朱一杰，胡即明，周建飛，張玉蓮

（浙江海洋大學東海科學技術學院，浙江舟山 316004）

液壓絞車是利用液壓馬達或通過減速齒輪機構來拖動滾筒的一種提升機械[3]，鄭文杰等[4]采用成功導向理論，建立某型錨機的可靠性模型，對其可靠性與可修復性進行分析，為錨機液壓系統(tǒng)可靠性提供了依據。隨著電液控制元件的改進，一些功率較大、響應速度快、控制精度高、負載能力強的場合，電液控制在運動控制系統(tǒng)中占據著不可替代的地位。韓強強[5]解決了聯(lián)合仿真的接口與實現(xiàn)問題，江玲玲等[6]應用AMESim 和Matlab 的聯(lián)合仿真技術建立了閥控缸電液位置伺服系統(tǒng)的PID 控制模型，實現(xiàn)了聯(lián)合仿真。在四錨定位系統(tǒng)中，電液控制系統(tǒng)是液壓錨機的核心部分，電液控制系統(tǒng)按其結構可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，本論文基于AMESim 液壓仿真軟件對錨機的閉環(huán)控制系統(tǒng)進行建模，利用Matlab/Simulink模塊對液壓錨機的控制系統(tǒng)進行設計，對傳統(tǒng)的錨泊系統(tǒng)進行了改進，引入了電液控制系統(tǒng)來控制四錨機的錨鏈收放，充分實現(xiàn)了錨泊定位的閉環(huán)控制。

1 電液控制錨機的工作原理與仿真模型

1.1 探礦船電液控制的基本原理

探礦船的定位和移位是通過控制液壓馬達實現(xiàn)錨鏈的收放，進而達到探礦船位置調整的目的。本文采用的是閉環(huán)比例速度控制系統(tǒng)，其調速系統(tǒng)的原理圖見圖1。

圖1 探礦船錨機電液控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of electro-hydraulic control system for anchor of exploration ship

該系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的開環(huán)控制系統(tǒng)的基礎上，增加了速度反饋元件而構成的。其中比例控制元件是電液比例方向閥，工控機發(fā)出指令信號給比例放大器，比例放大器根據信號提供相應的電信號給電液比例方向閥的線圈，通過電信號的大小調節(jié)電液比例方向閥的滑閥開口量，電液比例方向閥輸出壓力油控制馬達軸以相應的轉速帶動錨機旋轉，從而實現(xiàn)錨鏈的收放。液壓馬達的轉速經齒輪減速箱之后向錨機輸出需要的扭矩,在錨機另一側安裝金屬探測器檢測錨機的轉速，轉矩與轉速經傳感器檢測之后經A/D 轉換，把信息傳遞到工控機，工控機把反饋信號與預設值進行比較得出的偏差信號由比例放大器放大后輸出給比例電磁鐵，從而控制比例方向閥的開口量，對液流的方向和流量進行控制，達到控制液壓馬達的轉向和轉速的目的。

1.2 液壓錨機的AMESim 模型建立

通過對電液比例控制原理的介紹，可以在AMESim 軟件中搭建錨機的液壓仿真模型。不帶反饋的錨泊系統(tǒng)模型見圖2，整個四錨定位的液壓比例控制系統(tǒng)分為四個液壓回路，這里只對其中一支回路進行分析，其他支路的工況可以通過工控機采集的信號經過D/A 處理后，在閥控信息環(huán)節(jié)集中體現(xiàn)。

圖2 不帶反饋的錨泊系統(tǒng)模型Fig.2 Anchor system model without feedback

液壓錨機的電液比例控制系統(tǒng)主要包括三個部分：①液壓油供給部分；②信號處理部分；③液壓馬達扭矩輸出部分（執(zhí)行部分）。正常情況下，電機輸出轉矩帶動液壓泵13 向系統(tǒng)供油，溢流閥14 調節(jié)整個系統(tǒng)的油壓，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障而導致系統(tǒng)憋壓時，安全閥閥芯頂開對系統(tǒng)進行泄壓，對整個液壓系統(tǒng)起過載保護作用。錨機的正反轉是根據實際工況與事先導入工控機的施工圖紙進行比對之后的誤差決定的，實現(xiàn)錨機的正反轉則由液壓馬達1 來控制，電液比例換向閥10 通過信號源15 傳輸?shù)男盘枺刂茡Q向閥的閥芯位置，從而實現(xiàn)液流方向與流量大小的控制。由于錨機在工作時載荷不確定，工況多變且惡劣，為提升錨泊定位的精度并達到調整速度穩(wěn)定的要求，在錨機的液控系統(tǒng)中采用了雙向平衡閥16。無論液壓馬達是正轉還是反轉，梭閥18 都處于工作狀態(tài)，梭閥相當于兩個單向閥組合而成的一個“或門”邏輯閥，主要實現(xiàn)對制動器20 的控制。而制動器其實就是一個帶彈簧復位的單作用液壓缸，當電液比例換向閥處于中位的時候，液壓泵停止向油路供油，液壓馬達已經實現(xiàn)了精確定位，這時候錨機上剎車鋼帶將錨機剎車。

2 基于AMESim 的液壓錨機系統(tǒng)的動態(tài)特性分析

電液比例換向閥主要通過電磁鐵是否受到激勵或者輸入電流的極性[7]實現(xiàn)換向的。電液比例換向閥的參數(shù)設置見表1。電液比例換向閥的輸入信號曲線見圖3。

表1 電液比例換向閥的參數(shù)設置表Tab.1 Parameter setting of electro-hydraulic proportional directional valve

圖3 電液比例換向閥輸入信號曲線Fig.3 Input signal curve of electro-hydraulic proportional directional valve

電流比例換向閥的額定電流決定了滑閥的方向，令輸入信號的電流值為Isig，額定電流為Ie。當Isig≥Ie時，換向閥左位工作，當-Isig≥Ie時，換向閥右位工作，當Isig∈（-Ie，Ie）時，滑閥的開度與Isig成線性關系。

在AMESim 的Parameter Mode 下設置好參數(shù)，然后在Simulation Mode 下對液壓系統(tǒng)進行仿真，在Temporal Analysis Mode（時域模式）下，設置仿真時間為一個周期6 s，仿真的Print Interval 設置成0.01 s?？梢钥吹?，在0～2 s 內，電液比例換向閥電磁鐵輸入電流為-40 mA，換向閥右位工作，液壓馬達正轉，在0.3 s 后速度達到穩(wěn)定；在2～4 s 內，電磁鐵失電換向閥處于中位，曲線在3 s 后才達到平穩(wěn)，2～3 s 范圍內馬達轉速波動比較大。4～6 s 內，電磁鐵輸入電流40 mA，電磁換向閥閥芯處于左位，超調量比較大。

身心素質主要表現(xiàn)在體質水平和心理品質兩個方面。體質主要包括體能、身體基本活動能力、生理機能、體格和適應能力。體育教育提高學生體質水平的主要路徑是通過提高學生的力量、耐力、運動速度等體能素質，增強學生內臟器官特別是心血管系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)的功能。在某種意義上，學生的體質水平越高，他對環(huán)境的適應能力和對疾病的抵抗力就越強。隨著人們生活節(jié)奏的日益加快和生活方式的不斷改變，越來越多的人因運動量不足導致體質趨弱，大學生也不例外。為此，高職院校體育教育應該通過科學、有效的運動方式引導學生積極參與體育運動，提高他們適應內外環(huán)境的能力。

由圖4 可以看出，三位四通閥在換向的瞬間，系統(tǒng)出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象是類似的，因此只需對系統(tǒng)的單位階躍信號作研究就能了解系統(tǒng)的特性，在下面的仿真過程中，如無特殊交代，輸入信號均為單位階躍響應，這樣可以在不影響研究系統(tǒng)特性的前提下節(jié)約仿真時間。

由圖5 可以看出，在單位階躍信號下，錨機的轉速出現(xiàn)較大的超調量，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。

圖4 電液控制錨機時間-轉速圖Fig.4 time speed diagram of electro-hydraulic control windlass

圖5 在單位階躍響應下的錨機時間-轉速圖Fig.5 Time speed diagram of windlass under unit step response

3 四通閥控液壓馬達的數(shù)學模型

四通閥控液壓馬達是一種比較常見的液壓執(zhí)行元件，它是由四通閥與慣性負載、任意外加負載力矩、黏性摩擦負載和帶有彈簧負載的液壓馬達組成的。液壓馬達和負載的力矩平衡方程、液壓馬達流量的連續(xù)性方程和四通閥的流量連續(xù)性方程可表示為方程式：

式⑴中：pL為閥的負載控制壓力；Dm為液壓馬達的弧度排量；θm為液壓馬達的轉角位移；Bm為折算到馬達軸上的粘性摩擦系數(shù)；Jt為折算到馬達軸上的負載總轉動慣量；G 為折算到馬達軸上的負載的扭轉彈簧剛度；βe為系統(tǒng)的有效容積彈性模量；TL為折算到馬達軸上的任意外加負載力矩；Ctm為液壓馬達的總泄漏系數(shù)，Ctm=Cim+Cem，其中Cim，Cem分別為液壓馬達的內、外泄漏系數(shù)；Vt為液壓馬達進、回油腔的總容積，Vt=V1+V2，其中V1，V2分別為液壓馬達進、回油腔的容積（包括馬達的進/回油腔、閥腔容積和連接管道）；Kq為閥的流量增益；Ke為閥的流量-壓力系數(shù)；xv為閥芯控制位移。

對公式⑴進行拉氏變換，并消去中間變量pL和qL，即可得到閥控液壓馬達在閥芯位移xv與外負載力矩TL同時輸入時，馬達的總輸出角位移對閥芯控制位移的傳遞函數(shù)：

液壓馬達-負載的傳遞函數(shù)為：

電液比例換向閥的傳遞函數(shù)為：

式中，ωh為液壓固有頻率，ζh為液壓阻尼比。

式(6)中：Kce=Kc+Ctm為閥控液壓馬達總流量-壓力系數(shù)。

由傳遞函數(shù)(2)、(3)可知，影響動力元件頻率特性的主要性能參數(shù)有3 個，即速度的放大系數(shù)Kq/Dm，液壓的固有頻率ωh，以及液壓阻尼比ζh。其中Kq/Dm的變化將使幅頻特性曲線上下位置發(fā)生變化，使得穿越頻率ωc發(fā)生變化，但不影響相頻特性。ωh的變化將會影響諧振峰值所對應的頻率位置，ζh的變化將會導致諧振峰值不同和相頻特性曲線形狀的變化。Kq/Dm增大會提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，穿越頻率提高，能提高系統(tǒng)的響應速度和精度，但會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。為保證執(zhí)行機構良好的控制性能，通?？刂曝撦d壓力pL≤2ps/3。固有頻率ωh則會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，固有頻率ωh增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。而液壓阻尼比ζh對比例控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕量有直接的影響，為了達到系統(tǒng)滿意的性能要求，可以提高液壓阻尼比。為了實現(xiàn)系統(tǒng)性能的最佳效果，要匹配好Kq/Dm、ωc、ζh三者之間數(shù)量關系，利用AMESim和Simulink 進行聯(lián)合仿真，既發(fā)揮AMESim 在流體方面的強大優(yōu)勢，又能借助Matlab/Simulink 強大的數(shù)據處理能力[8]。

4 AMESim 與Simulink 聯(lián)合仿真的實現(xiàn)

由于不帶反饋的錨泊系統(tǒng)在換向閥換向過程中對系統(tǒng)有明顯沖擊，導致馬達輸出轉速的穩(wěn)定性比較差，通過帶反饋的閉環(huán)控制后，根據上述傳遞函數(shù)方程，可以在AMESim 中對原有模型進行改進與修正，馬達的性能得到明顯改善，改進后的仿真模型見圖6。

圖6 AMESim/Simulink 聯(lián)合仿真的系統(tǒng)模型Fig.6 AMESim/Simulink joint simulation system model

在AMESim/Simulink 的聯(lián)合仿真系統(tǒng)中，加入了一個蓄能器，蓄能器的作用主要為輔助動力源，對系統(tǒng)保壓或作緊急動力源、吸收系統(tǒng)脈動、緩和液壓沖擊[9]。該仿真中主要起到對系統(tǒng)保壓以及吸收系統(tǒng)壓力沖擊作用。在液壓馬達的輸出端加入一個轉速傳感器，把采集到的轉速作為輸出量，對電液比例換向閥的閥芯位置進行閉環(huán)控制。

在AMESim 的Sketch Mode（草圖模式）下創(chuàng)建Interface Block，該接口模塊可與Simulink 中SFunction 函數(shù)進行接口對接。S-Function 是Matlab/Simulink 模塊的計算機語言，通過S-Function 用戶可以將所需的模塊放入Simulink 中，從而實現(xiàn)用戶自定義的算法或者利用操作系統(tǒng)、硬件設備進行交互[10]。將馬達的轉速檢測后進行轉換反饋到換向閥，整個模型在Matlab/Simulink 環(huán)境下進行仿真，具體模型見圖7。

在Simulink 模型中，設置參數(shù)kp=40，ki=0.05，kd=0.3，系統(tǒng)輸入一個梯形波信號，最終得到的錨機時間-轉速曲線見圖8。在換向閥換向的過程中振蕩明顯緩解，超調量也控制在合理范圍之內，滿足探礦船在一定條件下的定位要求。

圖7 Matlab/Simulink 環(huán)境下錨機定位系統(tǒng)仿真模型Fig.7 Simulation model of anchor positioning system in Matlab/ Simulink environment

圖8 錨機仿真前后時間-轉速曲線Fig.8 Time speed curve of windlass before and after simulation

5 結論

通過AMESim 軟件完成了電液控制液壓錨機的系統(tǒng)搭建，借助AMESim 軟件強大的機械/液壓建模與仿真能力與Matlab/Simulink 強大的數(shù)值計算能力，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，設計出了PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)。仿真的對比結果表明，電液控制的錨泊定位系統(tǒng)超調量降低，振蕩明顯減弱，符合系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。通過對探礦船錨機的電液比例控制系統(tǒng)的AMESim/Simulink 聯(lián)合仿真研究，最終的仿真結果實現(xiàn)了四錨定位液壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性與準確性的最佳匹配，表明探礦船四錨定位電液控制系統(tǒng)的方案是可行的。