楊耕新

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇南京 211170)

1 人工舵機(jī)操作原理

我國內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)展迅速,但內(nèi)河船舶液壓舵機(jī)發(fā)展嚴(yán)重滯后,多為人工舵,主要依靠操舵人員的經(jīng)驗(yàn),根據(jù)舵角指示儀反饋舵角與航向的偏差決定換向閥的動(dòng)作,進(jìn)而控制舵角并不斷地修正,操舵人員勞動(dòng)強(qiáng)度大,航行安全存在隱患,操舵頻率過高,航向保持精度差,為開式系統(tǒng)。隨著江海直達(dá)船型的快速發(fā)展,改造內(nèi)河船舶操舵設(shè)備,提高船舶航向控制性能,成為內(nèi)河船型標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展趨勢之一。人工舵控制圖如圖 1所示。

圖1 人工舵控制示意圖

2 系統(tǒng)的改造

近年來電液比例技術(shù)發(fā)展迅速,在液壓系統(tǒng)控制中具有操作方便,容易實(shí)現(xiàn)遙控,容易實(shí)現(xiàn)編程控制,工作平穩(wěn),控制精度較高,對污染不敏感等特點(diǎn),針對內(nèi)河船舶液壓舵機(jī)的不足加以改造,大有可為。

2.1 改造系統(tǒng)的組成

2.1.1 電液比例閥[1]

電液比例閥是電液比例控制技術(shù)的核心和功率放大元件,代表了流體控制技術(shù)的發(fā)展方向。它以傳統(tǒng)的工業(yè)用液壓控制閥為基礎(chǔ),采用電—機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置,將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移信號(hào),按輸入電信號(hào)指令連續(xù)、成比例地控制液壓系統(tǒng)的壓力、流量或方向等參數(shù)。

電液比例閥可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)流量、壓力、方向等多參數(shù)的復(fù)合控制,主要分成比例放大器、比例電磁鐵、液控主閥。通過比例電磁鐵推動(dòng)閥芯,經(jīng)閉環(huán)控制,準(zhǔn)確定位閥芯位置,改變動(dòng)態(tài)液阻,既能實(shí)現(xiàn)換向功能來改變液流方向,又可以使得液流的流量得到精確控制。電液比例閥控制示意圖如圖 2所示。

圖2 電液比例閥控制示意圖

2.1.2 可編程控制器(PLC)

可編程序邏輯控制器(PLC)是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)計(jì)算機(jī),可在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場工作,能夠完成順序控制、位置控制、數(shù)據(jù)處理、在線監(jiān)控等功能。特別具有過程控制功能,控制算法(PID)控制模塊的提供使PLC具有了閉環(huán)控制的功能,控制過程中變量出現(xiàn)偏差時(shí),PID控制算法會(huì)計(jì)算出正確的輸出,把變量保持在設(shè)定值上。

2.2 液壓系統(tǒng)的改造

液壓系統(tǒng)的改造如圖 3所示。舵機(jī)設(shè)置 1個(gè)主操舵裝置和1個(gè)輔助操舵裝置[2]。主操舵裝置和輔助操舵裝置的布置,滿足當(dāng)它們中的 1個(gè)失效時(shí)應(yīng)不致使另 1個(gè)也失靈。主操舵裝置采用電液比例換向閥作為線性受控單元,比例放大器首先接受來自PLC的模擬量信號(hào),通過前置放大、功率放大、反饋校正、PID調(diào)節(jié)等處理,產(chǎn)生與指令要求相適應(yīng)的精確電信號(hào)傳給比例電磁鐵;比例電磁鐵會(huì)生成相應(yīng)的電磁力,推動(dòng)閥芯產(chǎn)生一定的位移,閥芯形成一定的開度,起到阻尼作用,其流出、到達(dá)油量就成為可控、可調(diào)的了。隨著比例放大器對信號(hào)處理的不斷修正,液阻隨之動(dòng)態(tài)變化,輸出的流量、壓力和方向也就隨之變化,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制。

圖3 液壓系統(tǒng)改造圖

輔助操舵裝置作為主操舵裝置不能正常工作下的應(yīng)急操舵,采用手動(dòng)操舵,通過按鈕操控電液換向閥電磁鐵的通電與斷電,使油路的方向轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)手扳舵轉(zhuǎn),復(fù)位舵停,左舵左扳,右舵右扳的直接控制。

2.3 控制系統(tǒng)的改造

2.3.1 系統(tǒng)的控制算法

在工程實(shí)際中,應(yīng)用最廣泛的是 PID控制器。PID舵調(diào)節(jié)規(guī)律是以船舶偏航角 ΔΨ、偏航角速度和偏航角角積分給出舵角 β,其表達(dá)式為:

式中:Kp,Ki,Kd為PID型自動(dòng)舵的設(shè)計(jì)參數(shù)。比例系數(shù)Kp決定控制作用的強(qiáng)弱;積分系數(shù)Ki消除系統(tǒng)靜差;微分系數(shù)Kd有助于減小系統(tǒng)的超調(diào),克服振蕩,使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定,加快響應(yīng)。

在可編程控制器 PID控制中,使用的是數(shù)字PID[4]控制器,采用的是增量式PID控制算法,根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差計(jì)算控制量,通過軟件實(shí)現(xiàn)增量控制。西門子S7-200系列PLC提供了用于閉環(huán)控制PID運(yùn)算指令,用戶只需在PLC的內(nèi)存中填寫一張PID控制參數(shù)表,再執(zhí)行相應(yīng)的指令,即可完成PID運(yùn)算,改變國內(nèi)模擬PID舵線路繁雜、穩(wěn)定性和操控性較差等方面的不足。

2.3.2 設(shè)計(jì)方框圖

PID自動(dòng)舵設(shè)計(jì)方框圖如圖4所示。

圖4 PID自動(dòng)舵設(shè)計(jì)方框圖

圖4中,當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定航向,首先傳送至 PLC,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成模擬量指令,作為比例放大器輸入信號(hào),比例放大器相應(yīng)輸出模擬量提供給比例電磁鐵,產(chǎn)生對應(yīng)的力或位移,作用在電液比例方向閥,從而得到相應(yīng)的流量、壓力以驅(qū)動(dòng)液壓缸,進(jìn)而形成一定的速度或力來驅(qū)動(dòng)舵葉,改變船舶的航向。運(yùn)用相應(yīng)的檢測元件將船舶航向反饋信號(hào)再傳回進(jìn)行比較,以便動(dòng)態(tài)地調(diào)整舵角,使最終的船舶實(shí)際航向與設(shè)定航向相一致。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

PLC是采用軟件編制程序來實(shí)現(xiàn)控制要求的,就是用戶根據(jù)控制對象的要求,利用 PLC廠家提供的編制語言,將控制過程編制相應(yīng)的程序。PID自動(dòng)舵控制系統(tǒng)的軟件部分主要由手動(dòng)、隨動(dòng)和自動(dòng)三部分組成,由控制面板相應(yīng)的開關(guān)進(jìn)行選擇,如圖 5所示,其系統(tǒng)控制流程圖如圖 6所示。

圖5 控制面板(省略舵輪)

4 結(jié)語

本系統(tǒng)將電液比例技術(shù)、PLC和數(shù)字PID控制進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,在軟、硬件方面進(jìn)行了改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了在不同的航行狀況采用不同的操舵方式,有效地解決了內(nèi)河船舶航向控制問題。系統(tǒng)可靠,成本低,符合中國船級(jí)社內(nèi)河船舶建造規(guī)范相關(guān)要求,應(yīng)用在內(nèi)河船舶液壓舵機(jī)改造上,前景廣闊。

圖6 系統(tǒng)控制流程圖

[1] 許益民.電液比例控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2] 鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范 2009[S].北京:人民交通出版社, 2009.

[3] 馬曉宏.電液比例閥控缸位置控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].上海:東華大學(xué),2008.

[4] 劉曉晨.基于PLC的船舶航向控制系統(tǒng)的研究及實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電設(shè)備,2007,24(4):17-20.