，舵角和柱塞缸行程的關(guān)系為

式中sKδ——舵角與柱塞缸行程的線性增益，m/°

δ——舵角，rad

舵角位移傳感器的頻響很高，可以看成比例環(huán)節(jié)，即

式中fK——舵角位移傳感器的放大系數(shù)，V/rad

Uf——舵機位移傳感器的輸出電壓，V

根據(jù)以上環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及動力機構(gòu)和變量泵系統(tǒng)的模型［2，3，4］，可以得到操舵系統(tǒng)的控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

從圖中可以得到隨動控制器為單位比例控制時的操舵系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為

3　控制器設(shè)計及仿真

根據(jù)以上的分析，完成了隨動系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型，再利用液壓仿真軟件AMEsim4.2［5］，對隨動系統(tǒng)的控制器進行設(shè)計和仿真分析。

隨動舵系統(tǒng)是單純的電液位置控制伺服系統(tǒng)，其理論和結(jié)構(gòu)都不太復雜，因此仍普遍采用經(jīng)典PID控制理論來指導隨動舵系統(tǒng)的設(shè)計［6］。所建立的模型系統(tǒng)中，對于控制器采用PID控制理論進行設(shè)計。

圖1　操舵系統(tǒng)的控制系統(tǒng)原理圖

以某型400N.m液壓舵機為例。柱塞直徑為220mm。主泵的選型：Parker Axial Piston Pump PV180，其技術(shù)指標：額定壓力，35MPa；最大功率，175KW；最大扭矩，760N.m。電動機選型：Y2系列三相異步電機，其技術(shù)指標：額定功率，0.12～315KW；額定頻率，50Hz；額定電壓，380V；額定轉(zhuǎn)速，1440rpm。液壓管路的參數(shù)：公稱直徑，32mm；鋼管外徑，42mm；管接頭螺紋，M42×2mm；推薦管路通過流量，250L/min。冷卻裝置的設(shè)計：型號為2LQFWA6.0F，其冷卻面積為6.0m2。

所設(shè)計系統(tǒng)應滿足：在任何航行條件下，均能保證可靠地工作，即使在最大航速時，亦能保證將舵轉(zhuǎn)至最大舵角，并有足夠的轉(zhuǎn)舵速度。對于海船舵機，通常要求從一舷35°。轉(zhuǎn)至另一舷30°。的所需時間不應超過28s。舵機在最大倒車速度下（一般可取最大正航速度的一半工作時）應不致?lián)p壞。

根據(jù)以上分析，在AMEsim中建立如下模型，如圖2所示。

通過不斷的調(diào)整PID的參數(shù)，最終得到比較滿意的結(jié)果，仿真結(jié)果如圖3。

分析圖3可知，開始前，舵處于沒有偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，即舵角為0°。開始后，給了一個指令舵角-35°，即要求舵在一定的時間內(nèi)偏轉(zhuǎn)到一側(cè)最大舵角處。指令舵角與反饋舵角作差，偏差信號經(jīng)過隨動控制器，進入變量泵控制變量泵的排量，經(jīng)過大約13s后，柱塞缸在變量泵的作用下產(chǎn)生了-0.4m的位移，此時舵轉(zhuǎn)到一側(cè)的最大角度35°。圖中的位移傳感器檢測出柱塞缸的位移，并將它轉(zhuǎn)換成角度反饋回來。在仿真運行到40s時，給出另外一個指令舵角30°，要求在舵從一側(cè)35°，轉(zhuǎn)到另一側(cè)30°的時間小于28s。從圖中可知，顯然滿足這樣的條件，設(shè)計的隨動控制器符合要求。該控制器是一個比例控制，它的比例增益為0.5。

圖2　AMEsim仿真模型圖

圖3　仿真結(jié)果

4　結(jié)語

通過對舵機系統(tǒng)模型的分析，設(shè)計了其控制系統(tǒng)，并采用AMEsim進行了軟件仿真，驗證了設(shè)計結(jié)果是符合要求的。同時表明，采用軟件仿真對電液舵機控制系統(tǒng)進行輔助設(shè)計具有周期短，易于修改控制系統(tǒng)參數(shù)等優(yōu)點。為類似系統(tǒng)設(shè)計提供了參考。

［1］姚壽廣.船舶輔機，哈爾濱工程大學出版社，2004.

［2］張利平.液壓控制系統(tǒng)及設(shè)計.北京：化學工業(yè)出版社，工業(yè)裝備與信息工程出版中心，2006.

［3］楊征瑞，花克勤，徐軼.電液比例與伺服控制.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［4］許福玲，陳堯民.液壓與氣壓傳動（第二版）.機械工業(yè)出版社，2006.

［5］付永領(lǐng)，祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真--從入門到精通.北京航空航天大學出版社，2006.

［6］Tatsuo Arie， Masanori Itoh，Akira Senoh，Nobuhiko Takahashi，Seizo Fujii， and Naoki Mizuno，An Adaptive Steering System for a Ship，IEEE，1985.

舒冠柏（1970—），男，湖北監(jiān)利人，工程師，現(xiàn)工作于湖北飯店有限公司；袁媛（1983—），女，湖北石首人，講師，現(xiàn)工作于空軍預警學院三系電路與系統(tǒng)教研室。