朱祥紅 劉繼先 陳 華 吳子豪

（中國衛(wèi)星海上測控部 江陰 214411）

1 引言

隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，對船舶航行性能提出了更高的要求。近幾十年來，為了提高船舶的推進(jìn)效率、操縱性和安全性，越來越多的新型船舶配備了可調(diào)螺距螺旋槳［1～2］。雖然可調(diào)螺距螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)具有速度快、可控性好、操縱性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，但管理人員必須提高其素質(zhì)，以適應(yīng)其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和昂貴的價(jià)格［3］。同時(shí)船員實(shí)際操作水平，在很大程度上，取決于他們的操作培訓(xùn)效果。因此通過船用機(jī)艙模擬器培訓(xùn)提高船員和船舶管理者的培訓(xùn)效果是當(dāng)務(wù)之急。在此背景下，對海洋工程管理進(jìn)行液壓系統(tǒng)船用可調(diào)螺距螺旋槳訓(xùn)練仿真軟件的研究和開發(fā)具有重要意義。與此同時(shí)，利用模擬訓(xùn)練，船舶維修技師可以熟悉液壓系統(tǒng)的可調(diào)螺距螺旋槳故障的工作原理和精確地確定可能的系統(tǒng)故障。

目前，關(guān)于可調(diào)螺距螺旋槳液壓伺服仿真系統(tǒng)的文獻(xiàn)研究很少，主要是在分析建模領(lǐng)域，文獻(xiàn)［4～6］只研究了模型的調(diào)試和精度，并沒有開發(fā)出完整的仿真系統(tǒng)。本文利用模塊化建模方法，建立了管網(wǎng)模型、液壓泵模型、液壓缸模型、冷卻器模型和螺距調(diào)節(jié)器模型，并將故障系數(shù)添加到容易發(fā)生故障的調(diào)節(jié)器模型部件中。最后本文還研究開發(fā)了可調(diào)螺距螺旋槳液壓伺服仿真系統(tǒng)的智能測試功能，以提高學(xué)員培訓(xùn)效果的評價(jià)。

2 螺距螺旋槳液壓仿真系統(tǒng)的組成

可調(diào)螺距螺旋槳液壓仿真系統(tǒng)由算法動(dòng)態(tài)庫、界面動(dòng)態(tài)庫、數(shù)據(jù)庫和測試數(shù)據(jù)庫組成。將算法和接口動(dòng)態(tài)庫添加到DMS-2016［7］仿真平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)算法模型與接口模型的連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多用戶協(xié)同操作考核系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

液壓系統(tǒng)各部件的仿真算法包含在可調(diào)螺距螺旋槳液壓仿真系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)庫中。接口動(dòng)態(tài)庫的操作界面設(shè)計(jì)與船舶相同，并添加相應(yīng)的故障點(diǎn)修復(fù)按鈕。將仿真和系統(tǒng)就緒變量用于數(shù)據(jù)庫中包含的算法和接口，對每個(gè)仿真變量進(jìn)行描述和檢測。通過項(xiàng)目庫專家認(rèn)可的大量試題，仿真平臺(tái)可以對試驗(yàn)中的培訓(xùn)人員進(jìn)行評估。

3 可調(diào)螺距螺旋槳液壓系統(tǒng)建模

可調(diào)螺距螺旋槳液壓伺服系統(tǒng)模型包括管網(wǎng)模型、液壓油箱模型、液壓泵模型、閥門模型、液壓缸模型、冷卻器模型和螺距調(diào)節(jié)器模型［8～9］。液壓油箱模型和閥門模型是船用機(jī)艙模擬器仿真系統(tǒng)不可缺少的部分，具有完善的建模方法和高精度模型。

3.1 液壓油泵和節(jié)點(diǎn)壓力模型

在實(shí)際航行中，大部分時(shí)間，螺距保持穩(wěn)定值［10］。在模擬系統(tǒng)中，液壓泵的簡化模型如圖2所示［11～12］。

圖2 泵的簡化模型

液壓油泵過濾器的入口壓力為P1，泵的出口壓力為P2，齒輪泵吸入壓力為Ps，出口壓力為Pd，實(shí)際流量為Q，理論流量為Qt，有

在式（1）中，A代表開放區(qū)域；t是水深度；n表示旋轉(zhuǎn)速度。

在式（2）中，ην代表泵的容積效率，在0.75～0.95之間。

計(jì)算管道中各節(jié)點(diǎn)壓力的公式為

在式（3）中，K表示校正因子，在實(shí)際系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行校正。Pn+1是這個(gè)節(jié)點(diǎn)壓力，Pn表示最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)壓力，∑Qι˙表達(dá)了連接到這個(gè)節(jié)點(diǎn)的代數(shù)和，∑Cι˙代表連接到該節(jié)點(diǎn)的每個(gè)線性化電導(dǎo)和，ι˙代表管道號。

3.2 螺距調(diào)節(jié)器模型

在偏差信號的基礎(chǔ)上，可調(diào)螺距螺旋槳液壓伺服系統(tǒng)中的螺距螺旋槳將改變輸出信號，影響控制閥開啟和位置的變化，并調(diào)節(jié)進(jìn)入液壓缸的油量，因此，可以通過調(diào)整螺距來調(diào)節(jié)液壓缸活塞的位移［13～14］。螺距控制原理圖如圖3所示。

圖3 螺距控制原理圖

在式（4）中，en表示該采樣間距的偏差值；en-1是最后采樣間距的偏差值；ΔT表示采樣周期；Tι˙表示積分時(shí)間常數(shù)；Kp代表比例增益因子。

在式（5）中，yn表示該信號輸出值；yn-1是最后的信號輸出值。

為了使仿真系統(tǒng)的結(jié)果符合實(shí)際導(dǎo)航中的運(yùn)算結(jié)果，在程序執(zhí)行到PI算法之前，本文將采用程序中的絕對值函數(shù)來判斷偏差區(qū)域范圍，然后根據(jù)判斷結(jié)果做出進(jìn)一步行動(dòng)的選擇。絕對值函數(shù)如下：

在一般情況下，螺距調(diào)節(jié)器采用PI控制算法。通過槳距控制器Δy的信號輸出變化來校正誤差。其PI算法如下：

在式（6）中，e()d是可變參數(shù)，其絕對值代表螺距調(diào)節(jié)器的死區(qū)范圍。

3.3 液壓缸模型

螺旋槳槳距控制最終取決于進(jìn)入液壓缸的液壓油，以驅(qū)動(dòng)伺服活塞運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)螺距的調(diào)整［15］。通過分析液壓缸的油流量，液壓缸的可用流量連續(xù)性方程式如下：

在式（7）中，λ表示泄漏系數(shù)；ΔP是伺服活塞兩端的壓差；Vt表示油泵出油量；Bc表示粘性阻尼系數(shù)；dt表示采樣周期；A表示伺服活塞的有效區(qū)域；y′表示伺服活塞的速度。

液壓缸的流量變化最終以壓力的形式對伺服活塞產(chǎn)生影響，液壓缸的靜力平衡方程如下：

在式（8）中，J表示運(yùn)動(dòng)部件kg·m2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。Fl的承載能力為表示伺服活塞的加速速度通過式（7）和式（8），可以求解伺服活塞的位移，表達(dá)式如下：

在式（9）中，Sn和Sn-1分別代表這個(gè)和最后一個(gè)伺服活塞的位移。

3.4 冷卻器模型

液壓油冷卻器采用殼管式冷卻器，在建模過程中，假定管壁的熱傳導(dǎo)是穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)，內(nèi)外金屬管表面總是相等的，并且污垢水平是相同的。

分析冷卻器高溫液壓油的傳熱關(guān)系，可以得出一個(gè)方程式：

在式（10）中，ΔTm表示冷卻器的平均溫差；W1是液壓油的熱容量表示冷卻器中液壓油的質(zhì)量，ch表示液壓油的比熱；mb代表銅管的質(zhì)量；cb表示黃銅的比熱；R表示冷卻器的傳熱阻力分別是進(jìn)出冷卻器的液壓油的溫度。

分析冷卻器低溫冷卻水的傳熱關(guān)系，可以得出一個(gè)方程：

在式（11）中，W2表示熱容量，W2=mlcl+mbcb，ml為冷卻器冷卻水的質(zhì)量，cl表示冷卻水的比熱，tlι˙和tlo分別表示冷卻水進(jìn)出冷卻器的溫度。將平均溫差ΔTm作為對數(shù)平均溫差：

通過式（10）、式（11）和式（12），可以獲得液壓油的動(dòng)態(tài)微分方程和冷卻水的出口溫度。圖4是冷卻器的簡化模型。

圖4 冷卻器模型圖

4 仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 仿真系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

仿真系統(tǒng)軟件可以在實(shí)際導(dǎo)航中完全表達(dá)可調(diào)螺距螺旋槳液壓系統(tǒng)的相關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)可調(diào)螺距螺旋槳液壓系統(tǒng)各部件的功能，例如泵操作面板的操作按鈕，壓力調(diào)節(jié)閥和安全閥的壓力設(shè)定，油箱的液位，泵出口壓力和螺距等，并提供清晰和直觀的界面。在仿真平臺(tái)上，培訓(xùn)人員還可以獨(dú)立加載可調(diào)螺距螺旋槳液壓系統(tǒng)的相關(guān)問題，實(shí)現(xiàn)評估工作所需的相關(guān)操作和故障排除，加深對液壓系統(tǒng)的理解，培訓(xùn)人員完成答案后，還可以在評估記錄中查找相關(guān)分?jǐn)?shù)和扣除分?jǐn)?shù)。

4.2 仿真軟件界面

仿真系統(tǒng)軟件采用C++語言開發(fā)，軟件界面分別如圖5和圖6所示。圖5是Alphatronic2000推進(jìn)控制系統(tǒng)［16］，通過界面操作，培訓(xùn)人員可以選擇控制位置、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和可調(diào)螺距螺旋槳模型?？烧{(diào)螺距螺旋槳液壓伺服系統(tǒng)如圖6所示，顯示了可調(diào)螺距螺旋槳的液壓油路系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)。該界面還顯示了系統(tǒng)的壓力、溫度、節(jié)距、液位和螺距，顯示每個(gè)相關(guān)參數(shù)的警報(bào)。

通過系統(tǒng)的操作，可選擇主機(jī)轉(zhuǎn)速或螺旋槳螺距的控制方式。

當(dāng)需要操作閥門、過濾器、油泵時(shí)，可以點(diǎn)擊界面上的相關(guān)組件，操作彈出對話框或控制面板，如界面上的伺服泵，伺服泵控制面板將彈出，如圖7所示。當(dāng)需要觀察泵的壓力值、系統(tǒng)溫度值和液壓系統(tǒng)的當(dāng)前螺距值時(shí)，可以點(diǎn)擊控制框中的伺服界面并觀察相關(guān)的情況，如圖8所示。

圖5 推進(jìn)控制系統(tǒng)界面

圖6 螺距螺旋槳液壓伺服仿真系統(tǒng)界面

圖7 伺服泵控制面板仿真圖

圖8 伺服控制框面板仿真

4.3 應(yīng)用程序的評估

仿真教學(xué)系統(tǒng)是多功能的，如發(fā)出測試試題，自動(dòng)評價(jià)和判斷結(jié)果。服務(wù)器將包括測試項(xiàng)目、描述、測試問題的編號和測試時(shí)間在內(nèi)的測試信息傳輸?shù)娇蛻舳?。完成測試后，學(xué)員的操作記錄將自動(dòng)上傳到服務(wù)器。

例如軟件仿真系統(tǒng)可以加載資格考試，要求答復(fù)人員正常啟動(dòng)可調(diào)螺距螺旋槳液壓系統(tǒng)，在此過程中，如發(fā)現(xiàn)故障請排除，則必須在1500s內(nèi)完成測試故障的排除。測試項(xiàng)目描述如圖9所示。

圖9 自動(dòng)發(fā)出測試題

5 結(jié)語

利用本文所設(shè)計(jì)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，學(xué)員將更加熟練掌握可調(diào)螺距螺旋槳液壓伺服系統(tǒng)的工作原理，操作過程，提高故障診斷和排除故障的能力。所設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)不僅可以降低硬件成本，還可以降低培訓(xùn)成本。除了單獨(dú)使用外，仿真系統(tǒng)還可以作為子系統(tǒng)連接到主推進(jìn)仿真系統(tǒng)，因此所實(shí)現(xiàn)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)不僅具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值，而且對學(xué)員的操作培訓(xùn)具有重要意義。