高曦

摘 要：船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)可以幫助航海人員進(jìn)行暈船訓(xùn)練、日常航海技能訓(xùn)練和武器裝備模擬訓(xùn)練等，具有非常重要的作用。但以往控制船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的方法很容易被縱搖與垂蕩液壓缸活塞桿的變化影響，導(dǎo)致控制效果一直不理想。對(duì)此，建議將計(jì)算機(jī)智能控制應(yīng)用在船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)液壓傳動(dòng)中。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳動(dòng)系統(tǒng)等的細(xì)節(jié)改動(dòng)，本文分析了運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的功能和視域控制模型，并使用二進(jìn)制編碼獲取最優(yōu)參數(shù)，繼而分析縱搖與垂蕩液壓缸活塞桿的理論上位移曲線和實(shí)際位移曲線，不斷提升船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的控制效果。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī);智能控制;船舶運(yùn)動(dòng);模擬平臺(tái);液壓傳動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP273.5;U664.82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）26-0008-03

Application Research of Computer Intelligent Control in

Hydraulic Transmission of Ship Motion Simulation Platform

GAO Xi

（Wuhan Technical College of Communications，Wuhan Hubei 430065）

Abstract： The ship motion simulation platform can help mariners to carry out seasickness training， daily navigation skills training and weapon equipment simulation training， etc.， which plays a very important role. However， in the past， the method of controlling the ship motion simulation platform was easily affected by the variation of the tilting and tilting hydraulic cylinder piston rod， resulting in an unsatisfactory control effect. In this regard， it is recommended to apply computer intelligent control in the hydraulic transmission of the ship motion simulation platform. Through the careful modification of structural design and transmission system， this paper analyzed the function and visual field control model of the motion simulation platform， and used binary coding to obtain the optimal parameters， then analyzed the theoretical displacement curve and actual displacement curve of the pitch and heave hydraulic cylinder piston rods， in order to continuously improve the control effect of the ship motion simulation platform.

Keywords： computer;intelligent control;ship motion;simulation platform;hydraulic transmission

船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)是現(xiàn)代海上軍事或是海上運(yùn)動(dòng)中常用的測(cè)試船舶設(shè)備性能、研究抗暈訓(xùn)練和藥物的必需性設(shè)備，其通過(guò)模擬船舶航海時(shí)的自然運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到不在海上航行仍有在海上航行的效果，在海上的應(yīng)用較為頻繁。例如，在還沒(méi)造出航空母艦時(shí)，我國(guó)一直利用船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)訓(xùn)練海軍，提高海軍的軍事能力，在后來(lái)裝備航空母艦后，海軍也能迅速掌握并盡快提高航空母艦作戰(zhàn)能力。

液壓傳動(dòng)技術(shù)與控制類工程技術(shù)都是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中比較常用的技術(shù)，雖然現(xiàn)代控制類工程技術(shù)多采用電動(dòng)或氣動(dòng)傳動(dòng)的方式，但液壓傳動(dòng)憑借其負(fù)載較重、慣性較小、動(dòng)作相對(duì)靈敏、能夠做到更頻繁啟動(dòng)和換向的優(yōu)勢(shì)在機(jī)械傳動(dòng)場(chǎng)合得到大范圍的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)作為最新型的機(jī)械控制方式，目前逐漸在各機(jī)械傳動(dòng)場(chǎng)合風(fēng)靡開來(lái)，而在船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)方面，將液壓技術(shù)與計(jì)算機(jī)智能控制技術(shù)結(jié)合，能夠大幅度提升運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的控制精確度和高效性[1]。

1 船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)液壓傳動(dòng)原理

在船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)模擬液壓傳動(dòng)模式時(shí)，人們可以利用微電子技術(shù)，改變傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式，使之成為一種智能化的控制方式，即在與微電子控制器連接后，直接控制船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)液壓傳動(dòng)。因?yàn)榇斑\(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)自身兼具性能較優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能，可以利用節(jié)流控制保證變量泵的恒壓處在可控范圍內(nèi)。船舶在海上的運(yùn)動(dòng)主要是縱搖和垂蕩兩類操作，基于這兩類操作并綜合考慮船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)際需求，模擬液壓傳動(dòng)原理。考慮到縱搖與垂蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)設(shè)備的動(dòng)力需求較小，為取得不同方向閥的壓力平衡，要先應(yīng)用導(dǎo)式減壓閥減小入口壓力，使不同方向閥所在的油路構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，而通過(guò)控制不同方向的比例方向閥，能夠逐漸獨(dú)立控制液壓缸，繼而實(shí)現(xiàn)縱搖與垂蕩運(yùn)動(dòng)的復(fù)合，再使用位移傳感器就可以反饋出活塞桿位移信號(hào)并構(gòu)成閉環(huán)控制[2]。

2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)與微電子技術(shù)結(jié)合形成一種全新的智能控制方式，可在一端連接現(xiàn)代的微電子控制設(shè)備，另一端連接功率較大的控制對(duì)象。例如，本研究的船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)就可以模擬出4 000噸級(jí)船舶在4級(jí)復(fù)雜海況的海上運(yùn)動(dòng)情況。艦船在此時(shí)的海上運(yùn)動(dòng)共有橫搖、升沉和縱搖三個(gè)方向與橫搖、縱搖、垂搖、縱蕩、橫蕩五個(gè)自由度，航海人員暈船或是艦船的武器使用精度被影響都與橫搖、升沉和縱搖三個(gè)方向完全相關(guān)，是由其獨(dú)立運(yùn)動(dòng)或合成其他方向的運(yùn)動(dòng)造成的。橫搖、縱搖、垂搖三個(gè)自由度則由橫搖液壓缸、縱搖液壓缸和垂蕩液壓缸分別提供，而垂蕩液壓缸配合球形鉸鏈則能夠提供縱蕩、橫蕩的自由度[3]，具體的船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)如圖1所示。

2.2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究主要使用液壓傳動(dòng)進(jìn)行船舶運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練模擬，使得液壓傳動(dòng)系統(tǒng)性能直接影響船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的質(zhì)量。而液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)要求的性能與功能有著極大的關(guān)系，除模擬平臺(tái)要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)外，控制系統(tǒng)方面也需要較高的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，會(huì)使用液壓閥與流量共同結(jié)合控制的方法，而液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖2所示。

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)使用的控制閥為電液比例方向控制閥，設(shè)計(jì)時(shí)使用2個(gè)直動(dòng)式比例方向閥對(duì)液壓缸進(jìn)行橫向與縱向的控制，主要原因是橫向和縱向搖動(dòng)需要的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力較小，垂蕩時(shí)需要的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力較大，使用先導(dǎo)式比例方向閥會(huì)取得更有效的效果。再加上閥的系統(tǒng)壓力存在差異，應(yīng)用時(shí)還要在油路上添加一個(gè)先導(dǎo)式減壓閥，并設(shè)計(jì)一個(gè)壓力表觀測(cè)壓力值，使得制動(dòng)式比例方向閥和先導(dǎo)式比例方向閥構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，利用計(jì)算機(jī)控制比例方向閥就可以直接控制三個(gè)閥，實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的擺向運(yùn)動(dòng)。而且，利用液壓缸內(nèi)的位移傳感器可以通過(guò)返回液面位移調(diào)節(jié)方向閥實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，這里可以使用磁致伸縮線性位移傳感器[4]。

3 計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究使用的是先導(dǎo)式電液比例方向控制閥和直動(dòng)式電液比例方向控制閥，其中的閥芯位移量與控制信號(hào)成一定比例關(guān)系。結(jié)合本研究船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的功能性要求，液壓系統(tǒng)可使用PC實(shí)施電液比例位置控制，使得電子和液壓兩方的優(yōu)點(diǎn)可以得到有效發(fā)揮，即在產(chǎn)生巨大的力與力矩、承受較大載荷的同時(shí)兼具高超的控制精度和優(yōu)秀的頻響能力，而計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)編程也具備優(yōu)良的靈活性和適應(yīng)性[5]。

船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的動(dòng)力裝置由3個(gè)單活塞閥控液壓缸組成，使得計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)可以在經(jīng)信號(hào)放大器放大后直接送至先導(dǎo)式電液比例方向控制閥和直動(dòng)式電液比例方向控制閥，而在控制信號(hào)的引導(dǎo)下，比例方向控制閥會(huì)控制液壓缸中2個(gè)型腔內(nèi)的液壓軸，繼而推動(dòng)活塞桿的運(yùn)動(dòng)。液壓缸中的磁致伸縮線性位移傳感器會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)采集板將活塞桿的實(shí)際位置傳送至計(jì)算機(jī)，并將活塞桿的理論位置與實(shí)際位置的差別當(dāng)作輸入的控制信號(hào)，繼而達(dá)到由計(jì)算機(jī)閉環(huán)組成的控制液壓缸的活塞桿反復(fù)運(yùn)動(dòng)。

因?yàn)楸划?dāng)作控制信號(hào)的模擬信號(hào)本就具有平滑性、連續(xù)性和過(guò)渡性的優(yōu)勢(shì)，用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的模擬信號(hào)也具有優(yōu)秀控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的性能，但當(dāng)比例方向控制閥的輸入信號(hào)要求設(shè)置為數(shù)字信號(hào)時(shí)，不同的信號(hào)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換。船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)范圍內(nèi)任意角度、任意位置的精確控制，利用數(shù)字調(diào)節(jié)器時(shí)可以按照閉環(huán)控制原理達(dá)到船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的控制目標(biāo)。

而根據(jù)船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的功能要求，PID控制數(shù)量要設(shè)置為全部輸出量，同時(shí)應(yīng)用誤差信號(hào)來(lái)反饋輸入量，并使用位置數(shù)字調(diào)節(jié)器，此時(shí)應(yīng)用的控制時(shí)域模型為：

[μ=mpemt+ttij=0mejt+tdtemt-emt-t]? （1）

式中，采樣周期為[t];實(shí)際參數(shù)為[e];比例調(diào)節(jié)系數(shù)為[mp];積分調(diào)節(jié)周期為[ti];微分調(diào)節(jié)周期為[td]。

依照此控制時(shí)域模型，選擇不同品質(zhì)的控制參數(shù)，接下來(lái)使用二進(jìn)制編碼并經(jīng)迭代處理，可獲取最優(yōu)參數(shù)。

在考慮到船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)液壓傳動(dòng)的控制方法研究后，開展一定的試驗(yàn)有效性分析，筆者確認(rèn)，縱搖與垂蕩液壓缸活塞桿的位移量曲線幅值大小為100左右，頻率波動(dòng)控制在0.2Hz，存在著縱搖與垂蕩的理論位移量和實(shí)際位移量的區(qū)別。而經(jīng)一定比對(duì)后，筆者確認(rèn)智能控制方法和實(shí)際的位移量基本保持一致，但傳統(tǒng)方法與實(shí)際的位移量存在較大差別。因此，使用智能控制方法控制液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)效果更佳，這就說(shuō)明船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)液壓傳動(dòng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)智能控制方法的有效性更高。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究基于船舶運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和對(duì)抗暈船的基本需求，嘗試創(chuàng)建船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)，以其結(jié)構(gòu)作為切入點(diǎn)進(jìn)行分析，并逐漸深入液壓傳動(dòng)的研究，通過(guò)模擬船舶在海上行駛時(shí)的動(dòng)力特性，幫助航海人員抵抗暈船，繼而從船舶系統(tǒng)和航海人員本身提高航海效率。目前，使用計(jì)算機(jī)智能控制船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)模擬液壓傳動(dòng)的行為尚未在不同天氣環(huán)境中有著可靠的依據(jù)，需要進(jìn)一步研究，使其在惡劣天氣中也能正常應(yīng)用，繼而不斷優(yōu)化船舶運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和提高人員綜合素質(zhì)，提升我國(guó)的海上軍事水平。

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