電液舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軟件仿真分析

舒冠柏 袁媛

【摘 要】電動液壓舵機(jī)系統(tǒng)是現(xiàn)今使用最多的舵機(jī)系統(tǒng)，其許多優(yōu)點(diǎn)促進(jìn)了電動液壓舵機(jī)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(yùn)動控制系統(tǒng)。本文主要針對操舵系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行仿真分析，利用經(jīng)典PID控制設(shè)計(jì)了隨動系統(tǒng)的控制器。

【關(guān)鍵詞】液壓舵機(jī)系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)仿真

1 引言

船舶在應(yīng)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(jī)。經(jīng)過一段時(shí)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(jī)的要求提出了重要的新條款。進(jìn)入八十年代以來，世界舵機(jī)主要制造廠家都開始認(rèn)真檢查其產(chǎn)品，并按1981年修正案的要求重新設(shè)計(jì)各自的舵機(jī)，力爭在市場上保持較大的競爭優(yōu)勢。新一代的舵機(jī)的性能和可靠性更趨完善。目前國外舵機(jī)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(jī)的應(yīng)用功率范圍在擴(kuò)大，性能也在改善。

本文主要針對隨動系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行仿真分析，利用經(jīng)典PID控制設(shè)計(jì)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(jī)原理參文獻(xiàn)[1]。根據(jù)計(jì)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

（1）

式中 ——舵角與柱塞缸行程的線性增益，m/°

——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

（2）

式中 ——舵角位移傳感器的放大系數(shù)，V/rad

——舵機(jī)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(jī)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。

圖1 操舵系統(tǒng)的控制系統(tǒng)原理圖

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

（3）

3 控制器設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)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(fù)雜，因此仍普遍采用經(jīng)典PID控制理論來指導(dǎo)隨動舵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[6]。所建立的模型系統(tǒng)中，對于控制器采用PID控制理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。

以某型400N.m液壓舵機(jī)為例。柱塞直徑為220mm。主泵的選型：Parker Axial Piston Pump PV180，其技術(shù)指標(biāo)：額定壓力，35MPa；最大功率，175KW；最大扭矩，760N.m。電動機(jī)選型：Y2系列三相異步電機(jī)，其技術(shù)指標(biāo)：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(jì)：型號為2LQFWA6.0F，其冷卻面積為6.0m2。

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)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(shí)，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(jī)，通常要求從一舷35°。轉(zhuǎn)至另一舷30°。的所需時(shí)間不應(yīng)超過28s。舵機(jī)在最大倒車速度下（一般可取最大正航速度的一半工作時(shí)）應(yīng)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。

圖2 AMEsim仿真模型圖

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。

圖3 仿真結(jié)果

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(gè)指令舵角-35°，即要求舵在一定的時(shí)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(jìn)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(shí)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(yùn)行到40s時(shí)，給出另外一個(gè)指令舵角30°，要求在舵從一側(cè)35°，轉(zhuǎn)到另一側(cè)30°的時(shí)間小于28s。從圖中可知，顯然滿足這樣的條件，設(shè)計(jì)的隨動控制器符合要求。該控制器是一個(gè)比例控制，它的比例增益為0.5。

4 結(jié)語

通過對舵機(jī)系統(tǒng)模型的分析，設(shè)計(jì)了其控制系統(tǒng)，并采用AMEsim進(jìn)行了軟件仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果是符合要求的。同時(shí)表明，采用軟件仿真對電液舵機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)具有周期短，易于修改控制系統(tǒng)參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。為類似系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚壽廣.船舶輔機(jī)，哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004.

[2]張利平.液壓控制系統(tǒng)及設(shè)計(jì).北京：化學(xué)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(jī)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(xué)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.

作者簡介：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(yù)警學(xué)院三系電路與系統(tǒng)教研室。