船舶舵機負載模擬系統(tǒng)位置與力跟蹤控制特性研究

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(1. 浙江大學流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室, 浙江杭州 310027；2. 中國船舶重工集團公司第七O七研究所, 江西九江 332007)

引言

隨著我國現(xiàn)代海軍實力和海洋產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，研制性能優(yōu)越的船舶舵機裝置具有重要的戰(zhàn)略意義。舵機負載模擬系統(tǒng)是一種半實物仿真系統(tǒng)[1]，主要用來對舵機裝置進行負載模擬加載，模擬舵機裝置在實際航行過程中所受到的水動力載荷，在不同負載工況下考核舵機裝置的結構材料強度、控制精度、響應速度和系統(tǒng)可靠性等靜動態(tài)性能指標。

國際上對負載模擬系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了豐富的研究成果。日本的池谷光榮教授[2]首先研制出電液負載模擬器的原理樣機；美國JAMES W.CARTER等[3]首先將空氣動力負載力矩模擬器作為專利應用到導彈的性能測試中； 韓國H.OHUCHI等[4]采用模糊控制策略研制了航空動力加載系統(tǒng)。國內(nèi)的科研院校關于負載模擬系統(tǒng)的研究開始于20世紀80年代末，主要包括哈爾濱工業(yè)大學、華中科技大學和航天研究所，華中科技大學于2012年對舵機負載模擬系統(tǒng)進行了相關理論研究，主要分析了系統(tǒng)多余力的產(chǎn)生原理及影響因素[5-8]。

針對船舶舵機裝置自身慣性力大、受水動力影響頻率范圍寬等特點，本研究設計的舵機負載模擬系統(tǒng)主要由舵機系統(tǒng)和加載系統(tǒng)兩部分組成，主要研究加載系統(tǒng)的力跟蹤閉環(huán)控制特性，實現(xiàn)舵機裝置的負載模擬功能。

技術要求：

位置控制精度：不大于±1 mm

負載控制精度：不大于±3%

1 舵機負載模擬系統(tǒng)

負載模擬系統(tǒng)是指在實驗室條件下模擬被測對象在實際工作過程中所受到的載荷，記錄被測對象靜態(tài)性能和動態(tài)性能的相關試驗數(shù)據(jù)，對被測對象的整體性能做出評估。船舶舵機裝置主要受到作用于舵面上的水動力載荷，其特點是負載的變化范圍較大，舵機負載模擬系統(tǒng)是一種典型的電液伺服系統(tǒng)[9]，具有控制精度高、輸出力大和可靠性高等優(yōu)點，加載系統(tǒng)液壓原理如圖1所示。

1.蓄能器 2.過濾器 3.壓力表 4.壓力傳感器 5.減壓閥 6.伺服閥 7.溢流閥 8.球閥 9.位移傳感器 10.加載缸 11.舵葉圖1 加載系統(tǒng)液壓原理圖

舵機負載模擬系統(tǒng)控制流程如圖2所示，主要由控制器、伺服閥、加載缸、拉壓力傳感器、位移傳感器和舵機缸等組成。上位機指定航速，指令獲得相應的加載曲線，控制器通過伺服閥控制加載缸的軸向輸出力和舵機缸的位移，采集拉壓力傳感器和位移傳感器的信號并反饋給控制器，根據(jù)位移信號實時求解目標力，與拉壓力傳感器信號的差值作為加載系統(tǒng)伺服閥的驅(qū)動信號，控制加載缸的軸向輸出力，形成閉環(huán)控制回路，實現(xiàn)加載缸軸向輸出力的跟蹤閉環(huán)控制。

圖2 舵機負載模擬系統(tǒng)控制流程

2 加載系統(tǒng)數(shù)學建模

舵機系統(tǒng)是位置控制系統(tǒng)，舵機缸帶動舵葉轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)船舶航向的改變；加載系統(tǒng)是被動式力控制系統(tǒng)，加載缸的軸向輸出力作為舵機系統(tǒng)的負載阻力。由于舵機系統(tǒng)的綜合剛度較高，舵機缸的運動狀態(tài)受加載缸軸向力的影響可以忽略，舵機系統(tǒng)內(nèi)部的慣性負載、彈性環(huán)節(jié)等不會對加載系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響[10]，所以舵機系統(tǒng)和加載系統(tǒng)可以作為兩個獨立的系統(tǒng)考慮，下面建立負載加載系統(tǒng)的數(shù)學模型。

2.1 力傳感器建模

Fg=Ke(y2-y1)

(1)

Fg=Kf(If-12)

(2)

式中，F(xiàn)g—— 力傳感器的輸出力，N

If—— 力傳感器的輸出電流，mA

Ke—— 力傳感器的等效彈簧剛度，N/m

Kf—— 力傳感器的放大系數(shù)，N/mA

y1—— 加載缸活塞桿的位移，m

y2—— 舵機缸活塞桿的位移，m

2.2 閥控液壓缸建模

QL=KqXV-KcpL

(3)

(4)

ApL=Fg-(ms2+Bcs)y1

(5)

式中,A—— 加載缸活塞的有效面積，m2

Bc—— 加載缸的黏性阻尼系數(shù)，N·s/m

Ctc—— 加載缸的泄漏系數(shù)，m5/(N·s)

Kc—— 伺服閥的壓力-流量系數(shù)，m5/(N·s)

Kq—— 伺服閥的流量增益，m2/s

m—— 加載缸活塞及活塞桿組件的質(zhì)量，kg

pL—— 伺服閥的負載壓降，Pa

QL—— 伺服閥的負載流量，m3/s

Vt—— 加載缸兩腔的總?cè)莘e，m3

XV—— 伺服閥的閥芯位移，m

2.3 伺服閥及放大器建模[11]

(6)

(7)

式中，I—— 伺服放大器的輸入電流，A

Ka—— 伺服放大器的放大系數(shù)，A/V

Ksv—— 伺服閥的流量增益，m3/(s·A)

Q—— 伺服閥的輸出流量，m3/s

U—— 伺服放大器的輸入電壓，V

ωsv—— 伺服閥的固有頻率，rad/s

ξsv—— 伺服閥的阻尼比，無量綱

聯(lián)合以上公式，可得加載系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖3所示，加載伺服閥的閥芯位移XV和舵機缸活塞桿的位移y2同為輸入信號。

圖3 加載系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

3 AMESim模型仿真分析

為了驗證數(shù)學模型的正確性，分析舵機負載模擬系統(tǒng)的控制特性，在AMESim中搭建舵機負載模擬系統(tǒng)仿真模型[12]。由于船舶在航行過程中受到的水動力載荷變化比較復雜，本研究主要研究舵機系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制特性和加載系統(tǒng)的力跟蹤閉環(huán)控制特性。

3.1 舵機系統(tǒng)位置閉環(huán)控制特性

本研究從恒負載和變負載兩種工況分析舵機系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制特性。圖5為舵機系統(tǒng)在100 kN恒負載工況下的位移仿真曲線，分析曲線可知舵機系統(tǒng)的位置誤差保持在0.3 mm范圍內(nèi)。

圖4 舵機系統(tǒng)位置閉環(huán)控制回路 AMESim模型

圖5 舵機系統(tǒng)100 kN 恒負載工況下位移仿真曲線

在船舶實際航行過程中，舵機系統(tǒng)受到的水動力載荷比較復雜，圖6為舵機系統(tǒng)在航速10 kN變負載工況下的負載曲線。舵機系統(tǒng)在10 kN 變負載工況下的位移仿真曲線如圖7所示，分析曲線可知舵機系統(tǒng)的位置誤差保持在0.4 mm范圍內(nèi)。

圖6 10 kN變負載工況加載曲線

由以上仿真結果分析可知，舵機系統(tǒng)具有較好的位置閉環(huán)控制特性，其控制誤差在0.4 mm范圍內(nèi)，能夠滿足舵機系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制精度要求。

圖7 舵機系統(tǒng)10 kN 變負載工況下位移仿真曲線

3.2 加載系統(tǒng)力跟蹤閉環(huán)控制特性

耦合狀態(tài)下舵機負載模擬系統(tǒng) AMESim仿真模型如圖8所示，舵機缸活塞桿按正弦信號往復運動實現(xiàn)位置閉環(huán)控制，加載缸跟隨舵機缸運動，同時跟蹤加載曲線實現(xiàn)加載缸的軸向力輸出。舵機負載模擬系統(tǒng)10 kN變負載工況下位移仿真曲線如圖9所示，分析曲線可知舵機系統(tǒng)與加載系統(tǒng)耦合后舵機缸的位置誤差保持在0.4 mm范圍內(nèi)，表明舵機系統(tǒng)在耦合狀態(tài)下具有較好的位置閉環(huán)控制特性。

圖8 耦合狀態(tài)下舵機負載模擬系統(tǒng) AMESim仿真模型

圖9 舵機負載模擬系統(tǒng)10 kN變負載工況下位移仿真曲線

舵機負載模擬系統(tǒng)10 kN變負載工況下負載仿真曲線如圖10所示。分析曲線可知耦合狀態(tài)下加載系統(tǒng)的力跟蹤閉環(huán)控制特性稍微差點，在舵機系統(tǒng)換向過程中(t=5，15 s)加載缸軸向輸出力的跟蹤誤差較大，但整體上能夠滿足目標負載力的變化趨勢。

圖10 舵機負載模擬系統(tǒng)10 kN變負載工況下負載仿真曲線

4 試驗研究

根據(jù)以上數(shù)學模型及AMESim仿真模型，設計并搭建了舵機負載模擬系統(tǒng)試驗臺架，現(xiàn)場安裝圖如圖11所示。

圖11 舵機負載模擬系統(tǒng)試驗臺架

根據(jù)AMESim仿真結果，采用基于速度前饋補償?shù)淖赃m應PID控制算法及速度前饋控制算法改善加載系統(tǒng)的力跟蹤閉環(huán)控制特性[13]。加載系統(tǒng)在10 kN 變負載工況下的試驗曲線如圖12和圖13所示。分析曲線可知引入控制算法后加載缸軸向輸出力能夠精確地跟蹤加載曲線，其加載精度保持在±3%范圍內(nèi)，表明基于速度前饋補償?shù)淖赃m應PID控制算法能夠有效地消除舵機系統(tǒng)啟動瞬間和換向過程中在加載缸兩腔引起的強迫流量，抑制系統(tǒng)多余力對加載精度的影響，改善加載系統(tǒng)的力跟蹤閉環(huán)控制特性。

圖12 加載系統(tǒng)10 kN 變負載工況下負載-時間試驗曲線

圖13 加載系統(tǒng)10 kN變負載工況下負載-位移試驗曲線

5 結論

本研究從數(shù)學建模、AMESim仿真分析和加載試驗三方面研究舵機負載模擬系統(tǒng)的閉環(huán)控制特性，通過仿真分析和加載試驗驗證了舵機負載模擬系統(tǒng)具有較好的力跟蹤閉環(huán)控制特性，因此所設計的舵機負載模擬系統(tǒng)試驗臺能夠滿足舵機裝置的性能測試需求。