潘宇星,袁 偉,齊 亮

(江蘇科技大學南徐學院,江蘇鎮(zhèn)江 212000)

1 調距槳推進裝置基本組成

調距槳推進裝置一般包括 5個基本組成部分[1,2]:

(1)調距槳:包括可轉動的槳葉、槳翼及其內部裝設轉動槳時的轉葉機構等。

(2)傳動軸:由螺旋槳軸和配油軸組成,兩者用套筒聯軸器相連。傳動軸是中空的,內裝調距桿,或者當伺服油缸位于槳翼內時,中空的傳動軸作為進排油通道。

(3)調距機構:包括產生轉動槳葉動力的伺服油缸、伺服活塞,分配壓力油給伺服油缸的配油器,槳葉定位裝置,槳葉位置反饋裝置及其附屬設備等。它的主要任務是調距、穩(wěn)距以及對螺距進行反饋和指示。

(4)液壓系統(tǒng):主要由油泵、控制閥(換向閥)、油箱和管件等組成。它的作用是為伺服油缸提供符合要求的液壓油。

(5)操縱系統(tǒng):由操縱臺、控制和指示系統(tǒng)組成。它的作用是按照預先確定的控制程序調節(jié)主機的轉速和調距槳的螺距,從而獲得所要求的工況。

2 調距槳控制系統(tǒng)功能

同定距槳相比,調距槳控制系統(tǒng)有 2個控制量,即轉速n和螺距 p。因此,調距槳控制系統(tǒng)由 2部分組成:一是通過調速器控制柴油機轉速,二是通過螺距調節(jié)系統(tǒng)和執(zhí)行機構控制螺旋槳的螺距。螺距控制原理圖如圖 1所示。

圖1 螺距控制原理圖

2.1 控制系統(tǒng)功能

2.1.1 螺距控制

操縱手柄控制信號傳送到控制單元,通過函數發(fā)生器(FG)求解操縱手柄位置信號與螺距指令的對應關系,經適當的指令延時后,函數發(fā)生器給出的螺距指令與螺距實際位置反饋信號在比較器進行比較,同時通過負荷控制處理的螺距校正信號也送到比較器。當螺距實際值與設定值不同時,螺距控制閥被激勵動作,調整螺距實際值到設定值。操縱手柄位置信號能被主機安保系統(tǒng)的停車信號超越,當停車信號發(fā)出,螺距就設定到零螺距。

2.1.2 轉速控制

聯控狀態(tài)下,控制系統(tǒng)根據控制手柄信號連續(xù)地對螺距及轉速進行控制;分控狀態(tài)下,轉速由轉速控制面板上的旋鈕單獨控制;恒轉速狀態(tài)下,控制手柄的轉速信號傳遞到控制單元,通過函數發(fā)生器(FG)求解控制手柄位置及轉速指令所對應的關系,經適當的指令延時后,函數發(fā)生器輸出轉速指令,轉速指令通過電氣轉換送到氣動調速器。

2.1.3 負荷控制

為了防止主機過載設置了負荷控制系統(tǒng)。系統(tǒng)測量槳的轉速并從負荷曲線計算一個對應的最大許可燃油泵設定值FPSmax。FPSmax與實際FPS值比較,如果實際 FPS值太高,則降低螺距設定值。負荷限制設定能被來自主機安全系統(tǒng)的降速信號超越,此時負荷限制設定到預置輸入值。當負荷控制系統(tǒng)有故障時,將產生負荷控制失效報警信號,來自主機安全系統(tǒng)的過載觸點被用來自動減小螺距。

2.1.4 螺距指示

螺距指示系統(tǒng)是一個獨立系統(tǒng),用于實際螺距位置的檢測。螺距指示系統(tǒng)將檢測信號調節(jié)到±10 V的電壓,然后分配到各控制臺上的螺距表。

2.1.5 操作責任轉換

可調槳裝置設有 2個操縱點,駕駛室操縱臺和機艙集中控制臺。通過機艙集中控制臺上“駕控/集控”轉換開關可實現轉換控制。

2.1.6 操縱手柄隨動控制

駕駛室與集控室控制面板上在每個操縱手柄的軸上都設置了 1個手柄位置傳送器和驅動電機。手柄位置傳送器將當前的該手柄位置轉換為電信號送入控制單元,經運算輸出控制信號驅動電機,實現操縱手柄的隨動控制。當駕駛室操作手柄為主控手柄時,集控室操作手柄為隨動手柄,此時駕駛室操作手柄置于任一位置,隨動手柄也將跟蹤到主控手柄位置,反之亦然。

2.2 基于CAN總線調距槳控制系統(tǒng)軟硬件組成

2.2.1 硬件系統(tǒng)

基于CAN總線的調距槳控制系統(tǒng)按功能分為4大模塊:駕控模塊、集控模塊、處理模塊、機艙模塊。4大模塊之間采用 CAN總線型拓撲結構,每個模塊都具備獨立運算處理的能力,將采集到的信號經過運算處理后再進行模塊之間的通訊,可以減少信息傳輸量提高運算和響應速度?？偩€控制模塊通過安裝不同的軟件,即可完成駕控模塊、集控模塊、處理模塊和機艙模塊的功能,而總線控制器的硬件是通用的。

基于CAN總線的調距槳控制系統(tǒng)通過CAN現場總線將分散在駕駛室和機艙的 4個控制模塊連接起來,實現信息共享,其總線拓撲結構圖如圖 2所示。各控制模塊功能描述如下:

(1)駕控模塊功能:駕控模塊主要完成駕駛室控制面板按鍵信號的采集、運行及報警信號的顯示、負荷表的轉換驅動、操作手柄信號的采集或手柄隨動的驅動。

(2)集控模塊功能:集控模塊主要完成集控室控制面板按鍵信號的采集、運行及報警信號的顯示、負荷表的轉換驅動、操作手柄信號的采集或手柄隨動的驅動。

(3)處理模塊功能:處理模塊主要完成主機負荷信號的采集、處理和油門的輸出驅動。

(4)機艙模塊功能:機艙模塊主要完成機艙螺距信號的采集、處理和螺距的輸出驅動。

圖2 總線拓撲結構圖

2.2.2 模塊輸入/輸出信號

(1)駕控模塊控制量

AI(4～20mADC):控制螺距手柄信號。

AO(4～20mADC):備用。

PWM:手柄隨動電機。

DI:系統(tǒng)復位;100%功率開/關;LIC開/關(LIC:負荷增加控制程序);恒轉速開/關;駕控接受;集控認可;試燈;面板電源監(jiān)測。

DO:蜂鳴器;控制失效;負荷控制失效;主機過載;100%功率;LIC螺距減小;LIC接通;恒轉速指示;駕駛室操作;集控室操作;主機旁操作。

(2)集控模塊控制量:

AI(4～20mADC):控制手柄器信號。

AO(4～20mADC):備用。

PWM:手柄隨動電機。

DI:系統(tǒng)復位;100%功率開/關;LIC開/關;恒轉速開/關;轉速分控開/關;駕/集轉換開關;試燈;面板電源監(jiān)測。

DO:蜂鳴器;控制失效;負荷控制失效;主機過載;100%功率;LIC螺距減小;LIC接通;恒轉速;轉速分控;駕駛室操作;集控室操作;主機旁操作。

(3)處理模塊采集信號

AI(4～20 mADC):主機負荷信號;轉速信號。

AO(4～20mADC):轉速指令信號;負荷顯示信號。

DI:主機過載;主機運行;零螺距;自動降螺距;緊急停車。

DO:100%功率;轉速分控。

(4)機艙模塊采集控制量

AI(4～20mADC):螺距反饋信號;主機負荷信號(隔離);螺距指示信號(隔離)。

DI:液壓泵油壓低;主油箱油溫高;主油箱油位低;濾器阻塞;槳轂油壓低;泄油箱油位高;機旁遙控轉換開關;試燈;面板電源監(jiān)視;零螺距信號;主泵P1電機過載;主泵P2電機過載;保壓泵電機過載;泄油泵電機過載。

DO:正車電磁閥;倒車電磁閥;正車加速閥;倒車加速閥;主機旁操作;遙控操作;集控室操作;駕駛室操作。

2.2.3 軟件系統(tǒng)

主推遙控系統(tǒng)的軟件由處理模塊軟件、駕控模塊軟件、集控模塊軟件、機艙模塊軟件以及手持模塊軟件組成。各軟件之間通過CAN協(xié)議互相通訊,傳送命令、狀態(tài)以及數據信息。

(1)處理模塊軟件

執(zhí)行主機轉速控制、主機報警信號采集與傳送。

(2)駕控模塊軟件

完成控制命令判斷、傳送,手柄數據的變換傳送或手柄隨動操作,對收到的運行狀態(tài)以及報警狀態(tài)進行顯示。

(3)集控模塊軟件

完成操作權限切換,控制命令判斷、傳送,手柄數據的變換傳送或手柄隨動操作,對收到的運行狀態(tài)以及報警狀態(tài)進行顯示。

(4)機艙模塊軟件

執(zhí)行控制命令,采集運行狀態(tài)、報警狀態(tài)和運行數據參與負荷及螺距控制,并傳送到其他模塊和安保系統(tǒng),采集運行數據參與負荷和螺距控制。

(5)手持模塊軟件

完成調試命令的選擇、顯示和傳送,以達到調試各模塊的目的。

3 遙控系統(tǒng)算法

3.1 手柄基本控制算法

圖3 控制偏差劃分區(qū)域圖

在連動區(qū)時,偏差較大,為盡快減小偏差應輸出較大控制量,即同時開通正車閥(或倒車閥)與正車加速閥(或倒車加速閥)。在微調區(qū)時,偏差較小,為了防止出現過沖現象,應輸出較小控制量,即開通正車閥(或倒車閥),同時關閉正車加速閥(或倒車加速閥)。在保持區(qū)時,考慮到系統(tǒng)存在死區(qū)并且偏差已達到控制精度要求,此時輸出控制量為 0,即關斷所有閥。

手柄跟蹤隨動控制和螺距角閉環(huán)控制都是以偏差大小為基準進行的。當偏差大時,進行正向或反向驅動;當偏差為 0或偏差在保持區(qū)內時,則停止驅動。

3.2 轉速控制算法

當控制手柄操縱時,對于不同的控制手柄位置,由芯片生成一個對應的最佳轉速。手柄位置與最佳轉速的對應關系由設定的轉速曲線確定。此轉速曲線對于不同的船舶有不同的要求。與螺距曲線類同,通常按船—機—槳的最佳匹配要求給定。本系統(tǒng)在單片機軟件中,設計一個轉速函數發(fā)生器,通過多段折線逼近給定的轉速曲線。對應不同的手柄位置給出的轉速控制量與轉速曲線要求的轉速基本吻合。

主機恒速:主機處于恒定轉速運行,該恒定轉速按用戶要求預置,并可在額定轉速的 60%～100%內調節(jié)。

轉速分控:當轉速分控方式下,轉速與螺距具有分別控制功能。主機轉速由設置在集控室的轉速控制面板控制。在轉速控制板上設置手動調節(jié)電位器,改變旋鈕位置,對應的模擬量經數據處理后輸出到電氣轉換器,用以獲得對應的轉速。

轉速限定與停機:主機運行時,由于某種原因引起主機減速時,系統(tǒng)自動轉換到轉速限定環(huán)節(jié)。在控制手柄控制轉速時,一旦系統(tǒng)檢測到來自主機保護系統(tǒng)的減速信號時,轉速控制立即由控制手柄切換到由軟件設定的轉速限定值。

當系統(tǒng)接到停機指令時,系統(tǒng)將轉速控制由原來的控制手柄或恒轉速切換到停機轉速模式,使主機轉速降為怠速。

3.3 負荷控制

主機在某螺距下運行時,對于每一轉速,有一個與其對應的最大負荷限定值(即主機油門限制量)。船舶航行時由于各種外界條件的影響和變化,有可能使運行在某一轉速的主機負荷超出負荷范圍,這時只有通過調整螺距角,使當前工況下的主機負荷和轉速,維持其原來設定的負荷和轉速。

與螺距曲線、轉速曲線類同,負荷曲線首先由船—機—槳的最佳匹配給出,確定后的負荷曲線以軟件形式儲存于負荷曲線函數發(fā)生器中。

主機轉速由感應式轉速傳感器轉換為電信號送入處理模塊,經計算得出對應的最大允許油門限制量。此限制量可以用負荷限制電位器加以變更。負荷限制電位器配置在集控室內的負荷控制面板上,通過旋鈕可在 50%～110%范圍內調節(jié)。此整定值送入模塊后與油門限制量進行乘運算,其乘積與當前實際負荷的油門量比較后給出螺距修正信號,使得在各種工況下,螺距、轉速和負荷相互匹配,保證系統(tǒng)處于良好的運行狀態(tài)。

[1] 張志華.船舶動力裝置概論[M].黑龍江:哈爾濱工程大學出版社,2002.

[2] 高鍵,李眾,石建華,等.可調螺距螺旋槳模糊控制系統(tǒng)[J].船舶工程,2000,(1):32-35.