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(1. 浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江杭州 310027；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七O七研究所, 江西九江 332007)

引言

隨著我國(guó)現(xiàn)代海軍實(shí)力和海洋產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，研制性能優(yōu)越的船舶舵機(jī)裝置具有重要的戰(zhàn)略意義。舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)是一種半實(shí)物仿真系統(tǒng)[1]，主要用來對(duì)舵機(jī)裝置進(jìn)行負(fù)載模擬加載，模擬舵機(jī)裝置在實(shí)際航行過程中所受到的水動(dòng)力載荷，在不同負(fù)載工況下考核舵機(jī)裝置的結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度、控制精度、響應(yīng)速度和系統(tǒng)可靠性等靜動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。

國(guó)際上對(duì)負(fù)載模擬系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了豐富的研究成果。日本的池谷光榮教授[2]首先研制出電液負(fù)載模擬器的原理樣機(jī)；美國(guó)JAMES W.CARTER等[3]首先將空氣動(dòng)力負(fù)載力矩模擬器作為專利應(yīng)用到導(dǎo)彈的性能測(cè)試中； 韓國(guó)H.OHUCHI等[4]采用模糊控制策略研制了航空動(dòng)力加載系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)的科研院校關(guān)于負(fù)載模擬系統(tǒng)的研究開始于20世紀(jì)80年代末，主要包括哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)和航天研究所，華中科技大學(xué)于2012年對(duì)舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)理論研究，主要分析了系統(tǒng)多余力的產(chǎn)生原理及影響因素[5-8]。

針對(duì)船舶舵機(jī)裝置自身慣性力大、受水動(dòng)力影響頻率范圍寬等特點(diǎn)，本研究設(shè)計(jì)的舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)主要由舵機(jī)系統(tǒng)和加載系統(tǒng)兩部分組成，主要研究加載系統(tǒng)的力跟蹤閉環(huán)控制特性，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)裝置的負(fù)載模擬功能。

技術(shù)要求：

位置控制精度：不大于±1 mm

負(fù)載控制精度：不大于±3%

1 舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)

負(fù)載模擬系統(tǒng)是指在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬被測(cè)對(duì)象在實(shí)際工作過程中所受到的載荷，記錄被測(cè)對(duì)象靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)被測(cè)對(duì)象的整體性能做出評(píng)估。船舶舵機(jī)裝置主要受到作用于舵面上的水動(dòng)力載荷，其特點(diǎn)是負(fù)載的變化范圍較大，舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)是一種典型的電液伺服系統(tǒng)[9]，具有控制精度高、輸出力大和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，加載系統(tǒng)液壓原理如圖1所示。

1.蓄能器 2.過濾器 3.壓力表 4.壓力傳感器 5.減壓閥 6.伺服閥 7.溢流閥 8.球閥 9.位移傳感器 10.加載缸 11.舵葉圖1 加載系統(tǒng)液壓原理圖

舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)控制流程如圖2所示，主要由控制器、伺服閥、加載缸、拉壓力傳感器、位移傳感器和舵機(jī)缸等組成。上位機(jī)指定航速，指令獲得相應(yīng)的加載曲線，控制器通過伺服閥控制加載缸的軸向輸出力和舵機(jī)缸的位移，采集拉壓力傳感器和位移傳感器的信號(hào)并反饋給控制器，根據(jù)位移信號(hào)實(shí)時(shí)求解目標(biāo)力，與拉壓力傳感器信號(hào)的差值作為加載系統(tǒng)伺服閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制加載缸的軸向輸出力，形成閉環(huán)控制回路，實(shí)現(xiàn)加載缸軸向輸出力的跟蹤閉環(huán)控制。

圖2 舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)控制流程

2 加載系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

舵機(jī)系統(tǒng)是位置控制系統(tǒng)，舵機(jī)缸帶動(dòng)舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)船舶航向的改變；加載系統(tǒng)是被動(dòng)式力控制系統(tǒng)，加載缸的軸向輸出力作為舵機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載阻力。由于舵機(jī)系統(tǒng)的綜合剛度較高，舵機(jī)缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受加載缸軸向力的影響可以忽略，舵機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的慣性負(fù)載、彈性環(huán)節(jié)等不會(huì)對(duì)加載系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響[10]，所以舵機(jī)系統(tǒng)和加載系統(tǒng)可以作為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)考慮，下面建立負(fù)載加載系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

2.1 力傳感器建模

Fg=Ke(y2-y1)

(1)

Fg=Kf(If-12)

(2)

式中，F(xiàn)g—— 力傳感器的輸出力，N

If—— 力傳感器的輸出電流，mA

Ke—— 力傳感器的等效彈簧剛度，N/m

Kf—— 力傳感器的放大系數(shù)，N/mA

y1—— 加載缸活塞桿的位移，m

y2—— 舵機(jī)缸活塞桿的位移，m

2.2 閥控液壓缸建模

QL=KqXV-KcpL

(3)

(4)

ApL=Fg-(ms2+Bcs)y1

(5)

式中,A—— 加載缸活塞的有效面積，m2

Bc—— 加載缸的黏性阻尼系數(shù)，N·s/m

Ctc—— 加載缸的泄漏系數(shù)，m5/(N·s)

Kc—— 伺服閥的壓力-流量系數(shù)，m5/(N·s)

Kq—— 伺服閥的流量增益，m2/s

m—— 加載缸活塞及活塞桿組件的質(zhì)量，kg

pL—— 伺服閥的負(fù)載壓降，Pa

QL—— 伺服閥的負(fù)載流量，m3/s

Vt—— 加載缸兩腔的總?cè)莘e，m3

XV—— 伺服閥的閥芯位移，m

2.3 伺服閥及放大器建模[11]

(6)

(7)

式中，I—— 伺服放大器的輸入電流，A

Ka—— 伺服放大器的放大系數(shù)，A/V

Ksv—— 伺服閥的流量增益，m3/(s·A)

Q—— 伺服閥的輸出流量，m3/s

U—— 伺服放大器的輸入電壓，V

ωsv—— 伺服閥的固有頻率，rad/s

ξsv—— 伺服閥的阻尼比，無量綱

聯(lián)合以上公式，可得加載系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖3所示，加載伺服閥的閥芯位移XV和舵機(jī)缸活塞桿的位移y2同為輸入信號(hào)。

圖3 加載系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

3 AMESim模型仿真分析

為了驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性，分析舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)的控制特性，在AMESim中搭建舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)仿真模型[12]。由于船舶在航行過程中受到的水動(dòng)力載荷變化比較復(fù)雜，本研究主要研究舵機(jī)系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制特性和加載系統(tǒng)的力跟蹤閉環(huán)控制特性。

3.1 舵機(jī)系統(tǒng)位置閉環(huán)控制特性

本研究從恒負(fù)載和變負(fù)載兩種工況分析舵機(jī)系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制特性。圖5為舵機(jī)系統(tǒng)在100 kN恒負(fù)載工況下的位移仿真曲線，分析曲線可知舵機(jī)系統(tǒng)的位置誤差保持在0.3 mm范圍內(nèi)。

圖4 舵機(jī)系統(tǒng)位置閉環(huán)控制回路 AMESim模型

圖5 舵機(jī)系統(tǒng)100 kN 恒負(fù)載工況下位移仿真曲線

在船舶實(shí)際航行過程中，舵機(jī)系統(tǒng)受到的水動(dòng)力載荷比較復(fù)雜，圖6為舵機(jī)系統(tǒng)在航速10 kN變負(fù)載工況下的負(fù)載曲線。舵機(jī)系統(tǒng)在10 kN 變負(fù)載工況下的位移仿真曲線如圖7所示，分析曲線可知舵機(jī)系統(tǒng)的位置誤差保持在0.4 mm范圍內(nèi)。

圖6 10 kN變負(fù)載工況加載曲線

由以上仿真結(jié)果分析可知，舵機(jī)系統(tǒng)具有較好的位置閉環(huán)控制特性，其控制誤差在0.4 mm范圍內(nèi)，能夠滿足舵機(jī)系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制精度要求。

圖7 舵機(jī)系統(tǒng)10 kN 變負(fù)載工況下位移仿真曲線

3.2 加載系統(tǒng)力跟蹤閉環(huán)控制特性

耦合狀態(tài)下舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng) AMESim仿真模型如圖8所示，舵機(jī)缸活塞桿按正弦信號(hào)往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制，加載缸跟隨舵機(jī)缸運(yùn)動(dòng)，同時(shí)跟蹤加載曲線實(shí)現(xiàn)加載缸的軸向力輸出。舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)10 kN變負(fù)載工況下位移仿真曲線如圖9所示，分析曲線可知舵機(jī)系統(tǒng)與加載系統(tǒng)耦合后舵機(jī)缸的位置誤差保持在0.4 mm范圍內(nèi)，表明舵機(jī)系統(tǒng)在耦合狀態(tài)下具有較好的位置閉環(huán)控制特性。

圖8 耦合狀態(tài)下舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng) AMESim仿真模型

圖9 舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)10 kN變負(fù)載工況下位移仿真曲線

舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)10 kN變負(fù)載工況下負(fù)載仿真曲線如圖10所示。分析曲線可知耦合狀態(tài)下加載系統(tǒng)的力跟蹤閉環(huán)控制特性稍微差點(diǎn)，在舵機(jī)系統(tǒng)換向過程中(t=5，15 s)加載缸軸向輸出力的跟蹤誤差較大，但整體上能夠滿足目標(biāo)負(fù)載力的變化趨勢(shì)。

圖10 舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)10 kN變負(fù)載工況下負(fù)載仿真曲線

4 試驗(yàn)研究

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型及AMESim仿真模型，設(shè)計(jì)并搭建了舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架，現(xiàn)場(chǎng)安裝圖如圖11所示。

圖11 舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架

根據(jù)AMESim仿真結(jié)果，采用基于速度前饋補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)PID控制算法及速度前饋控制算法改善加載系統(tǒng)的力跟蹤閉環(huán)控制特性[13]。加載系統(tǒng)在10 kN 變負(fù)載工況下的試驗(yàn)曲線如圖12和圖13所示。分析曲線可知引入控制算法后加載缸軸向輸出力能夠精確地跟蹤加載曲線，其加載精度保持在±3%范圍內(nèi)，表明基于速度前饋補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)PID控制算法能夠有效地消除舵機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)瞬間和換向過程中在加載缸兩腔引起的強(qiáng)迫流量，抑制系統(tǒng)多余力對(duì)加載精度的影響，改善加載系統(tǒng)的力跟蹤閉環(huán)控制特性。

圖12 加載系統(tǒng)10 kN 變負(fù)載工況下負(fù)載-時(shí)間試驗(yàn)曲線

圖13 加載系統(tǒng)10 kN變負(fù)載工況下負(fù)載-位移試驗(yàn)曲線

5 結(jié)論

本研究從數(shù)學(xué)建模、AMESim仿真分析和加載試驗(yàn)三方面研究舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)的閉環(huán)控制特性，通過仿真分析和加載試驗(yàn)驗(yàn)證了舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)具有較好的力跟蹤閉環(huán)控制特性，因此所設(shè)計(jì)的舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足舵機(jī)裝置的性能測(cè)試需求。