船舶舵机物理建模及控制仿真研究硕士论文

中文摘要 摘要 船舶舵机足用于航向控制的设备，一旦舵机失灵，船即会失去控制，甚至发 牛事故。目前绝大多数船舶采用的是液压舵机。对液压舵机性能进行分析，一种 方法足进行船J j 1 航行试验，对数捌进行分析，但是该方法的局限在于成本高、周 期长；另一种方法采用计并机技术对研究刈+ 缘建模仿真研究，该方法能够有效分 析舵机住镝皂的f 叫时降低了成本，节省了时间。 计算机仿真必须具备两个主要条件：一是建立准确描述液J 再系统动态性能的 模型：二足利川仿真软件对建立的模型进行数声仿真。本文以川崎F E 2 1 4 0 0 电动 液压舵机为研究对蒙，根据陔拨叉J 液压舵机的结构特点、工作过程以及操作要 求，分析其转动原理和液压系统的特性，采用M A T L A B 下的s i m h y d r a u l i c 元件库 刈舵机液压系统进行物理建模，将得到的液压系统模型与数学模型十H 连接构成整 个舵机系统仿真模型。系统采用PJ D 控制。 在所建立的仿真模型基础L ，义寸舵机处于不同工作状态的情况进行仿真。对 仿真结果进行分析，验证了模型的正确性，同时仿真结果满足s o L A s 公约要求。 山于船J I f J 舵机系统的复杂性，P I D 参数比较难整定，而且在运行研：境发生变化 时，P I D 参数需要苇新黎定。为了应对这些复杂性和不确定性，本设计尝试将单神 经元自适应P I D 控制器应J j 在舵机系统的控制上。山仿真结果得出，单神经元臼 适应控制衄用在舵机控制L 足r 叮行的。 关键词：液压舵机物理建模P I D 控制单神经元自适应P I D 控制 英文摘要 A B S T R A C T M a r i n es t e e r i n gg e a ri st h ee q u i p m e n tu s e df - o rh c a d i n gc o n t r 0 1 o n c ct h cs t e c n n g g e a rh a sab r e a k d o w n ，t h es h i pw i l l1 0 s ec o n t r o l ，o re V e nc o m eah o w l e r A tp r e s e n t ，t h e h y d r a u l i cs t e e r i n gg e a ri sw i d e l yu s e do ns h i p T ba n a l y z et h ep e r f o n l l a n c e 【) fh y d r a u l i c s t e e r i n gg e a r ， o n ew a yi st ot e s tt h ed a t ab yd o i n gs h i pn a V i g a t i o nt c s t ， b u t t h e 1 i m i t a t i o n so fl h i sa p p r o a c ha r eh i g hc o s t sa n dl o n gc y c 】e s A n o t h c rm c t h o di s t o s i m u l a t eo nt h em o d e lo fr e s e a r c ho b j e c t T h i sm e t h o dc a ns a V ec o s t sa n dt i m e F o rt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n ，t w om a i nc o n d i t i o n s a r en e e d e d o n ei st h e e s t a b l i s h m e n to fa c c u r a t em o d e l w h i c hc a n d e s c r i b e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t j c s o f h v d r a u l i cs V s t e m s ；T h eo t h e ri s s i m u l a t i o nu s i n gs i m u l a t i o ns o R w a r eb a s c do nt h e b u i l d i n gm o d e l K a w a s a k iF E 2 1 4 0 0e l e c t r o h y d r a u l i ca c t u a t o ri sa d o p t e da s1 1 1 er e s e r c h o b i e c t B a s e do nt h es t r u c t u r a lf - e a t u r e so ft h ef o r k t y p eh y d r a u l i cs t e e r i n gg e a r ，w o r k p r o c e s s e sa n do p e r a t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，t h er o t a t i o np r i n c i p l ea n dc h a r a c I c r i s l i c s o f h y d r a u l i cs y s t e m a r e a n a l y z e d b yu s i n gS i m h y d r a u l i cc o m p o n e n t 1i h r a r yo f M A T L A B ，t h ep h y s i c a lm o d e lf o rs t e e r i n gg e a rh y d r a u l i cs y s t e mi s e s t a b l i s h c d T h e e n t i r em o d e lo fm a r i n es t e e r i n gg e a ri sf o n l l e db yt h em o d e lo fs t e e r i n gg e a rh y d r a u l i c s v s t e ma n dt h em a t h c m a t i c a lm o d e lo ft h eo t h e rp a 九o fs t e e r i n gg e a rs y s t c m T h eP l D c o n t r o li su s e di nt h ec o n t m ls y s t e m T h es i m u l a t i o ni s c o m p l e t e d u n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t o n s B ya n a 】y z i n gt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，T 1 1 ec o l l r e c t n e s so ft h em o d e li sv e r i n e d ，a l s ot h eS O L A S C o n V e n t i o n r e q u i r e sa r em e t B e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fm a r i n er u d d e rs y s t e m ，P I Dp a r a m e t e r si s h a r dt ob e t u n e d A c c o m p a n i e dw i t ht h eo p e r a l i n ge n V i r o n m e n tc h a n g e s ，t h eP I 【) p a r a l l l e t e r sn e e d t ob er e s e t I no r d e rt od e a lw i t ht h ec o m p l e x i t ya n du n c e r t a j n t y ，s i n 9 1 en e r u a la d a p t i V e P I Dc o n t r 0 1 1 e ri su s e di nt h em a n n es t e e r i n gg e a rc o n t r 0 1 T h r o u g ht h ea n a l y s i so f s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ea p p l j c a t i o no fs i n g l en e r u a la d a p t i V ec o n t r o li nm a r i n es t e e r i n g g e a rc o n t r o li sp o s s i b l e K e yW o r d s ：H y d r a u I i cS t e e r i n gG e a r ；P h y s i c a lJ 、1 0 d e l i n g ；P I DC o n t r o l ；S i n 2 l e N c r u a lA d a p t i v eP IDC o n t r 0 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源、研究目的及研究意义 1 1 1 课题的来源 船舶舵机是用于控制和操纵舵叶偏转的重要机械没箭，冉仆舶安全顺利地航行， 并目迅速地到达目的地或预定的泊位，除依靠主机的推进外，还必须具有良女，的 操纵性能，即按驾驶人员意图保持或改变航向的能力【4 ) 】。通过控制肼舶舵机，来 使船舶的航向保持或改变。在航行过程中，如果舵机f j 5 现放障，舵机无法i F 常工 作，船舶便会失去控制，严重时会造成航行一故。根据钒质海船入级与建造舰 范及凼际海卜人命安全公约的规定，舵机转舵扣嘲i 以及转舵速度必须足够 大，并且需具有对故障的以及处理措施，及舵机某一部分m 现故障时，应能迅速 采取替代措施，从而使船舶的操舵能力得剑确保2 1 。利用液体的1 i 町压缩性及流黾、 流阳的l l J 控性通过把液压能转化为机械能而实现操舵l l 的的舵机为液压舵机，液 压舵机在现代船舶上应用1 F 常广泛。液压油流向变换力法仃l 眄种，一种足通过双 向变黾泵来实现油液的换向，采用陔种方法的为泵控，I ! ；另砷| I 是通过换向阀术 实现油液变换，采用该种方法的为阀控式。 计算机仿真技术在液压系统应用巾越来越成熟。液口! 仿真技术从出现发腱剑 今天已有近五十年的历史。采用计算机技术对液压系统进行仿真和分析，能通过 仿真对系统进行整体的分析与评估，从而达到优化系统等同的【1 9 】。船舶在海上航 行一旦发生事故，严重威胁着经济及人身安全，同时会给海洋环境带来不可估量 的生态破坏，在海上交通密度的不断加大的情况下，对舵机系统的操纵性要求越 水越高。因此非常有必要对舵机系统的进行研究分析。 1 1 2 研究目的 本课题的研究目的： ( 1 ) 本设计的研究对象为双泵四缸式拨叉式液压舵机，分析不同建模方式， 确定舵机系统的建模方案。 ( 2 ) 双泵pL 缸式液压舵机存侄乏种工况，分析比较种r ：况下的转舵。阼能， 船舶舵机物理建模及控制仿真研究 对船舶舵机选择合适的运行方案给出参照。 ( 3 ) 由于舵机系统的复杂性和所处的海洋环境的不确定性，设计好的P I D 控 制器在实际应用巾可能无法达到理想的控制效果，因此把智能控制方法应用到舵 机仿真中以适应舵机控制仿真的需要。 1 1 3 研究意义 舵机是用来对船舶进行转向、调头、直航等操作的操作装置【2 0 1 。船舶在进出 港航行时对舵机的操作要求更高，如果转舵装置不够灵敏反应过慢、出现故障， 或者出现驾驶员误操作就会造成重大事故。当今世界处于全球化经济高速发展的 时代，国与国之问的贸易往来十分频繁，海运作为贸易运输的主要工具显得尤为 重要，在这种背景下我国海洋运输业有了很大的发展。作为当今世界的第二大经 济体，我国自然也立于世界航运大国的行列2 。在航运业长足发展的过程中，我 国始终把船舶航行安全作为重中之重，在这种正确的方针下，我国的航运业取得 了健康发展的格局，无论是内河湖泊航行还是远洋运输，航行事故被降到了最低， 当今新的时代背景下对船舶舵机的操纵性提出了更高的要求，对舵机进行仿真研 究具有实际意义。 采用计算机建模仿真技术对液压舵机系统建模仿真，对系统性能进行正确的 评价，可以得到对系统中的一些组件的一些优化建议，对系统设计以及参数优化 改进有重要作用。随着现代计算机仿真技术的发展，对液压系统动态性能进行分 析和预测有了充分的技术支持【2 l 】，研究人员甚至非本学科人员能够方便地对船舶 舵机液压系统进行仿真分析。在实际船舶航行或者是实物试验中，由于安全性的 考虑，一些对舵机的操作是不被允许的，但是对这些极限状况的了解是必要的， 此时通过计算机仿真更是必要的。 1 2 国内外液压系统仿真技术现状和发展趋势 随着计算机技术的发展，计算机仿真技术已广泛应用于控制系统的仿真研究。 计算机仿真须两个前提：一是建立准确描述研究对象性能及环境因素的模型3 ，4 ，5 1 。 二是利用适当的仿真软件在所建立的模型基础上进行数字仿真。将计算机仿真技 第一章绪论 术应用到液压元件和系统研究【二已有几十年的历史，而且越来越成为液压系统设 计人员的有力工具【6 J 。 1 2 1 液压系统建模方法 对仟何系统进行仿真，我们的首要任务是建立仿真模型，对液压系统进7J ：仿 真研究须建立能准确拙述液压系统动态性能的数学模型。玑阶段建立液压系统的 仿真模型的方法很多，以下足几种比较常用的方法：解析建模法、状态空M 建模 洲7 1 、功率键合图建模法【8 】、液压人系统建模法【9 1 、田i 向对象技术建模法等。 】2 2 液压仿真技术发展现状 国外对液压系统仿真软件的研发起步较f l ，始丁 一卜世纪中期，最与L 出现的液 压系统仿真软件山德闻业琛j I 二业大学的D S H 和英同B a t h 大学丌发 j 。德幽业琛工 业大学最L T L 推出的版本足D S H 版本，由丁该软件采用原理图建模，所建的模型直 观、物理意义明显且包含怍线性等优点，但是却存在以下不足：模，驰库需要人工 管理，不容易描述新元件，不易降低系统阶次。D s H 于1 9 7 2 年丁| 级为D S H p l u s ， 该软件在德国F L U I D o N 股份自限公司的研发下完成的。该软件的编丐是山C + + 语古实现的，运行需要c + + 编译器的支持】。2 0 世纪8 0 年代初，由英B a t h 大 学传动与运动控制中心研制丌发出一款专门对液压弓气动系统进 J ：时域仿真分析 的软件，它便是H A S P 。在2 0 世纪9 0 年代初经过升级改名为B a t h f p 。B a t h f p 软 件采用的建模方法为功率键合图法。山于液压系统本身足一个复杂的系统，这就 要求液压软件内部包含的液压元件程序应尽量丰富，以满足仿真要求，H O P S A N 软件F 是这样一款软件，它于1 9 7 7 年由瑞典林霉平大学流体机械j L 程系统部推m 。 该软件最初是运行在微型机上，针对于不能进行系统的实时测量和控制的缺点， 2 0 0 1 年该软件的w i n d o w sN T 版本发析i 。法团l M A G I N E 公司f1 9 9 5 年推出 A M E S i m 软件，能够对工程系统进行建模，足一个j 1 j 有图形化丌发环境的通用的 仿真和动态性能分析的软件f 坦】。它采用了一种类似于功率键合图的建模方法，与 功率键合图建模相比，它所建的模型更能直观的反映系统工作原理。 近年来随着液压技术在工业现代化中的广泛应用，对液压仿真技术的要求的 不断提高，使得液压仿真软件的研发浪潮没彳丁消退，螳新型的液压仿真一r 具出 船舶舵机物理建模及控制仿真研究 现在人们的视野。这期问出现的一些液压仿真软件有美国的E A S Y 5 、衙兰的2 0 2 s i m 软件等。同时M a I l a b 下也出现了专门应用与液压系统仿真的液压元件库一 S i m h y d r a u l i c 库。 上世纪8 0 年代初，我国丌始对液压仿真技术进行研发。液压仿真技术被列为 我国的重点攻关项目，由东南大学、浙江大学等单位共同承担。在这方面我国通 过引进外国先进的液压仿真软件，通过借鉴学习到研制出具有自主知识产权的液 压仿真软件，我国在这方面取得了初步的成绩。出现了下列一些仿真软件，基于 w i n d o w s 的D s H 软件版本是由东南大学在原D s H 的基础上开发出州13 1 。s i m u l Z D 是浙江大学通过引进D S H 液压仿真软件并在此基础上进行研发出具有自主知 识产权的液压仿真专用软件。但是上述液压仿真软件同国外仍存在较大差距。 1 2 3 液压仿真技术的发展趋势 现代液压仿真软件种类繁多，在工程实际中的应用越来越广泛，但是在很多 方面仍然存在不足。随着对液压仿真技术要求的不断提高，液压仿真技术正在向 这几个方向发展： ( 1 ) 液压系统模型和算法的进一步研究 系统仿真的首要任务便是建立模型，模型的准确与否直接关系着能否对实体 的特征及性能的描述【2 8 】。由于液压系统自身的复杂性，在仿真的时候末能完全搞 清楚某些情况，使得液压仿真软件的建模机理不够完善，建立的模型未能完全反 映液压系统的真实流体情况。同时，由于仿真研究的对象变得越来越复杂，导致 仿真时间变得较长，这对实时控制是不利的。在上述背景下，液压仿真软件需在 建模机理和算法上继续完善【2 9 1 。 ( 2 ) 最优化设计能力的实现 仿真软件的最优化设计能力包括参数设定最优化，结构最优化以及经济最优 化。影响对一个动态系统作出评价的因素不仅包括系统的数学模型同时也包括模 型的结构参数，这两者同等重要。对这些结构参数进行精确设定往往比确定系统 的数学模型困难【3 0 3 1 ，3 2 1 。 ( 3 ) 仿真和测试的无缝集成 第夺绍沦 把液压仿真软件和实际的物理系统牛| f 近，进行仿真研究。这种连接方式把实 际的物理部件作为仿真模型巾的一阁j 分，称为半实物仿真，该方法特别适用于那 些系统的某些部件没有合适的模型或难J i 建摸，或者液压系统本身有特殊要求时。 对于采用该方法的方法，我们有理m 给r 史，岛的信任。这项技术的难点在于接口 技术【3 3 3 4 1 。 ( 4 ) 而向对象技术、多媒体技术的 影川 图形化界i 莳在液爪仿真软件中虽f 】| 已吱现，但多媒体技术存液压仿真巾的应用 还足很初步的。将多媒体技术特别足多媒体动l f f I j 技术应用剑系统仿真丈时动作和 结果分析中，就盯以动念直观地表示液瓜化动内容，克服了其抽象复杂的缺点。随 着面向对缘理论的发腱成熟，液压仿r C 软什的设计中已经逐步将模块式的方法 将换成而阳对象方法。运用而向对缘方法建。屯模型在刈。复杂系统的分析研究r f l 所 表现出的优越性更明湿，对分布式建模的支”更J J I l 完善，得到的仿真模型的易于修 改、扩充和重用。 1 3 本课题的主要研究内容及技术路线 小课题以川崎F E 2 卜4 0 0 电动液爪舵机为研究对缘，研究内容：对舵机液压系 统建立仿真模巧! ，分析舵机在不同l ：作状况F f 内舵机液J 匪系统的。陀能。针对海况 的复杂多变，舵机的控制需要具备F I 适应功能，设计季1 7 能控制算法，观察分析在 智能控制下液压舵机系统的控制效果。 ( 1 ) 确定船舶舵机液压系统的建摸力案以及所需的参数。 本设计以M A T L A B 为仿真工具，丛于s i m u l i n k 下的s i m h y d r a u l i c 元件库搭建 舵机液压系统的仿真模型。S i m h y d r a u l i cJ 五；足专门嘶向液压系统仿真的工具，其内 包含大部分液压系统所需的元器件，冈其搭她过平罕如同组建一个真实的物理系统， 故称该方法为物理建模。对已知的舵机系统的棚关参数进行处理，从而确定模型 所需的参数。 ( 2 ) 分析在不同：I ：作状态下液压舵机的转舵。陀能 以传统的P I D 控制器术对液压舵机进iJ ：控制，分析船舶在不同航速时舵机的 转舵情况，这甲的P I D 参数采川人为试；炎 i 。 船舶舵机物理建模及控制仿真研究 ( 3 ) 对液压舵机进行自适应控制 设计单神经元自适应P l D 控制器，将单神经元自适应P I D 控制下的仿真结果 与P I D 控制效果进行比较。 ( 2 ) 操舵控制系统 一般应设有两套以上的控制系统，并能分别在驾驶室和舵机室进行控制。如 果采用液压遥控系统，除一万吨以上的油轮( 包括化学品船、液压气船) 外也可 不设第二套独立的控制系统。 ( 3 ) 应急动力 对于舵柄处舵杆直径大于2 3 0 m m 的船应为舵机设有替代动力源。替代动力源 可以是应急电源，也可以是位于舵机室专用的独立动力源。它能在4 5 s 内向操舵装 置提供的替代动力源。 ( 4 ) 舵角指示和限制 在舵机室、驾驶室设有舵角指示。操舵装置须设有舵角限位器。 ( 5 ) 安全阀 液压系统中能被隔断的部分，以及由动力源或外力作用能够产生压力的任何 部分均应设置安全阀。安全阀的开启压力不应小于1 2 5 倍最大工作压力。安全阀 最小排量应不小于所有液压泵通过其排放的总流量的l l O 。在此情况下，在外界 环境温度对液压油黏度影响后，压力的升高不应超过丌启压力的1O 。 ( 6 ) 附加要求 对1 万总吨以上的油船、化学品船、L P G 船尚有以下附加要求：当发生单项 故障( 舵柄、舵扇损坏或转舵机构卡主除外) 而丧失操舵能力时，应能在4 5 秒内 恢复操舵能力。 第一：章舟仆舯舵机系统概述 第二章船舶舵机系统概述 船_ f j f j 舵机足船舶操纵控制的核心系统，船舶存航行时，控制室发出舵令通过 舵机使舵叶发生偏转或保持，从而使船J j I ，I 转向或保持。一般意义下我们所说的舵 机足舵叶、舵杆、舵机等部分的统称。船舶舵机根据驱动力方式的不同，可分为 蒸汽舵机、电动舵机电动液压舵机f H J 。液压舵机仃以下特点：质嚣轻，体积小， 灵敏性好，平稳安全町靠，能减缓风浪对舵叶的冲击提升了在恶劣海况F 的适应 能力，运转振动小、噪音低，能够实现无级变速，功二棼的范较广。曰1 1 ，J 现代化 的人中型J j 舯一般都采用液压舵机，所以本文以液压舵机作为分析对缘。 2 1 舵的作用原理 舵叶垂直安装在螺旋桨后方，除小型船舶采用平板舵外，大船舵I l | | 都粟刚I j 钢板焊接的对称机烫型空心结构，称为复板舵。根扼舵叶安装方式的小同，有如 下划分：将舵杆轴线安胃住舵叶的前缘为不平衡舵；将舵杆轴线置J ：舵叶d 仃缘后 而一定距离的舵称为平衡舵；上半部做成不平衡J 弋而下半部做成i F 衡式的舵称为 半平衡舵。对丁：平衡舵和半甲衡舵，山于舵I l | 前叶嘶受到的力矩1 J 后叶面l 二所受 到水流的作用力矩方向棚反，从而使转舵所需的手“矩减少。在主舵的后方设一辅 舵为襟翼舵，这足一种转折舵，它的运行机理是主舵和辅舵l J 时转动只转动方向 一致，但辅舵的转动角度比主舵的转角人，其流体动力特性在小舵角时可以得到 极大改善。 船舶航行时舵叶处在船的尾流中。舵叶横剖而的巾线与船舶r f l 纵线之M 的必 角我们称为舵角。当舵角为零时，山于舵叶两侧所受到的水流作用力大小柏等方 向相反，船舶保持航向不发乍偏转。若舵叶向一舷偏转某舵角，则其两侧的水流 状态不再对称，水流绕流舵叶时的流稗背水面大于迎水面，流速较大，所以背水 面的水J = I i 力比迎水面要小，舵叶所受的水压力合力称为舵J 匿力，该力的方向与舵 叶中线垂氲，指向背水嘶。此外，水流对舵叶还产生摩擦力，平行于舵叶中线。 舵压力与摩擦力的合力即水流对舵叶产生的水动力。由丁摩擦力相义寸舵压力很小， 故舵的水动力近似为多压力。对船体进行分析，舵的水动力会产，J i 使肌体转动的 船舶舵机物理建模及控制仿真研究 力矩，在该力矩的作用下船体发生偏转，这就是操舵转船的原理。 2 2 液压舵机的工作原理 过去海船上采用的蒸汽舵机已被淘汰，电动舵机办很少使用，目前大型船舶 几乎都采用液压舵机。泵控液压舵机油液流向的改变是利用油泵本身来产生；阀 控式液压舵机则通过阀门进行流量的分配来完成1 5 】。 2 2 1 泵控型液压舵机的工作原理 尾楼撩圾 接电反馈 发汛器 图2 1 泵控型液压舵机原理幽 F i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fh y d r a u l j cs t e e n gg e a ru n d e rp u m pc o n t r o l 图2 1 所示为泵控型液压舵机，由以下元件组成：1 代表电动机，2 代表双向 变量泵，3 代表放气阀，4 代表变量泵控制杆，5 代表浮动杆，6 代表储能弹簧，7 代表舵柄，8 代表反馈杆，9 代表撞杆，1 0 代表舵杆，1 1 代表舵角指示器的发送 器，1 2 代表旁通阀，1 3 代表安全阀，1 4 代表转舵油缸，1 5 代表调节螺母，1 6 代 表液压遥控受动器，1 7 代表电气遥控伺服油缸。 泵控型舵机的工作原理：当油泵按照图中所示的方向进行吸排时，泵吸油排 第：章船舶舵机系统概述 油的方向足从右侧油缸吸油，排向左侧油缸，油泵两侧的油压发生变化，作用在 撞十T 上推动其向右运动。j 馥卡I _ 1 1 1 央设有滑动接头，用来实现与舵柄7 的滑动连接， 舵柄7 的另一端连接住舵杆1 0 的上端，在这样的连接结构下，撞杆9 进行往复运 动时，便可带动舵叶斤右偏转。油泵的吸排方向发卜改变时，撞杆和舵叶的运动 方向也槲应的发生变化【1 8 】。1 t 期应J 】最多的径向柱塞式变量泵不同，现在广泛 应用1 ：程牛产r ，f 门为斜撒J 弋或斜轴式轴向柱塞舣向变量泵。运 J ：时，通过对泵 控制f r 偏离中位的位移力阳和大小进行控制，来使泵的斜盘的倾角或缸体摆角做 出棚应的改变，进j n j 达到刈变毓泵吸排方向和排量的控制。变量泵控制杆偏高中 化的化移方向和人小撤捌舵，f j 指令和实际舵角之叫的偏差来做出调节。当实际舵 角与舵令之间存舀：偏芹时，根扼偏差的大小和方向，变量泵会最初吸排状态的调 整，当偏差不是人人时，变量泵的控制卞T 便已达到最大值，此时变最泵以最大流 量去推动撞杆进 J ：转舵，这种策略保汪了舵机动作的快速性，当偏蔗减小时，变 量泵的流量逐渐减小。当交际舵角与舵角指令相等时，变黾泵的控制杆处于中位， 变量泵的流员为零。 2 2 2 阀控型液压舵机的工作原理 阀控型液压舵机的斌小组成包括：接受转舵信号的电业换向阀，提供转舵动 力油的定量泉，驱动舵叶| ，I 勺转舵机构，实M ：舵角反馈发讯器等。在运 r 时，定鼍 泵按照同定的方向向液瓜回路连续输油，转舵油缸与定量泵之问由三位 JL j 通电液 换向阀连接，通过控制二二位四通电液换向阀实现对转舵油缸供油的换向。当控制 台给卅指令舵角州，换l ，1 J 阀进行棚对应的油液分配，油液进入相应的转舵油缸油 缸的另一侧与油箱棚迮，推动舵柙：和舵叶转动。当舵叶的实际舵角和期望舵角一 致时，换向阀的阀芯回至州，位，转舵油缸的汕路锁闭，舵叶停转。阀控型舵机液 压系统一般采 j 丌式系统结构，油液流回至油柜，定量泵从油柜吸油。开式系统 易于油液敝热，f I | 油液容易被污染。f j 习控，弘舵机采用巾向定量泵，系统及其控制 比较简单，造价较低。mj i 采川换向阀进行换向，在换向时液压冲击较大，可靠 性相对较筹。另外在刁i 转舵时泵仍以全流镀排出，经济性较差，适刖功率比泵控 型小【I6 1 。 船舶舵机物理建模及控制仿真研究 2 3 液压舵机转舵机构简介 在液压舵机中，转舵机构的作用是把油泵提供的液压能经转舵机构转变为舵 杆的机械能，从而使舵叶偏转。由于采用的液压油缸的不同，导致动作方式的不 同，以动作方式来划分，转舵机构可分为往复式和回转式两大类。往复式转舵机 构较常见的有滑式、滚轮式、和摆缸式。回转式主要还是指的是转叶式【19 1 。如图 2 2 所示： 图2 2 转舵机构分类 F i g 2 2t y p e so fs t e 硎n gb o d y 这里主要介绍下两种比较常用的转舵机构：转叶式和拨叉式。拨叉式舵机的 油缸为往复式，转叶式舵机的油缸为回转式。 2 3 1 转叶式转舵机构 2 3 1 1 转叶式转舵机构的组成 转叶式液压舵机的转舵机构是转叶式的，采用回转式转舵油缸，通过转动叶 片来实现舵叶的偏转。一切往复式的转舵油缸，都需要某种适当的机械转换机构， 把往复运动转换为回转运动，才能实现转舵的目的。而回转式转舵油缸，则是把 承受液压与机械传动两部分集成起来。转叶油缸的转叶既相当于往复式油缸中的 撞杆或活塞，同时又发挥了舵柄的功能，把两者巧妙的融合在一起。活塞固定在 叶片上从而有效地吸收并调整叶片由于安装或舵杆的偏差所引起的运动误差。所 第- = 章船疔f 舵机系统概述 以失中或偏蔗不会影响活塞的正常运作17 1 。 回转式转舵油缸内装有定叶和转叶( 转叶和定叶成对出现，它们的数目视最 人舵角和实际需要而定，一般f i 多于i 对) ，与缸体一起把油缸内部分隔成独立：的 工作空问，按_ i ：r 作状态，这砦窄问分为两组，通过管路分别丁油泵的主油路十H 连。运行时，压力油进入其中一组工作空问，并从另外一组工作空川将油液引叫， 从而使转叶在油压筹的作川下转动，并进m j 通过【直l 定键块直接带动舵杆、舵叶偏 转。当调整油缸进油量的进油力一向时，叶片的偏转角度和偏转方向会棚J 馥的发尘 变化。 2 3 1 2 转叶式转舵机构的工作原理 图2 3 转叶式液J 1 i 舵机的I ：作原理 F i g 2 3w o r l ( i n gp r i n c i p l eo fh y d r a u l i cs t e e r i n gg e a rr o t a t i n gb I a d e 缸体式舵丰I I 既可以采用锁紧环机构又可以采用液压连接。舵叶轴承减少了对 准确对中要求。同时也使内部摩擦和舵卞1 ：作用于转舵机构的作用力，叟小。维持轴 承农丽的接触无需依靠于对巾和偏差。圆型设计利特殊的轴承材料具有很高的陀 能，可以柏效地减小摩擦和不必要的震动。所自。的运动部件，叶片轴承和叶片均 采用液J 压油润滑，采J J 聚酞胺水保持密封定在缸体内来实现转叶的密封。从l J l - 船冉f 舵机物删建模及控制仿真研究 片密封中漏出的油会进入专用的i l i 道流回油箱。 如图2 3 所示，以泵控型转叶式舵机为例来介绍转叶舵机的工作原理。与往复 式油缸通过撞杆实现转舵的机理不同，转叶式舵机油缸通过内部装有的转动叶片 来实现转舵。该环形转舵油缸内部设有一对转动叶片，转叶式舵机为双转叶式， 这些叶片与舵壁便组成了2 个A 油缸和2 个B 油缸，叶片可在油缸内旋转，改变 各个油缸的空间。 当2 号油泵启动通过油管泵输出油液到与其相连的B 油缸时，由于B 油缸内 油压增大，便转叶片逆时针方向转动，同时A 油缸内的油液流放回2 号油柜，油 柜中的油又经过油泵进入B 油缸，形成闭式液压系统，带动舵杆逆时针方向转动， 从而使舵叶向逆时针方向转动：当l 号油泵工作时原理同上。如果两台油泵同时启 动，油缸内的油液循环流动加快，从I 斫使舵叶的偏转速度加快一倍。 么么么么么么么么么 图2 4 十字头式转舵机构 随着工作油压的提高，转叶油缸的密封问题将更加显得突出，并导致其结构 的复杂化。所以长期以来，转叶式舵机多应用与中小型舵机。 第二审船冉f 1 舵机系统概述 2 3 2 滑式转舵机构 2 3 2 1 十字头式转舵机构 f l 一：4 0 舵机构足一种传统形式，现在仍被广泛采用。滑式转舵机构分为拨叉 J 和十7 头- 弋。I 訇2 4 所示为十字头式转舵机构。 f 。字义= l ，0 舵机构具有以下特点：扭矩特性良好，能够平衡撞卡T 所受的侧推 力：密封f ， ：! ，当发生泄漏时揉一发现，但是安装检修比较麻烦。 2 3 2 2 拨叉式转舵机构 l 州十j ，：头- 转舵机构的转矩特性十丌同，另一种滑式转舵机构一拨叉j I = 转舵机 构J 粒用也岍；I “泛。图2 5 所示为拨叉式转舵机构，与f 。字头式转舵机构的彳i 同在 于：捕十1 ：一I ，翻j 改仃一方形滑块的网柱销。在这样的结构下，当撞杆在油缸内做往 复运动时，滞块一方而能够以舵杆为中心做径向运动，令一方面舵柄与撞杆的连 接，一j 、i 能够随精j 啦十1 二运动从而产生舵柄的转动。柱塞在两侧液J J i 差的带动下做往 图2 5 拨又式转舵机构 F i g 2 5f o r k ss t e e r i n gm e c h a n i s m 复J 运动，带动舵叶的偏转，实现液压能转化为机械能。这罩我们能够看出，拨 义式转舵机构的舵卡H h 心到撞杆的距离足崮定的，舵杆中心到撞杆中位的距离足 改变的；I f J f 。j ，：义式转舵机构的舵卡f 中心到撞杆的距离足变化的，舵f r 中心到撞 朴t ”位的趴离足f 州定不变的。这就说明，在同样的情况下，拨叉，r I = 转舵机构所占 船舶舵机物理建模及控制仿真研究 的空问更小。 2 4 舵机的基本技术要求 船舶航向能够进行保持或改变离不开舵机的控制，如果舵机发生故障无法正 常工作，船舶航向失去控制，甚至发生事故。根据I M O 的国际海上人命安全公 约( S O L A S 公约) 和我国钢质海船人级与建造规范的相关规定，舵机必须具 有足够的转舵扭矩和转舵速度，而且需要有一套应急方案以确保船舶持续具有操 舵能力，当某一部分发生故障时，能够迅速采取替代措施避免故障对舵机正常运 行的影响。基本技术要求如下1 1 4 】。 须设有备用操舵装置，现在船舶上的舵机多按以下两种方案设计：一种是套 主操舵装置和一套辅操舵装置，另一种为主操舵装置装设两套以上的动力没备。 无论哪一套操舵装置发生故障时，都可以使另外一套立即投入工作。 当船舶在最深航海吃水以及最大运营航速时，主操舵装置能够有足够的强度 使舵叶自一舷的3 5 度转到另一舷的3 5 度，而且对转舵速度也有要求，舵叶自一 舷的3 5 转到另一舷的3 0 应在2 8 秒内完成。当船舶以最大速度后退时，不会对舵 机造成随坏。 辅操舵装置具有的强度应满足一下要求：当船舶航行速度为最大营运速度的 一半但不小于7 l ( 1 1 ，航海吃水为最深时，辅操舵装置能够使舵自任一舷的1 5 0 度转 到另一舷的1 5 0 度，而且所需要的时间不应超过6 0 秒。 筇二章船f 】白舵机液压系统仿真模掣的建立 第三章船舶舵机液压系统仿真模型的建立 3 1s i m h y d r a u | c 简介 S i m H v d r a u l i c s 足2 0 0 6 年T h e M a t h W b r k s 公司推m 的S I M UL J N K 、l i 台扩展功能 软件包，是m a t l a b 下专i 、J 川于液J K 传动和控制系统的建模和仿真的l ：上，扩腱厂 S i m u l i n k 的助能。使用这个I ：具可以对包含液压和机械元件的系统进 j ：物川! H 络 建模，可川于跨专N k 领域系统的系统建模，足工程应J j 中比较高效的仿：r L 。 S i m H v d r a u l i c 内部包含的元器件模块库可用束构成液压系统，厍l | J 也包含了川J 二构 造其它元器件的基本元素模块。s i m H y d r a u l i c s 同S i m M e c h a n i c s ，S 而I ) r i v c l i n e 和 S i m P o w e r s v s t e m s 一同使用，能够支持对复杂机液系统和咆液系统的建摸，以分忻 他们相互交联的影响。 该液压元件库的主要功能：洲有包括阀，蓄能器，泵和管j I 舀：内的止丑过7 5 个 液压和机械冗器件模7 弘；执j 有基本液压构造己奈席，川，_ 可聚川这J I 小C 索J 乍 组建实际对琢的模型，另外还有基本机械和运算j n 元；为液压和液t r T i 机械系统的 仿真提供物理建模环境；包含几种常用液抠流体工作介质，可按嫩i 需要进行选择。 使用S i m H v d r a u l i c s 库巾的元器件可以对液压系统进行建模，J 二怍一| l f f ，J 液爪 元件对应真实液压系统巾的元件，他们的连接与实际系统的连接棚似，从J 州史该 过程如一J 组建一个真实的物理系统，因此对采用s i m h y d r a u l i c 对液J K 系统建模的力 法称为舵机物理建模。 山十直接使J | jS i m u l i n k 的求解器求解的方程组形式，而不足采川i l i I 少仿真方 法，采用S i m H v d r a u l i c s 得到的液压系统物钾模型就完全司其它s i m u | j n k 模型部分 集成在一起。S i m h v d r a u l i c 模型可以与标准的S i m u l i n k 模块进行f i 一，交互。当 S i m h v d r a u l i c 模型向标准S i m u l i n k 模块传输信号时需要使用s e n s o r 模块，咳模块I J | 以测量任何机械液门：特征变量例如压力、流量、位移、速度和力，然后将这北信 号经P S S 转换成数学信号传给标准的S i m u l i n k 模块。s o u r c e 模块可以将S 而u 】i n k 信号赋值给，f t 何机械液压变量，将数学信n 传递给机械液K 变m ；要车簟换器 S P S 。 船I ；f f I 舵机物理建模及控制仿真研究 3 2 舵机系统物理建模 图3 1泵控，弘舵机的原理图 F i g 3 1s c h e m a I i cd i a g r a mo fh y d r a u l i cs t e 甜n gg e a ru n d e rp u m pc o n t r o l 本文以川崎F E 2 1 4 0 0 电动液压舵机为研究对象，该舵机系统为泵控型液压舵 机，采用拨叉式转舵机构，其结构图如图3 1 所示。对其进行建模采用m a t l a b 下 的液压元件库。仿真模，弘的搭建与舵机的实际系统原理图对应。系统中大部分元 器件都可以在s i m h y d r a u l i c 库下找到相对应的元件模型，如双向泵，液压缸，换向 阀等。对于一些器件在液压库以及机械库中没有或很难通过其中的元件实现，而 其本身的数学模型并不复杂的情况下可以将该器件的数学模型与物理模型以一定 的方式相连。比如伺服油缸，控制器，负载。 图中包含的元器件有：1 、补油单向阀，2 、主油路锁闭阀，3 、主油路安全阀， 4 、舵角发信器，异、罡主泵，K 、屹、圪截止阀，圪。、圪：旁通阀。 第= 章船疔f 舵机液压系统仿真模删的建立 3 2 1 双向变量泵建模 2 9 5 图3 2 斜盘式式车| 1 1 向柱露泵 F i g 3 2a x i a lp i s t o np u m pw i t ht i l t e dp l a t e 在液压系统中，液门i 泵是将机械能转换成油液的压力能，为液压系统提供具 仃一定压力和流母的液体去驱动执行元件，所以又称为液压动力元件。这甲采用 的变镑泵为斜盘式轴向柱摩泵。与一般排送液体的往复式柱塞泵在结构上有着显 撸的不同，柱寒泵为了满足提高转速利供液均匀的要求采用了多作用I u I 转油缸， I 刊时取消了泵阀，这类泵属于回转式而非往复式容积泵。这种泵内部设自控制变 阳变量的机构，在转速和转向不变的情况下呵以实现油流方向和流黾的改变。按 照柱癯布置方向分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵，后者又有斜盘泵和斜轴泵之分。 径向牲塞泵由丁尺弋j 人、转速低以及性能参数差，在船舶液压机械中已很少应用。 这罩的研究对象采用的是斜盘式轴向柱塞泵。其工作原耻图3 2 所示：泵轴1 与缸 体3 相连接，在缸体3 上沿轴向有一圈均匀的油缸，各缸体中含有柱塞，依靠作 用r 底部的油压或机械方法紧贴在斜盘5 上。斜盘5 可以绕。点偏转，从而使其 轴线相对泵轴线的倾角玎以改变。缸体3 的左端面紧靠在配流盘2 上。配流擞2 通过定位销固定在泵体9 上并在其上开有两个弧形的配流窗口6 ，从而使桐应的油 缸与泵的吸排何r 想连通。当原动机通过轴l 驱动缸体顺时钊( 从斜盘端石) 旋 转时，斜擞处在图2 1 示倾角，柱塞自上而下经过左! 仁周过程中从油缸中逐渐退出， 使汕缸底嗣5 的土寸闭容积逐渐增大，经厶! 侧窗I _ 由7 吸油；在另一侧时会将汕排除。 善 炎、 ，f 船舶舵机物理建模及控制仿真研究 在一个伺服油缸的推动下，斜盘式轴向柱塞变量泵的斜盘的倾角发生变化， 进而来控制供流量改变或供油方向的改变，从而使转舵速度和方向发生变化。另 外，斜盘式轴向柱塞泵的流量还与油泵的泄漏有关。对于变频式变量泵，流量同 时受电击转速的控制，这罩采用的是固定频率电击带动变量泵。斜盘式轴向柱塞 泵的流量方程 2 0 】： Q = 仇彳1 B z h t a n = 仇( O 2 5 7 r d 2 ) q Z h t a n ( 3 1 ) 这里仉为油泵的容积效率，对其值的设定：当工作油压大于2 0 M p a 时约为 0 9 2 0 9 5 ，当小于2 0 M p a 时，约为0 9 5 0 9 8 ； d 为柱塞直径为o 0 2 3 m ，4 为柱塞面积，4 = O 2 5 万d 2 ； q 表示柱塞中心分布圆直径，其大小为O 2 5 m ； 油泵柱塞个数Z 为7 ； 油泵电机转速n 为1 8 0 0 r m i n