何建海，張建霞

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 200437；2.上海市高級(jí)技工學(xué)校，上海 200437；3.上海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院水運(yùn)工程系，上海 200431)

0 前言

近年來(lái)隨著國(guó)家對(duì)船舶節(jié)能減排的要求以及IMO關(guān)于新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)的推廣，風(fēng)帆助航技術(shù)又重新引起人們的重視并得到了進(jìn)一步的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)發(fā)出了不同形式的風(fēng)帆助航技術(shù)。對(duì)于大型風(fēng)帆助航船舶來(lái)說(shuō)，其風(fēng)帆助航裝置基本上都是靠液壓系統(tǒng)來(lái)控制的。風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)帆機(jī)構(gòu)可設(shè)計(jì)為回轉(zhuǎn)式或往復(fù)式，回轉(zhuǎn)式機(jī)構(gòu)一般采用低速大扭矩液壓馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)帆轉(zhuǎn)帆運(yùn)動(dòng)，還有就是采用帶減速機(jī)構(gòu)的液壓馬達(dá)來(lái)帶動(dòng)風(fēng)帆轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓馬達(dá)加減速齒輪裝置可以根據(jù)風(fēng)帆轉(zhuǎn)動(dòng)速度要求把速度降到合適，同時(shí)提高驅(qū)動(dòng)扭矩，具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等優(yōu)點(diǎn)，但是加裝減速齒輪機(jī)構(gòu)使系統(tǒng)變得復(fù)雜；采用低速大扭矩液壓馬達(dá)可以省略減速機(jī)構(gòu)，或者加裝傳動(dòng)比較小的減速裝置，使結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，但是存在制動(dòng)力矩大、在低速運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象、轉(zhuǎn)速產(chǎn)生脈動(dòng)等情況，使得系統(tǒng)出現(xiàn)走走停停的狀況。對(duì)于風(fēng)帆這種重心高度較高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的特殊結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)影響較大，容易造成風(fēng)帆來(lái)回?cái)€動(dòng)，影響系統(tǒng)控制穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者針對(duì)某大型散貨船設(shè)計(jì)了閥控型開(kāi)式風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)并做了相關(guān)研究，該系統(tǒng)由單泵驅(qū)動(dòng)6個(gè)液壓馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)帆，液壓馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)通過(guò)換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是由于其6個(gè)大扭矩馬達(dá)安裝在桅桿內(nèi)部使得安裝及維修保養(yǎng)不便，同時(shí)由于受風(fēng)阻力矩、傾側(cè)力矩及慣性力矩等影響使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，尤其是在啟動(dòng)及制動(dòng)階段波動(dòng)較大；此外6個(gè)液壓馬達(dá)間相互干擾及同步性等也對(duì)控制提出較為復(fù)雜要求。本文作者采用閥控液壓缸型式來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)帆轉(zhuǎn)動(dòng)，將圓周轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)于具有較大甲板位置空間的船舶來(lái)說(shuō)，這樣的設(shè)計(jì)安裝方便，維護(hù)保養(yǎng)容易，油缸直接通過(guò)一體設(shè)計(jì)的齒條驅(qū)動(dòng)風(fēng)帆桅桿本體的齒輪來(lái)控制風(fēng)帆的轉(zhuǎn)角。在風(fēng)帆轉(zhuǎn)角控制過(guò)程中，既要保證轉(zhuǎn)角位置精度要求，又要控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度，以免速度突變不穩(wěn)定造成液壓沖擊，使風(fēng)帆系統(tǒng)受到振顫擾動(dòng)等影響，進(jìn)而影響到船舶安全行駛，所以有必要對(duì)研究液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)角位置及速度綜合協(xié)調(diào)策略控制。本文作者采用AMESim及MATLAB聯(lián)合仿真，建立風(fēng)帆轉(zhuǎn)角/速度單神經(jīng)元控制聯(lián)合仿真模型，通過(guò)仿真研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)合控制策略的有效性，為大型風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)控制提供了參考。

1 風(fēng)帆液壓驅(qū)動(dòng)控制原理

對(duì)于安裝了風(fēng)帆助航裝置的船舶來(lái)說(shuō)，為了達(dá)到最大利用風(fēng)力資源的目的，需要根據(jù)變化的風(fēng)速風(fēng)向及航線的方位來(lái)調(diào)整風(fēng)帆的轉(zhuǎn)角，使得風(fēng)帆轉(zhuǎn)動(dòng)到合適的轉(zhuǎn)角位置。這個(gè)控制就需要一定的控制策略。本文作者所設(shè)計(jì)的風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由定量泵、電液伺服閥、反饋單元、油缸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，其控制轉(zhuǎn)帆信號(hào)由風(fēng)速風(fēng)向傳感器采集信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)風(fēng)帆綜合控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算比對(duì)最佳操帆曲線得到所需轉(zhuǎn)帆角度，作為輸入控制量，與實(shí)際采集到的風(fēng)帆轉(zhuǎn)角進(jìn)行偏差比對(duì)，獲得值經(jīng)伺服閥放大器運(yùn)算來(lái)控制電液伺服閥開(kāi)度，從而調(diào)整流入液壓缸的流量，通過(guò)電液伺服閥流量精確調(diào)節(jié)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)油缸齒條的位置控制，進(jìn)而通過(guò)齒條齒輪結(jié)構(gòu)來(lái)精確控制風(fēng)帆轉(zhuǎn)角。其風(fēng)帆液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)控制液壓系統(tǒng)原理

2 風(fēng)帆轉(zhuǎn)角速度與位移復(fù)合控制策略

風(fēng)帆轉(zhuǎn)角控制對(duì)于此設(shè)計(jì)研究來(lái)說(shuō)屬于位置伺服控制，在保證位置轉(zhuǎn)角達(dá)到要求的情況下，也要控制速度穩(wěn)定性。在實(shí)際控制過(guò)程中，風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)控制油缸所受到負(fù)載隨風(fēng)帆攻角及風(fēng)速大小等不同而變化，這種負(fù)載的突變沖擊容易造成速度及壓力波動(dòng)沖擊，進(jìn)而對(duì)位置變化產(chǎn)生沖擊影響。這種沖擊一般在油缸活塞伸出或縮回時(shí)所承受負(fù)載不同、速度不同進(jìn)而對(duì)風(fēng)帆轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)沖擊，同時(shí)若控制不穩(wěn)定，在所需轉(zhuǎn)角位置不能盡快穩(wěn)定下來(lái)，導(dǎo)致出現(xiàn)來(lái)回波動(dòng)調(diào)整，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)非常不利，如果控制不好，可能造成風(fēng)帆本體的振顫擾動(dòng)等影響。此外若在大范圍調(diào)整風(fēng)帆轉(zhuǎn)角過(guò)程中不進(jìn)行速度控制，也會(huì)對(duì)風(fēng)帆轉(zhuǎn)角變化產(chǎn)生沖擊。常規(guī)PID控制在控制過(guò)程中參數(shù)不變，位移跟蹤曲線會(huì)有一定的滯后偏差，同時(shí)活塞速度也會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，特別是在啟停階段出現(xiàn)速度突變，對(duì)大載荷風(fēng)帆系統(tǒng)來(lái)說(shuō)容易造成運(yùn)動(dòng)部件磨損，減少使用壽命。所以要在控制策略上加以優(yōu)化改進(jìn)，以便適應(yīng)風(fēng)帆系統(tǒng)的操作要求。

根據(jù)所采用的閥控差動(dòng)缸系統(tǒng)，考慮風(fēng)帆轉(zhuǎn)角位置和轉(zhuǎn)動(dòng)速度綜合協(xié)調(diào)控制，設(shè)計(jì)了油缸速度前饋和風(fēng)帆轉(zhuǎn)角位置神經(jīng)元綜合優(yōu)化協(xié)調(diào)控制方案，其原理如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)轉(zhuǎn)角位置給定為，速度給定為，經(jīng)過(guò)速度轉(zhuǎn)角位移規(guī)劃模塊設(shè)計(jì)后輸出為規(guī)劃后的位移設(shè)計(jì)值及速度設(shè)計(jì)值, 此設(shè)計(jì)值也就是規(guī)劃的轉(zhuǎn)角位移曲線及速度曲線。在控制過(guò)程中，開(kāi)始階段利用速度控制器來(lái)控制液壓系統(tǒng)，通過(guò)采集負(fù)載兩端壓力及和系統(tǒng)壓力, 聯(lián)合速度設(shè)計(jì)值構(gòu)建速度前饋補(bǔ)償模型，經(jīng)過(guò)速度控制器輸出控制信號(hào)疊加到伺服閥上來(lái)動(dòng)態(tài)地控制速度，使系統(tǒng)按照規(guī)劃速度曲線驅(qū)動(dòng)差動(dòng)液壓缸快速而穩(wěn)定運(yùn)行到設(shè)定穩(wěn)定速度，在快接近給定位置附近，再逐步減小運(yùn)行速度，使其在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中能較好跟隨期望速度曲線。當(dāng)接近目標(biāo)值時(shí)，為了提高轉(zhuǎn)角位置控制精度同時(shí)減小系統(tǒng)超調(diào)，采用位置閉環(huán)來(lái)控制，利用神經(jīng)元PID自適應(yīng)調(diào)整誤差的算法控制，使轉(zhuǎn)角位移能平穩(wěn)達(dá)到所需角度，來(lái)達(dá)到綜合協(xié)調(diào)控制風(fēng)帆閥控液壓差動(dòng)缸系統(tǒng)轉(zhuǎn)角位置的目的。

圖2 轉(zhuǎn)角速度與位移復(fù)合控制原理

2.1 風(fēng)帆液壓控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)角速度前饋模型

根據(jù)風(fēng)帆液壓控制系統(tǒng)原理及所提轉(zhuǎn)角速度與位移復(fù)合控制方案，油缸無(wú)桿腔流入流量，油缸進(jìn)油活塞桿做伸出運(yùn)動(dòng)。結(jié)合流量及壓差關(guān)系可以推導(dǎo)出速度前饋計(jì)算公式:

(1)

式中：為伺服閥控制信號(hào)電壓, -1 V≤≤1 V；為伺服閥額定流量，m/s；為系統(tǒng)壓力，MPa；為液壓缸無(wú)桿腔壓力，MPa;為液壓缸活塞桿速度，m/s;為液壓缸無(wú)桿腔面積，m；Δ為液壓缸兩邊壓力差，MPa。

同樣思路，可以得到油缸活塞桿縮回反向運(yùn)動(dòng)前饋計(jì)算公式：

(2)

式中：為液壓缸有桿腔面積，m。

根據(jù)方案規(guī)劃的速度曲線，把規(guī)劃設(shè)計(jì)值代入式(1)(2)得到速度前饋計(jì)算模型關(guān)系式：

(3)

(4)

從式(4)可以看出速度前饋模型中控制電壓與伺服閥流口壓差及規(guī)劃設(shè)計(jì)速度等有關(guān)：伺服閥流口壓差體現(xiàn)了負(fù)載的情況，負(fù)載變化時(shí)，伺服閥流口壓差相應(yīng)跟著變化，控制電壓也同時(shí)變化；規(guī)劃設(shè)計(jì)速度不同，前饋控制信號(hào)也不同，模型能夠根據(jù)變化情況自動(dòng)加以適應(yīng)。這對(duì)于受到不同負(fù)載的風(fēng)帆系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，增加的速度前饋控制有重要實(shí)際意義。

2.2 復(fù)合控制單神經(jīng)元模型

當(dāng)前，絕大數(shù)工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域還是使用常規(guī)PID控制器。這種經(jīng)典控制方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不完全依賴控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)于一般溫度、壓力、位移等控制具有較好的適應(yīng)性。但是對(duì)于風(fēng)帆這種多變系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，既要考慮給定跟蹤性又要抑制負(fù)載擾動(dòng)性，常規(guī)單一的PID參數(shù)在控制器中輸入后就保持不變，不能根據(jù)實(shí)際負(fù)載變化情況實(shí)時(shí)調(diào)整與修正，難以獲得滿意的控制效果。所以需要設(shè)計(jì)能夠根據(jù)實(shí)際情況自整定控制方案來(lái)進(jìn)行控制，以保證系統(tǒng)跟蹤性，隨時(shí)根據(jù)誤差大小進(jìn)行修正，減小跟蹤誤差，獲到滿意控制效果。近年來(lái)，基于神經(jīng)元的PID控制器的研究取得較快發(fā)展，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，學(xué)習(xí)記憶和實(shí)時(shí)跟蹤性較好，具有良好的自我學(xué)習(xí)修正能力，在一些領(lǐng)域表現(xiàn)出較好的自適應(yīng)性和魯棒性，能夠用來(lái)控制一些無(wú)法精確用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述的系統(tǒng)和過(guò)程，因而這種控制策略在一些工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。在風(fēng)帆轉(zhuǎn)角位置復(fù)合控制過(guò)程中，為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)角位置誤差，增加了單神經(jīng)元PID控制器來(lái)改進(jìn)風(fēng)帆轉(zhuǎn)角位置的控制。

根據(jù)單神經(jīng)元控制器原理，結(jié)合風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角控制情況設(shè)計(jì)了如圖3所示風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)單神經(jīng)元PID控制器。

圖3 風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)單神經(jīng)元PID控制器

基于所設(shè)計(jì)的單神經(jīng)元PID控制器，利用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行控制，算法中引入S-Function模塊編寫(xiě)S函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整。搭建的Simulink框圖如圖4所示，輸入給定轉(zhuǎn)角與實(shí)際輸出轉(zhuǎn)角的偏差()作為單神經(jīng)元輸入值，經(jīng)過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換器變換后得到神經(jīng)元控制所需的3個(gè)狀態(tài)參數(shù)，再加上反饋回路中(-1)，作為模塊輸入，經(jīng)過(guò)S函數(shù)計(jì)算輸出值()，經(jīng)飽和非線性處理更接近實(shí)用價(jià)值。函數(shù)名為nnsfunction的S函數(shù)包含了單神經(jīng)元PID算法程序，該單神經(jīng)元控制器可以封裝作為一個(gè)模塊來(lái)使用。

圖4 單神經(jīng)元PID控制器

3 風(fēng)帆液壓復(fù)合控制系統(tǒng)建模與仿真

為了驗(yàn)證所提控制策略的有效性，結(jié)合 AMESim-MATLAB/Simulink兩種軟件的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行聯(lián)合仿真，利用AMESim 軟件中液壓庫(kù)、機(jī)械庫(kù)及信號(hào)庫(kù)中的子模型搭建含有Simulink模塊的液壓系統(tǒng)仿真模型，Simulink模塊由AMESim中的Interface建立，然后再通過(guò)MATLAB/Simulink中的S-Function函數(shù)的調(diào)用語(yǔ)法與AMESim中的求解器進(jìn)行交互，MATLAB中的S函數(shù)連接AMESim及Simulink中的仿真模型。對(duì)于聯(lián)合仿真的接口編譯設(shè)置，具體參考文獻(xiàn)[13]。

3.1 仿真建模

根據(jù)風(fēng)帆液壓控制系統(tǒng)原理及前面所建復(fù)合控制模型，采用AMESim及Simulink聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)，建立了如圖5及圖6所示的AMESim-Simulink風(fēng)帆轉(zhuǎn)角/速度單神經(jīng)元復(fù)合控制仿真模型。

圖5 風(fēng)帆轉(zhuǎn)角/速度單神經(jīng)元控制AMESim仿真模型

圖6 風(fēng)帆轉(zhuǎn)角/速度單神經(jīng)元控制Simulink仿真模型

作用在油缸上的風(fēng)力負(fù)載由輸出轉(zhuǎn)角經(jīng)轉(zhuǎn)角與受力函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換得到，結(jié)合風(fēng)帆轉(zhuǎn)角要求和前面所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)角位置速度協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案，得到轉(zhuǎn)角速度規(guī)劃曲線；該曲線作為輸入控制，經(jīng)速度前饋補(bǔ)償，使轉(zhuǎn)角速度控制在實(shí)際動(dòng)態(tài)運(yùn)行中起主要作用；系統(tǒng)中轉(zhuǎn)角速度積分得到轉(zhuǎn)角角度，與實(shí)際采集到的油缸位移經(jīng)轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較，所得誤差作為單神經(jīng)元轉(zhuǎn)角位置PID控制器的輸入值，由單神經(jīng)元轉(zhuǎn)角位置PID控制器計(jì)算控制伺服閥的閥芯開(kāi)度，調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量達(dá)到精確控制風(fēng)帆轉(zhuǎn)角的目的。對(duì)于油缸來(lái)說(shuō)，風(fēng)帆旋轉(zhuǎn)角度經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換成活塞桿直線位移來(lái)體現(xiàn)。

仿真模型中主要元件參數(shù)設(shè)置為：泵轉(zhuǎn)速1 500 r/min，排量40 mL/r；溢流閥壓力26 MPa；蓄能器容量50 L；伺服閥額定電流200 mA，固有頻率50 Hz，阻尼比為1，壓降為3.5 MPa；油缸活塞直徑200 mm，活塞桿直徑140 mm，活塞行程1 600 mm；運(yùn)動(dòng)質(zhì)量10 000 kg；位移與力換算系數(shù)為114.65；風(fēng)帆作用在油缸上的外負(fù)載是根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)帆在風(fēng)洞試驗(yàn)中所測(cè)得數(shù)值及計(jì)算擬合而成；給定風(fēng)帆轉(zhuǎn)角角度及運(yùn)行時(shí)間在Simulink中設(shè)置。

3.2 仿真分析

根據(jù)所建仿真模型，仿真研究定載荷和動(dòng)載荷條件下轉(zhuǎn)角速度及轉(zhuǎn)角位置復(fù)合控制的穩(wěn)定性和可靠性。

(1)定載荷條件下不同轉(zhuǎn)角速度仿真

在仿真試驗(yàn)中，對(duì)系統(tǒng)施加50 kN模擬負(fù)載風(fēng)力，研究在定載荷條件下控制的穩(wěn)定性及可靠性。設(shè)定風(fēng)帆轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)到40°，風(fēng)帆轉(zhuǎn)角速度分別設(shè)為平均速度2、3°/s，按照梯形速度規(guī)劃進(jìn)行，在第5 s時(shí)開(kāi)始仿真，從0°開(kāi)始運(yùn)行，一直轉(zhuǎn)動(dòng)到40°轉(zhuǎn)角為止，然后再回轉(zhuǎn)到初始的0°結(jié)束，看這個(gè)運(yùn)行過(guò)程中復(fù)合控制運(yùn)行曲線是否能滿意地按照規(guī)劃曲線進(jìn)行。圖7、圖8分別為不同轉(zhuǎn)角速度下的風(fēng)帆復(fù)合控制仿真運(yùn)行曲線，可以看出：在所受恒定負(fù)載情況下，采用提出的風(fēng)帆轉(zhuǎn)角速度及轉(zhuǎn)角單神經(jīng)元復(fù)合控制方案可以使液壓控制按照所規(guī)劃的轉(zhuǎn)角速度曲線平穩(wěn)理想地運(yùn)行到所需轉(zhuǎn)角的位置；根據(jù)轉(zhuǎn)角速度積分得到的轉(zhuǎn)角位移曲線也體現(xiàn)了跟蹤運(yùn)行的穩(wěn)定性，按照這樣的S形轉(zhuǎn)角位移曲線運(yùn)行，能夠使液壓控制系統(tǒng)在整個(gè)風(fēng)帆轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生較小的位置偏差，從而帶來(lái)的速度沖擊也較小，油缸、伺服閥等使用壽命就會(huì)延長(zhǎng)，避免了在常規(guī)PID控制下因轉(zhuǎn)角速度突變?cè)斐傻乃俣葲_擊，進(jìn)而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時(shí)曲線也反映了在轉(zhuǎn)角前進(jìn)后退過(guò)程中，能夠保持較一致的運(yùn)行速度。

圖7 不同風(fēng)帆轉(zhuǎn)速條件下(2°/s)復(fù)合控制仿真

圖8 不同風(fēng)帆轉(zhuǎn)速條件下(3°/s)復(fù)合控制仿真

(2)不同風(fēng)力負(fù)載條件下轉(zhuǎn)角速度仿真

在仿真試驗(yàn)中，對(duì)系統(tǒng)施加3組不同的模擬負(fù)載風(fēng)力，研究在不同負(fù)載定載荷條件下控制的穩(wěn)定性及可靠性。設(shè)定風(fēng)帆轉(zhuǎn)角速度為平均速度2°/s，按照梯形速度規(guī)劃進(jìn)行，在第5 s時(shí)開(kāi)始仿真，從0°開(kāi)始運(yùn)行，一直轉(zhuǎn)動(dòng)到40°轉(zhuǎn)角為止，然后再回轉(zhuǎn)到初始的0°。圖9為不同風(fēng)力負(fù)載條件下轉(zhuǎn)角速度位置復(fù)合控制仿真曲線，可以看出：不同負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)角速度有一定的不同，但是與規(guī)劃速度偏差不大，能夠在速度前饋控制下保持較好的跟蹤效果，轉(zhuǎn)角跟蹤位移幾乎沒(méi)有變化。由此可知在單神經(jīng)元控制下，按規(guī)劃的轉(zhuǎn)角穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)風(fēng)帆轉(zhuǎn)角無(wú)沖擊控制，體現(xiàn)了復(fù)合控制的有效性。

圖9 不同風(fēng)力負(fù)載條件下(2°/s)復(fù)合控制仿真

4 風(fēng)帆液壓復(fù)合控制試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提方案的合理及有效性，根據(jù)風(fēng)帆液壓驅(qū)動(dòng)控制原理，建立了半物理模擬試驗(yàn)臺(tái)。風(fēng)力模擬加載是通過(guò)液壓缸對(duì)頂實(shí)現(xiàn)的，將風(fēng)帆風(fēng)洞試驗(yàn)計(jì)算擬合的風(fēng)力負(fù)載信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～10 V的電壓信號(hào)來(lái)控制電液比例溢流閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)加載缸壓力的調(diào)整，達(dá)到模擬加載風(fēng)力負(fù)載目的。風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)工作液壓缸的活塞桿位移信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換得到對(duì)應(yīng)風(fēng)帆轉(zhuǎn)角。采用LabVIEW軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，建立了如圖10所示的風(fēng)帆液壓驅(qū)動(dòng)復(fù)合控制系統(tǒng)界面。由于速度傳感器采集的是電流信號(hào)絕對(duì)值，即顯示均為正值，所以實(shí)驗(yàn)中活塞前進(jìn)或后退速度顯示都為正值。

圖10 風(fēng)帆液壓驅(qū)動(dòng)半物理試驗(yàn)控制試驗(yàn)臺(tái)主控界面圖

(1)斜坡轉(zhuǎn)角試驗(yàn)

試驗(yàn)中以0～90°風(fēng)帆轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)0～200 mm油缸行程，故轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.45°/mm，分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為風(fēng)帆轉(zhuǎn)角位移及轉(zhuǎn)角速度來(lái)闡述。圖11是將實(shí)際變化風(fēng)力負(fù)載加載到風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)里，風(fēng)帆轉(zhuǎn)角是按斜坡運(yùn)行，第5 s開(kāi)始，先從0°到40°運(yùn)行40 s，停30 s后再回縮運(yùn)行30 s后達(dá)到20°后停止，此過(guò)程按常規(guī)PID控制來(lái)運(yùn)行?？梢钥闯觯河捎谑前唇o定的斜坡轉(zhuǎn)角運(yùn)行，沒(méi)有控制速度，所以速度一開(kāi)始就快速運(yùn)行到一定值，然后波動(dòng)運(yùn)行，快到轉(zhuǎn)角最大值時(shí)速度又有一個(gè)大的變化，在常規(guī)PID控制下波動(dòng)直到速度為零，在這個(gè)運(yùn)行過(guò)程中跟蹤轉(zhuǎn)角有滯后，大約滯后7 s才穩(wěn)定達(dá)到所需轉(zhuǎn)角；在回縮過(guò)程中，開(kāi)始時(shí)速度也有一定的波動(dòng)，直到以穩(wěn)定的速度運(yùn)行，在達(dá)到所需角度時(shí)波動(dòng)運(yùn)行直到停止。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程是在統(tǒng)一不變的PID參數(shù)及伺服閥放大系數(shù)條件下進(jìn)行。對(duì)于大負(fù)載，實(shí)際可以通過(guò)調(diào)整PID參數(shù)值加以改善，但往往需要在實(shí)際運(yùn)行中逐步調(diào)整，這是常規(guī)控制不足的地方。運(yùn)行過(guò)程中，在啟停過(guò)程中速度變化波動(dòng)較大，容易產(chǎn)生速度沖擊，對(duì)于高度比較高、重心比較高的風(fēng)帆本體來(lái)說(shuō)，速度變化過(guò)大容易造成機(jī)構(gòu)損壞，加速控制部件磨損和消耗，所以必須對(duì)風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，以改善其運(yùn)行狀態(tài)。

圖11 常規(guī)PID控制下不同負(fù)載力階躍轉(zhuǎn)角試驗(yàn)曲線

(2)轉(zhuǎn)角/速度單神經(jīng)元控制試驗(yàn)

按照所提出的風(fēng)帆轉(zhuǎn)角/速度單神經(jīng)元復(fù)合控制策略，采用梯形速度規(guī)劃運(yùn)行，以平均風(fēng)帆轉(zhuǎn)角速度為3°/s進(jìn)行轉(zhuǎn)角從0°到40°再返回到0°的運(yùn)行試驗(yàn)。其中速度前饋系數(shù)設(shè)定為9.5，單神經(jīng)元的比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率分別設(shè)置為0.68、0.45、0.12，神經(jīng)元的比例系數(shù)設(shè)置為15。圖12顯示了試驗(yàn)轉(zhuǎn)角、試驗(yàn)轉(zhuǎn)角速度以及相應(yīng)的規(guī)劃轉(zhuǎn)角與規(guī)劃轉(zhuǎn)角速度曲線?？梢钥闯觯喊凑找?guī)劃的風(fēng)帆轉(zhuǎn)角速度曲線運(yùn)行，風(fēng)帆系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角位移基本上與規(guī)劃曲線保持一致，速度也相對(duì)平穩(wěn)，只是在達(dá)到最大速度時(shí)略有超調(diào)，但是很快就恢復(fù)到最大穩(wěn)定速度。油缸伸出和回縮速度有局部的不對(duì)稱是系統(tǒng)差動(dòng)缸本身的原因造成的，但風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了此原因，相對(duì)已經(jīng)得到改善，伸出和回縮都得到了很好的控制效果，達(dá)到了消除風(fēng)帆控制過(guò)程中的速度沖擊。

圖12 轉(zhuǎn)角/速度單神經(jīng)元復(fù)合控制試驗(yàn)曲線

5 結(jié)論

為穩(wěn)定準(zhǔn)確控制風(fēng)帆轉(zhuǎn)角位置，根據(jù)所設(shè)計(jì)的風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)控制液壓系統(tǒng)原理，提出了風(fēng)帆轉(zhuǎn)角/速度單神經(jīng)元復(fù)合控制方案；利用AMESim軟件建立液壓系統(tǒng)仿真模型，同時(shí)采用MATLAB/Simulink軟件設(shè)計(jì)了單神經(jīng)元控制器，建立了風(fēng)帆轉(zhuǎn)角/速度單神經(jīng)元復(fù)合控制聯(lián)合仿真模型，并進(jìn)行了聯(lián)合仿真及實(shí)驗(yàn)研究。研究表明：

(1)采用復(fù)合控制可以克服常規(guī)控制中出現(xiàn)的壓力波動(dòng)及啟停時(shí)的液壓沖擊。

(2)在不同轉(zhuǎn)角速度及不同風(fēng)力負(fù)載條件下，風(fēng)帆能較好地按照規(guī)劃的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)控制，且轉(zhuǎn)動(dòng)角度也能按照規(guī)劃的位移曲線平穩(wěn)運(yùn)行，體現(xiàn)了復(fù)合控制的有效性。

(3)采用復(fù)合控制可以提高風(fēng)帆轉(zhuǎn)角的控制精度及穩(wěn)定性，表明該控制方案在風(fēng)帆驅(qū)動(dòng)控制中的有效性和可靠性，可以為風(fēng)帆助航船的風(fēng)帆控制提供技術(shù)支持。