船用舵機(jī)水動(dòng)力負(fù)載模擬裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船用舵機(jī)水動(dòng)力負(fù)載模擬裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大流量負(fù)載模擬系統(tǒng)的研究船舶過載模擬是一種表面半實(shí)物模擬設(shè)備，用于模擬駕駛員的外部負(fù)荷。舵機(jī)在水下所受負(fù)載較復(fù)雜,有水動(dòng)力、摩擦力、慣性力等。用于模擬此類負(fù)載的加載系統(tǒng)一般都具有慣量大、負(fù)載流量大、所需出力大的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)對(duì)此類被動(dòng)加載的問題有過一些研究,例如利用雙閥并聯(lián)控制來解決大流量和加載中多余力的問題;再如采用液壓慣性系統(tǒng)來模擬舵面大慣量負(fù)載。上述兩種方法采用了液壓缸驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)作為慣性負(fù)載來模擬打舵時(shí)的慣性力,有效地解決了加載時(shí)負(fù)載大流量引起的干擾和多余力的問題,但存在著液壓傳動(dòng)和控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜的不足。還有采用液壓伺服閥和差動(dòng)缸的方法實(shí)現(xiàn)舵機(jī)動(dòng)態(tài)加載的系統(tǒng)。由于上述系統(tǒng)均采用大流量的電液伺服閥,系統(tǒng)的成本較高,并且耐污染程度較低。本文所研究的舵機(jī)負(fù)載模擬器,包括慣性加載和水動(dòng)力加載兩部分。慣性加載是通過等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盤實(shí)現(xiàn),水動(dòng)力加載是通過基于比例溢流閥的加載回路實(shí)現(xiàn),避免了大流量電液伺服閥的使用。1比例溢流閥的結(jié)構(gòu)及原理所研究的舵機(jī)負(fù)載模擬器,對(duì)水動(dòng)力加載特性有如下要求:按舵葉轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)動(dòng)方向進(jìn)行水動(dòng)力加載;舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)停止時(shí)按恒定力加載;舵葉回中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)停止加載。根據(jù)以上要求,設(shè)計(jì)的水動(dòng)力加載裝置液壓系統(tǒng)如圖1所示。該液壓系統(tǒng)主要由以下兩個(gè)回路組成:(1)加載回路加載回路由恒壓變量泵2、單向閥9、精密過濾器10、溢流閥11、節(jié)流閥12、蓄能器17、比例溢流閥14、液動(dòng)換向閥18、旁通球閥20、溢流閥21以及加載缸22組成。當(dāng)舵機(jī)液壓缸24驅(qū)動(dòng)舵軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),加載缸22通過連接機(jī)構(gòu)23提供阻力模擬水動(dòng)力負(fù)載,連接機(jī)構(gòu)上裝有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盤來模擬慣性負(fù)載。通過控制比例溢流閥14的溢流壓力來控制加載液壓缸被拖動(dòng)時(shí)的背壓,從而控制了主動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)時(shí)的負(fù)載力。恒壓變量泵的作用是當(dāng)舵機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),經(jīng)過節(jié)流閥12向比例溢流閥提供所需要的最低工作流量。所以,變量泵2選用高壓小排量的恒壓變量泵,變量泵的設(shè)定壓力為21MPa。(2)補(bǔ)油回路補(bǔ)油回路由低壓大排量葉片泵6、精密過濾器16、溢流閥15以及單向閥19組成。補(bǔ)油回路的作用是當(dāng)加載液壓缸被動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí),為體積增大的一腔補(bǔ)油。故補(bǔ)油回路中的葉片泵為低壓大流量壓力源,溢流閥15的設(shè)定壓力為0.5MPa。系統(tǒng)采用高壓小排量泵和低壓大排量泵構(gòu)成液壓動(dòng)力源,具有功耗低、效率高的特點(diǎn)。同時(shí),系統(tǒng)避免了復(fù)雜的液壓慣性系統(tǒng)的存在和成本較高的電液伺服閥的使用,結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)。2控制方法和效果根據(jù)以上設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)和工作要求,設(shè)計(jì)出如圖2所示的控制系統(tǒng)。2.1水動(dòng)力負(fù)載計(jì)算根據(jù)舵機(jī)液壓缸活塞桿的位移量和舵機(jī)的幾何關(guān)系,可以計(jì)算出舵角的大小。函數(shù)發(fā)生器是根據(jù)舵角的大小,得到舵軸在該位置所受到的水動(dòng)力負(fù)載的信號(hào)發(fā)生器。系統(tǒng)工作時(shí),將實(shí)測(cè)的舵角——水動(dòng)力負(fù)載的對(duì)應(yīng)值,以合適的間隔添加到函數(shù)發(fā)生器中,得到一個(gè)不同舵角對(duì)應(yīng)不同水動(dòng)力負(fù)載的表格。當(dāng)函數(shù)發(fā)生器通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得舵軸的當(dāng)前舵角后,通過查表或線性插值得到水動(dòng)力負(fù)載的值。艦船實(shí)際航行時(shí),在不同的速度下,有不同的舵角——水動(dòng)力負(fù)載關(guān)系曲線。因此,函數(shù)發(fā)生器可以發(fā)生多個(gè)航速下不同舵角對(duì)應(yīng)的水動(dòng)力負(fù)載值信號(hào)。同時(shí),為了滿足“舵機(jī)回中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不加載”的工作要求,函數(shù)發(fā)生器還需要對(duì)液壓缸的位置變化進(jìn)行判斷。當(dāng)函數(shù)發(fā)生器判斷舵軸向靠近中位的方向運(yùn)動(dòng)時(shí),函數(shù)發(fā)生器的水動(dòng)力負(fù)載的理論值直接輸出零。若是判斷為遠(yuǎn)離中位方向,則函數(shù)發(fā)生器輸出正常值。通過上面得到的水動(dòng)力負(fù)載值,可以算出加載腔應(yīng)該控制的理論壓力值。計(jì)算公式如式(1)所示:p=F/A+p1(1)p=F/A+p1(1)式中,F為理論需要加載的水動(dòng)力負(fù)載;A為液壓缸活塞實(shí)際受力面積;p1為液壓缸另一腔壓力,壓力值由壓力傳感器測(cè)得。2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析以計(jì)算得到的壓力值作為理論壓力值進(jìn)行閉環(huán)控制,本系統(tǒng)實(shí)際為一個(gè)電液力控制系統(tǒng)。對(duì)于電液力控制系統(tǒng),要保持一定的輸出力就要求電液閥有一定的控制電壓,因此該系統(tǒng)是一個(gè)零型有差系統(tǒng)。比例溢流閥的溢流壓力與輸入電壓信號(hào)近似呈比例關(guān)系,要保持一定的負(fù)載力必須要有一定的輸入電壓。若用普通的PID控制,要維持系統(tǒng)的輸出力,誤差的積分必須始終存在,并起主要作用。由控制理論知道,積分環(huán)節(jié)雖然可以消除系統(tǒng)靜差,但它將使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程變慢,而且過強(qiáng)的積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞。為了能夠消除較大的跟隨誤差,同時(shí)為了避免過大的積分造成的不利影響,本系統(tǒng)采用速度前饋加閉環(huán)比例控制的方法,控制原理如圖3所示。該方法中,比例溢流閥總的控制電壓U=U1+U2(2)U=U1+U2(2)前饋控制電壓U2在動(dòng)態(tài)跟隨中起主要作用;閉環(huán)控制電壓U1起微調(diào)的作用,相當(dāng)于PID控制器用誤差消除誤差的原理。因此,比例溢流閥輸入電壓與溢流壓力之間的關(guān)系準(zhǔn)確與否,決定實(shí)際控制效果的好壞。在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)本系統(tǒng)所使用的比例溢流閥進(jìn)行反復(fù)標(biāo)定,得到如圖4所示的溢流壓力與輸入電壓的關(guān)系曲線。由圖4可以看到,比例溢流閥在上升和下降兩個(gè)階段其溢流壓力與輸入電壓值呈線性關(guān)系,但是存在著明顯的滯環(huán)。通過直線擬合可以得到式(3)和(4)中的K和b值,從而可以得到比例溢流閥控制電壓U和溢流壓力p之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式:p上=K1U+b1(3)p下=K2U+b2(4)p上=Κ1U+b1(3)p下=Κ2U+b2(4)由于U和p在上升和下降階段分別滿足不同的關(guān)系式,因此在控制器中需要對(duì)理論壓力值的變化方向進(jìn)行判斷,采用非對(duì)稱的變換關(guān)系式。當(dāng)理論壓力值增大時(shí),前饋控制器應(yīng)用關(guān)系式(3);當(dāng)減小時(shí),前饋控制器則應(yīng)用關(guān)系式(4)。2.3動(dòng)態(tài)跟蹤性能圖5是綜合使用前饋控制與比例控制時(shí)的實(shí)際控制效果。由于三角波是一種變化較劇烈的波形,用它可以充分地試驗(yàn)加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟隨性能。由圖5可以看到,實(shí)際曲線除在壓力轉(zhuǎn)折點(diǎn)處有略微振蕩外,其余跟隨良好。由于前饋控制過程中壓力的控制值是根據(jù)變化趨勢(shì)選用式(3)或式(4),所以控制壓力在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處出現(xiàn)幅值較小的振蕩。船用舵機(jī)在實(shí)際工作過程中,不會(huì)出現(xiàn)如此劇烈的變化工況,所以本控制策略對(duì)船用舵機(jī)的實(shí)際應(yīng)用不會(huì)帶來額外振動(dòng)等不利影響。3壓力和速度的控制本文主要對(duì)某種舵機(jī)的水動(dòng)力負(fù)載模擬系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)進(jìn)