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75 船舶高速液压舵机系统设计与仿真船舶高速液压舵机系统设计与仿真 姚庆涛1，秦伟然1，许君琳2（1.上海船舶设备研究所，上海 200031；2.海军装备部装备审价中心，北京 100071）摘摘 要：要：进行船舶高速液压舵机系统设计，介绍系统基本结构与原理，重点对高速舵机进行设计要素分析及系统仿真，采用前馈控制策略，并对系统的动态响应及频率特性等进行分析。结果表明：该设计满足性能指标要求。关键词：关键词：船舶液压舵机；高速舵机；前馈控制 中图分类号：中图分类号：U664.4+1 文献文献标志标志码：码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2023.03.017 Design and Simulation of Marine High Speed Hydraulic Steering Gear Control System YAO Qingtao1,QIN Weiran1,XU Junlin2(1.Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China;2.Equipment Valuation Center,Naval Equipment Department,Beijing 100071,China)Abstract:The marine high speed hydraulic steering gear control system is designed,the basic structure and principle of the system are introduced,the analysis of the design elements and system simulation of high speed hydraulic steering gear are focused on,the feedforward control strategy is adopted,and the dynamic response and frequency characteristics of the system are analyzed.The results show that the design meets the performance index requirements.Key words:marine hydraulic steering gear;high speed steering gear;feedforward control 0 引言引言 随着舰船机动性需求的不断提高，现代舰用舵机装置的性能参数也在朝着高速性、灵敏性方向发展，对液压舵机的受力性能、控制方式、减振降噪和精细化设计等提出了更高的要求。常规舵机与高速舵机主要技术性能对比如表1所示。由表1可知，高速舵机对舵速有较高要求，并且要求实现舵角的精确控制时，系统应无超调、无振荡，这就对系统的动态性能和控制策略提出更高的要求。表 1 常规舵机与高速舵机性能对比表 性能 常规舵机 高速舵机 输出总扭矩/(kN m)300 300 最大转舵角/()(35 0.5)(35 0.5)舵速/()/s 单机组时2.3 双机组时4.6 单机组时5.0 双机组时10.0 控制精度 0.6 1.0 作者简介：姚庆涛（1984），男，硕士、高级工程师。研究方向：舰船甲板机械。76 Researchcademic 技术交流 A 1 系统结构系统结构 航向操纵控制系统结构1如图1所示，该系统由2个闭环控制环节组成，其中：船舶航向控制环节是以指令航向作为输入，罗经检测出的船舶实际航向作为反馈，该闭环控制对象为船的航向；舵角位置控制环节是以舵角指令作为输入，舵角反馈机构检测出的实际舵角值作为反馈，该闭环控制对象为舵的位置。+-舵角位置舵角位置控制器控制器液压系统液压系统推舵机构推舵机构舵舵舵角反馈机构舵角反馈机构船舶航向船舶航向控制器控制器+-罗经罗经船舶船舶指令指令航向航向反馈反馈航向航向舵角舵角指令指令舵角位置控制环节舵角位置控制环节船舶航向船舶航向控制环节控制环节扰动扰动液压舵机液压舵机研究范围研究范围 图 1 航向操纵控制系统结构 当指令航向改变或海浪、洋流等干扰因素的影响造成船舶航向发生偏离时，罗经反馈回的实际航向与指令航向将产生航向偏差信号，该偏差信号送入船舶航向控制器，经运算后得出舵叶所需转动的角度。船舶航向控制器将该角度值作为指令信号传递到舵角位置控制环节；舵角位置控制器将舵角指令信号与舵角反馈值进行比较运算，得出液压系统控制参数；液压系统驱动推舵机构转动，带动舵叶转到所需的角度，从而使船舶改变航向2。2 舵机工作原理介绍舵机工作原理介绍 该舵机进行舵角位置随动控制，液压系统采用电比例泵控型式，主泵的排量可以根据比例阀的开度进行无级调节，随动控制原理简图见图2。本系统具备常规转舵速度和高速两种模式，对应不同的排量控制。图 2 舵机随动控制原理简图 舵机通电启动后，舵机启动箱给电动机配电，电动机带动油泵转动。不操舵时，控制器不向比例阀发出控制信号，此时比例阀和主泵变量机构均处于零位，主泵虽转动但不往外排油，舵不转动。操舵时，控制器将接收到的舵角指令信号与采集到的舵角反馈信号进行比较，经运算处理后向比例阀输出相应的控制信号，使比例阀打开一定的开度，这样伺服泵输出的伺服油液便可通过比例阀调节后进入到主泵的变量活塞中，使其成比例地移动，从而驱动变量斜盘偏转至相应倾角，主泵排油口即向推舵机构输出压力油带动舵转动。77 随着实际舵角和指令舵角之间差值减小，主泵在控制器作用下逐渐减小排量至不再排油，从而完成随动操舵。此时机组处于空转的待操舵状态。泵控原理见图3。操舵时，控制器向比例阀发出控制信号动作，伺服泵输出的伺服油液经过比例阀调节后进入主泵变量机构中，驱动变量油缸成比例移动，进而带动斜盘偏转，主油泵相应的高压口侧开始排油。随着实际舵角和指令舵角间差值减小，油泵排量逐渐减小，最终不再排油，阀组也相应复位。图 3 泵控原理图 3 高速液压舵机设计要素分析高速液压舵机设计要素分析 液压舵机的高速实现与变量泵的输出功率紧密相关，而舵机的正弦舵角控制与泵控系统输出功率和系统的最低固有频率密切相关。3.1 满足设计功率、不满足频率满足设计功率、不满足频率 满足设计功率、不满足频率条件下的舵机转舵性能分析如图4所示。(a)阶跃信号输入响应曲线 (b)正弦输入信号响应曲线 图 4 功率满足条件下常规控制下舵机响应曲线 78 Researchcademic 技术交流 A 由图4可见，正弦转舵幅值衰减90%，同时，舵速也不能高速达到设定转舵速度。其原因是舵机系统频响低，响应慢。可通过增加前馈控制的方法，使舵机实现一定的高速转舵和跟随正弦信号进行转舵，但能力有限。也就是说，在舵机排量和缸出力足够的情况下，通过控制器设计可实现高速转舵和跟随正弦信号进行转舵。在功率满足的条件下，增加前馈后舵机响应曲线，见图5。(a)阶跃信号输入响应曲线 (b)正弦输入信号响应曲线 图 5 功率满足条件下增加前馈后舵机响应曲线 常规PID控制下，转舵响应非常慢，无法实现高速及跟随正弦信号进行转舵。在舵机排量和缸出力足够的情况下，增加前馈可实现高速全转舵和跟随正弦信号进行转舵，但无法实现精确转舵定位，同时，也存在一定的响应滞后。3.2 满足设计频率、不满足功率满足设计频率、不满足功率 满足设计频率、不满足功率条件下的舵机转舵性能分析如下。1）缸出力满足、变量泵输出流量不满足条件的情况分析见图6。(a)阶跃信号输入响应曲线 (b)正弦输入信号响应曲线 图 6 泵输出流量不够时油缸响应曲线 由图6可见：泵的输出流量不够时，无法实现高速转舵；跟随正弦信号转舵时，近似为三角波。因此，舵机频率满足要求、输出推舵力足够大（满足正弦和高速运行推舵力要求）、但舵机输出流量不足时，不能实现高速转舵以及跟随正弦信号进行转舵。2）变量泵输出流量足够、缸出力不满足条件的情况分析见图7。79 (a)阶跃信号输入响应曲线 (b)正弦输入信号响应曲线 图 7 舵机输出力不够情况下油缸响应曲线 由图7可见，在舵机系统频率大于正弦频率、输出流量足够、输出力不足的条件下，可实现高速舵机转舵，但无法跟随正弦信号进行转舵。3）变量泵输出流量和缸出力均不满足条件的情况分析见图8。(a)阶跃信号输入响应曲线 (b)正弦输入信号响应曲线 图 8 舵机输出流量和输出力均不够情况下油缸响应曲线 由图8可见，频率满足要求、舵机输出流量和输出力不满足要求时，舵机无法实现高速和跟随正弦信号转舵。3.3 满足设计功率和频率满足设计功率和频率 满足设计功率和频率条件下，舵机转舵性能分析见图9。80 Researchcademic 技术交流 A (a)阶跃信号输入响应曲线 (b)正弦输入信号响应曲线 图 9 功率和频率均满足条件下舵机响应曲线 由图9可见，实现舵机高速转舵控制和正弦舵角控制必须满足2个条件：1）所有运行工况下，泵控系统瞬时输出功率负载瞬时功率。2）舵机系统的最小固有频率正弦信号频率。4 伺服前馈控制策略伺服前馈控制策略 对于建立精确数学模型比较困难的系统，常规PID控制算法效果有限，因此针对复杂、滞后的舵机系统采用速度前馈和位置反馈联合控制的控制策略。前馈控制是指在控制系统中，根据设定值或者外界干扰的变化产生合适的控制作用去改变操纵变量，使受控变量维持在设定值上的一种控制方法，是补偿反馈的一种简单而有效的手段。前馈控制与反馈控制相比能更加及时地进行控制，并且不改变原闭环系统的稳定性，不受系统滞后的影响3。伺服控制原理如图10所示。图 10 伺服控制原理图 在操舵开始和转舵过程中，前馈起主导作用控制运行速度，控制舵机以期望的速度高速运行，使舵机有较好的动态运行特性。在到达期望舵角值附近位置时，反馈闭环控制起作用，以确保舵角的控制精度且很好地抑制外部扰动。流动液体及惯性作用通常产生液压冲击。液压舵机系统在操舵停止或换向时，为了减缓液压冲击，在接近指令舵角位置（减速开始位置）以及反向操舵开始时，分别采用不同分段PID控制，根据实时采样的舵角指令及舵角反馈值，计算出变化率，自整定合适的P、I、D参数来平衡缓冲起、停舵，减缓超调及快速响应的要求。操舵过程中舵角、舵速与时间的运行曲线见图11，通过实时调整P、I、D参数，系统的动态响应及稳态精度均达到最佳效果。81 舵速舵速/（/s）舵角舵角/（）时间时间/s舵速舵速舵角舵角 图 11 舵角、舵速与时间的运行曲线示意图 5 舵机性能仿真与分析舵机性能仿真与分析 液压舵机系统是一种典型非线性、时变、滞后的多环节耦合系统，外部负载复杂多变，操舵规律也不固定，并且伴随使用过程中不断磨损及机械间隙的不确定，其机理的描述和模型化变得异常复杂，常规PID控制很难达到满意的控制效果，往往出现长时间使用后的舵角精度偏移、舵角振荡等现象，影响操舵效果4。为获取较好的动态特性，本文采用了舵角模糊PID进行参数自整定控制，通过MATLAB建立液压舵机系统仿真模型，如图12所示。仿真与分析如下。图 12 液压舵机系统仿真模型 1）系统频率特性分析 舵机转角三角函数5可描述为 1sin()At （1）式中：为舵机转角；A1为舵机转角幅值；为舵机转角频率，=2f，f为舵机转舵频率；为舵机初始相角。由此可得舵机转速为 112 AfA （2）正弦信号幅值为 12Af （3）受实际工况影响，系统流量不可能无限放大，该舵机单机组速度不低于5()/s，双机组速度不低于10()/s，即单机组工作时为5()/s，舵机激励信号频率与转舵幅值关系见表2，相应舵机响应曲线见图13。表 2 单机组舵机转舵参数表 频率 f/Hz 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 幅值 A1/()3.98 2.65 1.99 1.59 1.33 1.14 (a)0.2 Hz 正弦响应曲线 (b)0.3 Hz 正弦响应曲线 图 13 单机组正弦响应曲线 82 Researchcademic 技术交流 A (c)0.4 Hz 正弦响应曲线 (d)0.5 Hz 正弦响应曲线 (e)0.6 Hz 正弦响应曲线 (f)0.7 Hz 正弦响应曲线 图 13 单机组正弦响应曲线 双机组工作时舵机最大转舵速度为10，即为10()/s。双机组舵机激励信号频率与转舵幅值关系见表3，相应舵机响应曲线见图14。表 3 双机组舵机转舵参数表 频率 f/Hz 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 幅值 A1/()7.96 5.31 3.98 3.18 2.65 2.27 (a)0.2 Hz 正弦响应曲线 (b)0.3 Hz 正弦响应曲线 (c)0.4 Hz 正弦响应曲线 (d)0.5 Hz 正弦响应曲线 (e)0.6 Hz 正弦响应曲线 (f)0.7 Hz 正弦响应曲线 图 14 双机组正弦响应曲线 83 综上所述，在保证舵机最大转舵速度时，舵机在单机组和双机组正弦信号激励下均具有较好的跟踪性能，幅值衰减均小于5%；在频率为0.7Hz时，系统相位滞后约20.16。2）舵机系统精度 一对柱塞缸作业时，暂不考虑电器分辨力和其他干扰的影响，阶跃响应结果见图15，稳态精度为0.17，满足精度指标要求。图 15 舵机系统阶跃响应曲线 6 结论结论 本文重点描述了船舶高速舵机设计要素，采用前馈控制策略，可以明显提高系统的响应速度，同时减小跟随误差的振荡幅度，提升高速舵机系统的伺服控制性能，为实船装配提供理论基础。参考文献：参考文献：1 邓琦,邓攀,邱大宝.一种新型船舶舵机系统建模与控制研究J.船舶工程,2013,35(6):80-83.2 周伟,王平军.基于模糊 PID 的液压舵机动态仿真J.机床与液压,2010,35(9):222-223.3 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