于 亮，秦偉然

（1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)第三軍事代表室，上海 200031；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

傳統(tǒng)船舶液壓舵機(jī)一般采用液壓閥控或者變量泵控方式，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、調(diào)速方便易于遠(yuǎn)程控制等優(yōu)良特性，但因其傳動(dòng)環(huán)節(jié)較多，受節(jié)流損耗、溢流損耗、間歇運(yùn)動(dòng)等固有屬性影響，導(dǎo)致傳統(tǒng)液壓舵機(jī)效率相對(duì)不高，并且由此引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)成本高、振動(dòng)噪聲明顯，也不利于系統(tǒng)控制特性的提升。與之相比，變頻調(diào)速系統(tǒng)具有傳動(dòng)效率高、節(jié)能、功率體積比大、噪聲低、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，將其應(yīng)用在舵機(jī)控制領(lǐng)域具有天然優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

變頻液壓舵機(jī)系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1，主液壓回路采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙向定量泵，系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，包括舵角位置控制器、變頻器、變頻電機(jī)、雙向定量泵、推舵機(jī)構(gòu)和舵角反饋機(jī)構(gòu)等[1]。

圖1 變頻液壓舵機(jī)系統(tǒng)框圖

操舵時(shí)，指令舵角與舵與舵角反饋結(jié)構(gòu)采集的實(shí)際舵角反饋值比較后經(jīng)舵角位置控制器運(yùn)算得出變頻器參考頻率，此為外閉環(huán)；參考頻率對(duì)應(yīng)變頻控制電機(jī)的速度，并與轉(zhuǎn)速編碼器采集的速度反饋構(gòu)成速度閉環(huán)，此為內(nèi)閉環(huán)。變頻電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)雙向定量泵進(jìn)行正反運(yùn)轉(zhuǎn)，油泵輸出流量公式為

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；qp為泵排量；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；fs為供電頻率。

通過(guò)改變變頻電機(jī)供電頻率，可以改變泵的轉(zhuǎn)速和方向，從而推動(dòng)推舵機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)舵葉轉(zhuǎn)到所需的角度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2，系統(tǒng)工作運(yùn)行時(shí)，鎖閥電磁閥得電，負(fù)載端油路得以連通。變頻電機(jī)根據(jù)控制頻率輸出對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速來(lái)控制雙向定量泵運(yùn)轉(zhuǎn)排油。舵換向時(shí)，通過(guò)切換變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)向來(lái)改變定量泵的排油方向，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)舵活塞桿的運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)推舵機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)換向。當(dāng)舵角達(dá)到控制要求后，變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速下降至泵的最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速后鎖閥電磁閥斷電，系統(tǒng)卸荷，鎖閥電磁閥具備負(fù)載端穩(wěn)舵功能。

圖2 舵機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)或轉(zhuǎn)向時(shí)，因變頻存在死區(qū)且系統(tǒng)存在靜、動(dòng)摩擦的轉(zhuǎn)換及其他泄露影響，都易產(chǎn)生轉(zhuǎn)速波動(dòng)，造成系統(tǒng)平穩(wěn)性差。為增強(qiáng)系統(tǒng)啟動(dòng)和換向時(shí)的平穩(wěn)性，本系統(tǒng)使用皮囊式蓄能器作為輔助補(bǔ)油動(dòng)力源，并聯(lián)在補(bǔ)油泵出口位置。在舵機(jī)突然換向或有較大水流沖擊時(shí)，液壓回路中短時(shí)間內(nèi)流量變化較大，使用蓄能器有利于快速補(bǔ)充主系統(tǒng)油液、減緩液壓沖擊，從而能減小所需的補(bǔ)油泵排量。

系統(tǒng)在蓄能器回路設(shè)有控制閥組，由球閥、溢流閥以及電磁卸荷閥等組成，安裝于蓄能器和液壓系統(tǒng)之間，用于控制蓄能器回路的通斷、壓力超載保護(hù)以及泄壓放油。

另外，本系統(tǒng)在補(bǔ)油泵出口位置專門設(shè)置了單向閥，防止停機(jī)時(shí)蓄能器中的壓力油反沖，對(duì)補(bǔ)油泵起到保護(hù)作用。高壓安全閥用于防止系統(tǒng)過(guò)載，實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。

2.2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3所示，本文通過(guò)PLC構(gòu)建了模糊控制器，通過(guò)PROFINET與變頻器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，傳遞控制信號(hào)并反饋?zhàn)冾l器及電機(jī)相關(guān)運(yùn)行信息。dki、dkd為輸出變量[4]。其模糊論域見(jiàn)表1。

圖3 舵機(jī)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

表1 模糊論域設(shè)定范圍

隸屬函數(shù)可選擇三角函數(shù)，模糊規(guī)則見(jiàn)表2～表4。

表2 模糊輸出變量dkp 的模糊規(guī)則表

表4 模糊輸出變量dkd 的模糊規(guī)則表

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 模糊自適應(yīng)PID 控制

船舶變頻液壓舵機(jī)系統(tǒng)是一種典型非線性、時(shí)變、滯后的多環(huán)節(jié)耦合系統(tǒng)，外部負(fù)載復(fù)雜多變，操舵規(guī)律也不固定，并且伴隨使用過(guò)程中不斷磨損及機(jī)械間隙的不確定，使得其機(jī)理的描述和模型化變得異常復(fù)雜，常規(guī)PID控制很難達(dá)到滿意的控制效果，往往出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間使用后的舵角精度偏移、舵角震蕩等現(xiàn)象，影響操舵效果[3]。

本文采取模糊自適應(yīng)控制，能夠通過(guò)參數(shù)自整定解決上述問(wèn)題，通過(guò)參數(shù)在線自整定使得系統(tǒng)性能維持高效。本文利用SIMULINK進(jìn)行仿真，系統(tǒng)采用二維模糊控制器模型[2]，選擇舵角偏差e及偏差變化率ec作為輸入量，PID參數(shù)變化量dkp、

表3 模糊輸出變量dki 的模糊規(guī)則表

SIMULINK仿真結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖4，仿真效果圖見(jiàn)圖5。

圖5 模糊控制與傳統(tǒng)PID 控制仿真圖

從圖5可看出，與常規(guī)PID控制相比，模糊控制的系統(tǒng)超調(diào)量更小，調(diào)節(jié)時(shí)間更快，更重要的是從擾動(dòng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間縮短，說(shuō)明其具有良好的抗負(fù)載擾動(dòng)特性，這在船舶應(yīng)用中具有重要意義。

3.2 系統(tǒng)性能分析

本文對(duì)變頻液壓舵機(jī)性能進(jìn)行驗(yàn)證。表5為主要技術(shù)指標(biāo)與實(shí)測(cè)值對(duì)比，由對(duì)比結(jié)果可知，各項(xiàng)實(shí)測(cè)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表5 變頻液壓舵機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

為驗(yàn)證變頻液壓舵機(jī)的操舵效果，本文以幅值5°，周期2 s的舵角正弦輸入指令為例，驗(yàn)證系統(tǒng)的頻域響應(yīng)，并與同技術(shù)指標(biāo)比例閥控制液壓舵機(jī)的系統(tǒng)響應(yīng)曲線進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖6和圖7，可發(fā)現(xiàn)，變頻液壓舵機(jī)在幅值衰減和相位滯后方面都有較大優(yōu)勢(shì)。

圖6 變頻液壓舵機(jī)響應(yīng)曲線

與此同時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)閥控或泵控液壓舵機(jī)，變頻液壓舵機(jī)在噪聲及系統(tǒng)效率方面具有突出優(yōu)勢(shì)。由于舵機(jī)是間歇性工作設(shè)備，變頻調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制液壓系統(tǒng)供油方向及排量，在怠機(jī)時(shí)，其噪聲理論上可忽略。而傳統(tǒng)閥控液壓舵機(jī)（本文以比例閥控液壓舵機(jī)為參考）在怠機(jī)時(shí)，其主泵及輔泵機(jī)構(gòu)為恒運(yùn)行狀態(tài)。在轉(zhuǎn)舵時(shí)，噪聲也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)閥控制液壓舵機(jī)，具體對(duì)比見(jiàn)表6。

表6 變頻液壓舵機(jī)噪聲與比例閥控制液壓舵機(jī)比較

由表6可知，變頻液壓舵機(jī)在工作效率、能耗及噪聲方面具備突出優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

綜上所述，本文完成了變頻驅(qū)動(dòng)液壓舵機(jī)的設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證，變頻調(diào)速系統(tǒng)在舵機(jī)這種大慣量、強(qiáng)非線性、時(shí)滯的應(yīng)用中具有較大優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)不僅滿足了動(dòng)態(tài)性能要求，且在工作效率、能耗及噪聲方面具備突出優(yōu)勢(shì)。