田 立，吳金波

(華中科技大學(xué) 船海學(xué)院，湖北 武漢430074)

0 引 言

船舶軸系主要由傳動(dòng)軸、傳動(dòng)部件、支撐部件以及其他一些附件組成，是船舶動(dòng)力裝置的重要組成部分。船舶螺旋槳的正常運(yùn)行很大程度上依賴于船舶軸系工作的可靠性。研究船舶軸系的受力有助于保證軸系具有足夠的強(qiáng)度與剛度，以便于能夠正常工作［1］。

本文研究的加載裝置用于模擬某船舶軸系在實(shí)際工作過程中受到的軸向外負(fù)載，可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下分析該軸系的動(dòng)力學(xué)特性及其支撐軸承的受力情況。傳統(tǒng)的力加載裝置有彈簧加載、電動(dòng)加載、電液伺服閥加載等。王輝等［2］分析了前2種加載方式的缺點(diǎn)并提出了改善電液伺服加載系統(tǒng)控制精度的方法;郭津津等［3］進(jìn)行了電液比例加載系統(tǒng)的研究。這2 種加載方式由于受限于閥本身控制的靈敏性，加載的控制精度無法進(jìn)一步提高。

李維嘉等［4］提出了一種由壓力筒，用來強(qiáng)制改變液體體積的機(jī)械裝置，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以及壓力傳感器等組成的高精度壓力控制裝置。該裝置利用機(jī)械動(dòng)力使封閉容積內(nèi)液體體積發(fā)生強(qiáng)制改變，從而控制封閉容積內(nèi)壓力。本文將改變液體體積實(shí)現(xiàn)壓力控制的方法應(yīng)用于力的加載裝置上。

1 工作原理

力加載裝置液壓部分工作原理如圖1所示。

圖1 液壓原理圖Fig.1 Hydraulic principle diagram

該裝置液壓部分主要由電動(dòng)缸、承壓筒、加載液壓缸、泵及其他液壓輔件組成。其中承壓筒，液壓缸內(nèi)無桿腔以及連接的管道構(gòu)成一個(gè)封閉的容積;閥門1 的作用是控制泵將油箱中的油液泵入到封閉容積或者是液壓缸的有桿腔;閥門2 的作用是在失電狀態(tài)下對封閉容積起到密封的作用。壓力傳感器的作用是作為加載裝置的檢測反饋元件。

在每個(gè)采樣控制周期內(nèi)，系統(tǒng)控制器根據(jù)指令加載力和實(shí)際加載力(由壓力傳感器反饋計(jì)算得到)之間的偏差，按照一定的控制規(guī)律計(jì)算出本采樣控制周期內(nèi)所需要輸出的控制量，傳遞給電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)器，控制電動(dòng)缸伸縮運(yùn)動(dòng)，改變封閉容積內(nèi)壓力，也就改變了加載力，從而達(dá)到按一定的控制精度和響應(yīng)速度改變加載力的目的。

2 控制器設(shè)計(jì)

由于加載力受力面積固定，因此可以用封閉容積內(nèi)的壓力控制來近似代替對加載力的控制。本系統(tǒng)采用積分分離PID 控制算法。在偏差較大時(shí)，采用PD 控制器控制，可避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，同時(shí)可以提高系統(tǒng)響應(yīng)速率;當(dāng)偏差減小到一定范圍時(shí)采用PID 控制器控制，保證系統(tǒng)的控制精度［5］。

設(shè)定系統(tǒng)輸出控制量為u(t)，PID 輸出控制量為u(t)p，則其控制算法可以描述為

式中:ε 為分段式PID 控制的分段閾值;e(t)為系統(tǒng)偏差(指令信號與實(shí)際信號之間的差值)，即e(t)=Pa－Pe，Pa為系統(tǒng)指令壓力，Pe為系統(tǒng)實(shí)際壓力。則

式中:Kp為控制算法比例系數(shù);Ti為控制算法積分系數(shù);Td為控制算法微分系數(shù)。對于高精度系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)的跟蹤性能，在系統(tǒng)采用積分分離PID控制算法的同時(shí)，引入前饋補(bǔ)償控制。則系統(tǒng)輸出控制量為:

式中:Kf為前饋補(bǔ)償系數(shù);u(t)f為前饋控制輸出。圖2所示為力加載控制裝置。

圖2 系統(tǒng)控制方框圖Fig.2 System control block diagram

3 實(shí)驗(yàn)研究

采用上述控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其實(shí)驗(yàn)條件為:控制器為BACKHOFF PAC 控制器(可編程自動(dòng)化控制器)，用ST 語言編寫邏輯控制程序;系統(tǒng)采樣控制周期為5 ms;動(dòng)態(tài)加載力基礎(chǔ)載荷為75 T，交變載荷幅值為13 T，交變頻率f0最大為4 Hz，即系統(tǒng)指令加載力Fi=75+13sin2πf0t。系統(tǒng)采用的壓力傳感器分辨率為0.01 Ma，得到以下一系列不同交變頻率時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

圖3 中的系統(tǒng)指令加載力Fi=75 T，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可知，穩(wěn)態(tài)加載時(shí)系統(tǒng)最大偏差為0.6 T，從而得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)加載精度為0.8%。

圖3 穩(wěn)態(tài)加載結(jié)果圖Fig.3 The steady-state loading result figure

圖4 動(dòng)態(tài)加載1 Hz 結(jié)果圖Fig.4 Dynamic loading 1 Hz result figure

圖4 中的指令動(dòng)態(tài)加載力Fi=75+13sin2πtT，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，動(dòng)態(tài)加載力交變頻率為1 Hz 時(shí)，系統(tǒng)幅值誤差為1.8%，相位滯后角度為9°。

圖5 動(dòng)態(tài)加載2 Hz 結(jié)果圖Fig.5 Dynamic loading 2 Hz result figure

圖5 中的指令動(dòng)態(tài)加載力Fi=75+13sin4πtT，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，動(dòng)態(tài)加載力交變頻率為2 Hz 時(shí)，系統(tǒng)幅值誤差為0.26%，相位滯后角度為18°。

圖6 動(dòng)態(tài)加載3 Hz 結(jié)果圖Fig.6 Dynamic loading 3 Hz result figure

圖6 中的指令動(dòng)態(tài)加載力Fi=75+13sin6πtT，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，動(dòng)態(tài)加載力交變頻率為3 Hz 時(shí)，系統(tǒng)幅值誤差為0.19%，相位滯后角度為27°。

圖7 動(dòng)態(tài)加載4 Hz 結(jié)果圖Fig.7 Dynamic loading 4 Hz result figure

圖7 中的指令動(dòng)態(tài)加載力Fi=75+13sin8πtT，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，動(dòng)態(tài)加載力交變頻率為4 Hz 時(shí)，系統(tǒng)幅值誤差為0.15%，相位滯后角度為36°。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文研制的加載裝置對于動(dòng)態(tài)指令力存在著較大的相位滯后。這是由傳感器、數(shù)據(jù)處理、驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等環(huán)節(jié)的滯后所帶來的;封閉容積中的油液混有一定量的氣體，其彈性模量會(huì)隨著壓力的變化而變化［6］，這也會(huì)帶來一定的相位滯后。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中幅值誤差通過調(diào)整控制參數(shù)已經(jīng)被控制在允許范圍內(nèi)，還需要消除系統(tǒng)相位滯后。

4 滯后補(bǔ)償

將以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果中相位滯后角度及滯后時(shí)間按動(dòng)態(tài)加載時(shí)交變頻率的不同記錄于表1。

表1 相位滯后隨頻率的變化Tab.1 Phase lag changes with frequency

因?yàn)橄到y(tǒng)采樣控制周期為5 ms，所以滯后時(shí)間選取為5 ms 的整數(shù)倍。通過表1 可以發(fā)現(xiàn)，對于不同的動(dòng)態(tài)加載交變頻率，雖然相位滯后角度各有不同，但相位滯后的時(shí)間大致相同。從工程實(shí)現(xiàn)角度，可將本加載裝置的相位滯后簡化為一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)。在每一個(gè)采樣控制周期，對任意控制時(shí)刻，采用超前25 ms 的指令加載力來代替當(dāng)前時(shí)刻的指令加載力，然后再按照控制算法確定系統(tǒng)輸出控制量，從而實(shí)現(xiàn)一種簡單的超前補(bǔ)償控制方法。

按上述滯后補(bǔ)償方法得到動(dòng)態(tài)加載時(shí)不同交變頻率系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 相位補(bǔ)償后系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.8 The result figure after phase compensation

由圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，系統(tǒng)經(jīng)過預(yù)測補(bǔ)償消除相位滯后，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加載幅值誤差在2%以內(nèi)，相位滯后在1°以內(nèi)，達(dá)到了較好的控制效果，且本文所研究的力加載裝置加載連續(xù)穩(wěn)定，無突然跳變現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

本文所研究的力加載裝置根據(jù)密閉容積內(nèi)電動(dòng)缸伸縮改變?nèi)莘e內(nèi)液體壓力研制而成，結(jié)構(gòu)優(yōu)良，加載穩(wěn)定，具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)精度。目前，本加載裝置已應(yīng)用于某船舶軸系受力檢測分析裝置，效果良好。

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