（车辆工程专业论文）电动液压舵的自动控制设计.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 电动液压舵在操舵十分频繁、转舵力矩非常巨大的情况下，具有较高的可靠性。由 于可以采用较高的油压，电动液压舵机具有尺寸小、噪音低、反应灵敏、准确性高等优 点，已被广泛使用在各类船舶上。 目前，国内电动液压舵的产品已经非常成熟，而它的自动控制系统则有待我们不断 地深入研究和改进。对自动舵来说，其安全性、经济性是重要的，而设计一种高可靠性、 高航向精度的控制系统则更为重要。 现行电动液压舵的自动控制系统基本上都是采用比例积分微分( p i d ) 控制。常规 的p i d 自动舵虽然也能满足船舶操纵的基本要求，但它的p i d 控制参数不能随船况、 海况的变化而自动整定，导致p i d 自动舵在实际使用中性能欠佳。基于这些缺点以及 p l c 控制技术飞速发展的背景，本文提出了“p l c + 触摸屏”这样一种既经济又可靠的 能在线整定p i d 参数的自动控制方案，并详细分析了这种系统的控制要求。根据要求， 对系统的软、硬件结构进行系统而全面的分析与设计。 首先，论文给出了选题的背景及意义，讨论了自动舵及p i d 舵目前的发展状况，以 及需要解决的问题，并给出了本论文需要完成的主要工作。接着分析了电动液压舵的控 制流程、工艺要求和当前的各种控制方案，通过分析给出了p i d 控制的总体设计方案。 其次，论文对控制系统特征进行分析，结合p i d 的控制技术，设计出系统的硬件原 理图，并对其中的控制电路进行了较为详细的介绍，并对设计的优越性作了简要阐述。 最后，论文对程序和人机交互界面进行了全面的探讨，对实际航向、p i d 参数、天 气因素、航向允差等控制参数进行有效控制，在触摸屏上可以看到实际航向、整定舵角、 反馈舵角等各变量的实际变化。通过模拟调试和实船试验，表明控制系统能正确地显示 在界面上。 关键词：电动液压舵；p i d 控制；在线自整定；人机交互界面 电动液压舵的自动控制设计 d e s i g no fe l e c t r o h y d r a u l i ca u t o m a t i cc o n t r o l o ft h er u d d e r a b s t r a c t e l e c t r o - h y d r a u l i cs t e e r i n gi sv e r yf r e q u e n ti nt h es t e e r i n g , s t e e r i n gt o r q u ei sv e r yl a r g e e a s e s ，w i t hh i g hr e l i a b i l i t y b e c a u s ey o u c a l lu s eah i g h e rh y d r a u l i c ，e l e c t r o - h y d r a u l i cs t e e r i n g g e a rw i t has m a l ls i z e ，l o wn o i s e ，r e s p o n s i v e ，h i g ha c c u r a c ya d v a n t a g e s ，h a sb e e nw i d e l yu s e d i nv a r i o u st y p e so f s h i p s a tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i ce l e c t r o - h y d r a u l i cs t e e r i n gp r o d u c t sa l ev e r ym a t u r e , a n di t s a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi st ob ew ea r ec o n t i n u a l l yi n - d e p t hs t u d ya n di m p r o v e m e n t o nt h e a u t o p i l o t , i t ss a f e t y , e c o n o m yi si m p o r t a n t ，b u td e s i g n i n gah i g hr e l i a b i l i t y , h i g hh e a d i n g a c c u r a c ya n dc o n t r o ls y s t e mi sm o r ei m p o r t a n t 1 1 1 ee x i s t i n ge l e c t r o - h y d r a u l i cr u d d e rc o n t r o ls y s t e ma r eb a s i c a l l yp r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d e r i v a t i v e ( p i d ) c o n t r 0 1 a l t h o u g ht h ec o n v e n t i o n a lp i da u t o p i l o tc a na l s ob em a n i p u l a t e dt o m e e tt h eb a s i cr e q u i r e m e n t so ft h es h i p ，b u ti tc a l ln o tb eo n b o a r dp i dc o n t r o lp a r a m e t e r s c o n d i t i o n s ，s e as t a t ec h a n g e si na u t o t u n i n g , r e s u l t i n gi np da u t o p i l o tf o rp o o rp e r f o r m a n c ei n a c t u a lu s e b a s e do nt h e s es h o r t c o m i n g s ，a sw e l la st h er a p i dd e v e l o p m e n to fp l cc o n t r 0 1 t e c h n o l o g yb a c k g r o u n d , t h i sp a p e rp r e s e n t s ”p l c + t o u c hs c r e e n , s u c ha ne c o n o m i c a la n d r e l i a b l ee n e r g yo n l i n et u n i n gp i dp a r a m e t e r so ft h ea u t o m a t i cc o n t r o lp r o g r a ma n dad e t a i l e d a n a l y s i so f t h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so fs u c has y s t e m u p o nr e q u e s t ，t h es y s t e ms o f t w a r ea n d h a r d w a r es t r u c t u r eo ft h es y s t e m a t i ca n dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n dd e s i g n f i r s t , t h ep a p e rg i v e st h eb a c k g r o u n da n dt h et o p i c so fs i g n i f i c a n c et od i s c u s st h ep i d a u t o r u d d e ra n dr u d d e rc u r r e n ts t a t eo f d e v e l o p m e n t ，a sw e l la st h en e e dt oa d d r e s st h ep r o b l e m ， a n dg i v e st h i sp a p e rt h em a j o rw o r kn e e d st ob ed o n e t h e na n a l y z e dt h ee l e c t r o h y d r a u l i c s t e e r i n gg e a rc o n t r o lp r o c e s s ，p r o c e s sr e q u i r e m e n t sa n dp r e s e n ta v a r i e t yo fc o n t r o lp r o g r a m s , t h r o u g h t h ea n a l y s i sg i v e st h eo v e r a l ld e s i g no ft h ep i dc o n t r o lp r o g r a m s e c o n d l y , t h ep a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ec o n t r o ls y s t e m , c o m b i n e d w i t hp i d c o n t r o lt e c h n o l o g yt od e s i g nt h es y s t e m sh a r d w a r es c h e m a t i c s ，a n dc o n t r o lc i r c u i ti nw h i c h a m o r ed e t a i l e dd e s c r i p t i o n ，a n dt h es u p e r i o r i t yo ft h ed e s i g na r eb r i e f l yd e s c r i b e d f i n a l l y ，t h e t h e s i so f h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ep r o c e d u r e s a n dc o n d u c t e da c o m p r e h e n s i v es t u d yo ft h ea c t u a lc o u r s e ，p i dp a r a m e t e r s ，w e a t h e r , c o u r s et o l e r a n c ec o n t r o l p a r a m e t e r ss u c ha se f f e ；c t i v ec o n t r o lo f t h et o u c hs c r e e ny o uc a ns e et h ea c t u a lc o u r s e ，r u d d e r a n g l es e t t i n g , f e e d b a c kr u d d e ra n g l ea n do t h e rv a r i a b l e so ft h ea c t u a lc h a n g e s t h r o u g h s i m u l a t i o nd e b u g g i n ga n dr e a lb o a tc o m m i s s i o n i n g , c o n t r o ls y s t e mt h a tc a l lb ec o r r e c t l y d i s p l a y e di nt h ei n t e r f a c e 大连理工大学专业学位硕士学位论文 k e yw o r d s - e l e c t r o h y d r a u l i cr u d d e r ；p i dc o n t r o l ；o n - l i n es e l f - t u n i n g ； m a n m a c h i n ei n t e r f a c e i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目电边速压艟鲍鱼边控剑遮i 土 作者签名 ：吾肇垂藿 一日期：止年之月座日 大连理丁大学专业学业位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：鱼碰痤丕叠亟舔蜀垂划逊 作者签名：子逢奎亟 日期： 岔全 年垡垌j l 日 导师签名：玛奚公叁毛 日期：4 年上月庄日 大连理1 二人学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景及意义 电动液压舵的自动控制系统，目前应用最普遍的是p i d 控制方式，它具有结构简单、 操作方便、鲁棒性好等优点。其p i d 控制参数在产品出厂时由生产厂家直接设定好，供 船方在航行中直接使用。但随着船舶吃水、航速、载重、船型等船况的变化和风、浪、 流等海况的变化，p i d 参数需要人工随时连续整定。而大多数船员缺乏整定p i d 参数的 丰富经验，导致操舵频繁，操舵幅度过大，从而产生明显的船舶推进附加阻力，增大了 舵机磨损。特别对海况高频的干扰，不能有效地处理，只能采用人工调节“死区 的方 法，因此降低了航行精度，带来舵机的额外能量消耗。随着计算机技术和测控技术的发 展，高可靠性、高自动化的p i d 在线自整定控制系统便成为p i e ) 自动舵的发展方向。 在p i d 控制系统中，系统的稳定性、数据采集处理的精确性、p i d 控制参数的合适 性直接影响船舶的安全性、经济性和航向精度。在各种营运成本日趋上涨的今天，p i d 控制系统的性能直接与船舶的营运效益紧密地联系在一起。因此，研究一种高可靠性、 高安全性的新型p i d 在线自整定控制系统便具有重大的现实意义和广阔的市场前景。 在线自整定控制系统是一个受多环节制约的复杂系统。其控制器及执行机构的可靠 性和精确性直接影响航向的精度。由于p l c 具有运算速度高、指令丰富、功能强大、 可靠性高、使用方便、编程灵活及抗干扰能力强等优点，使其成为工业自动化控制的主 要设备。由于其本身不具备人机交互功能，在工艺参数较多，需要人机交互时，使用具 有触摸功能的触摸屏便是很好的选择。通过触摸屏和p l c 的结合使用，可以在触摸屏 的操作画面中直接设定目标值，并可实时监控系统的各参数变化，实现报警功能，并可 利用通信接口与计算机连接。综上所述，本系统采用“p l c + 触摸屏 这样一种p i e ) 在 线自整定控制系统有着重要意义，适应当今技术发展潮流。 目前，我国经济正在持续快速发展，每年大量的对外贸易进出口货物都需要船舶来 运输，对传统p i d 舵的自动控制系统进行在线自整定改装，将极大提高自动舵的性能， 对船舶运营具有十分重大的经济效益和社会效益。 1 2 国外自动舵的发展现状 为了减轻操舵人员的劳动强度，提高航向精度，自动操舵系统便随之产生了。随着 自动控制理论和技术的发展，船舶自动舵也先后出现了机械式自动舵、p i d 自动舵、自 适应性自动舵和智能舵。 电动液压舵的自动控制设计 德国、美国先后于1 9 2 0 年、1 9 2 3 年各自独立地研制出机械式自动舵，它采用经典 控制理论中的比例放大控制规律。尽管很不完美，但它具有里程碑的意义，被称为第一 代自动舵。 日本、美国先后于1 9 5 0 年、1 9 5 2 年推出比例微分积分( p i d ) 控制的自动舵。它 们采用的都是p i d 控制规律，具有结构简单、参数易于调整、鲁棒性好等特点，因此， p i d 舵得到最广泛的认可，几乎所有船舶都装备这种操舵仪，被誉为第二代自动舵。 1 9 7 0 年以后，为应对经济危机并降低船舶营运成本，针对p i d 舵所存在的以确定 性数学模型为基础，控制参数不随船舶动态特性和扰动特性变化而自动改变的问题，欧 美等国的专家提出并开始研制自适应性自动舵，目前国外已有成熟的自适应性自动舵产 品。但它是以价值函数中的参数估算为基础，需要建立精确的扰动模型，算法繁琐，实 现成本高，加上船舶的非线性特性，控制效果和稳定性难以保证。自适应性自动舵被称 为第三代自动舵，它的应用不如p i d 舵广泛。 近几年来，在智能舵方面的研究有所发展。它是应用人工智能技术，根据特殊领域 知识和经验进行推理判断，模拟人类智能做决策和解决复杂问题。目前国外在智能舵上 的应用尚处于方案可行性论证及实验仿真阶段。 1 3 国内自动舵的发展现状 从1 9 7 0 年开始，我国一些高校和有关单位开展了对自动舵的理论研究与开发工作， 一些航海仪表厂家也独立或与研究所、高校合作开展自动舵的试制和生产，但大多仍以 仿制p i d 舵为主，现已研制并生产出比例微分( p d ) 控制的自动舵和比例积分微分 ( p d ) 控制的自动舵。出于商业原因，国外p i d 控制的关键技术参数都未公开发表， 致使自整定理论与实践在国内还处于理论分析和仿真实验阶段，使我国p i d 自动舵的整 体产品性能较国外同类产品为低。 我国对自适应性舵的研究起步较晚，从1 9 8 0 年起，有关高校和单位才开展对自适 应性舵的研究，先后发表一些论文、设计方案以及仿真结果和产品，但大多仅局限于理 论上，还没成熟的产品。我国在智能舵、航迹舵方面也处于理论研究阶段，都还没产品 化。 1 4pld 舵的控制方式 被广泛使用的p i d 自动舵，其控制方式有两种：一种是常规的印刷电路板型控制方 式，另一种是将p i d 控制和各种智能系统相结合能进行在线自整定的控制方式。 常规p i d 自动舵的控制单元是由半导体分立器件组成的若干块印刷电路板( p c b ) 构成，其自动控制系统如图1 1 所示。在船舶操纵过程中，船舶航向的设定和舵角的测 犬连理t 大学专业学位硕士学位论文 量，均由自整角变压器变换出交流信号，经印刷电路板上的相敏整流电路和微分电路进 入比较环节，得到偏航信号，经过放大触发可控硅，使p c b 上的继电器得电动作，控 制舵机油缸的左右两个电磁阀，使舵叶按要求的方向和角度偏转 设定航向 冈 f 发： 一惑 图1 1 常规p i d 自动舵的功能流程图 f i g 1 1 c o n v e n t i o n a lp i da u t o p i l o tf u n c t i o no ff l o w 应急操舵 基于p l c 的p i d 自整定控制系统是改进的在线自整定控制方式中的一种，其控制系 统如图1 2 所示。该控制系统主要由舵机系统的自整角线性电位器、电磁阀、舵角指示 器、可编程序控制器( p l c ) 、触摸屏等设备组成，它充分利用p l c 的编程功能，具 有极强的抗干扰性和很高的可靠性。可编程控制器是一级控制单元，根据航向偏差信号， 实现对电动液压舵的实时连续控制。触摸屏是二级控制单元，其作用是修改各种参数， 显示操舵流程，实现对偏舵的监控和管理。 干扰一 l鄄l尚劂t善 电动液压舵的自动控制设计 夏二一一f - ! ：1 一参数整定! 一彗一；j 卜苗 一呼器卜、一= = 二1 ，i产。嵩。 l苜：也! 。删。i l 十= 怛型 删 。 触嗡司 际航向i 摸一航向捅l 一 习l 壁角机i 屏i 燃i ! 黝翮隔积j 桷反馈i 一 i 自整喇哩角机r 一【 一 轮 图1 2 基于p l c 控制的p 1 d 自动舵功能流程图 f i g 1 2 c o n t r o lb a s e do i lp i , cf u n c t i o nf l o wc h a r to f p i da u t o p i l o t 应 急 操 舵 随着p l c 技术的飞速发展，硬件配置、软件编程、模拟量控制等方面均取得了长 足的进步，从而为电动液压舵的自动控制注入了前所未有的生机和活力。基于p l c 的 电动液压舵自动控制系统的设计与应用，已成为目前p 1 d 自动舵改造与应用的一个主要 发展趋势。 1 5 本文各章节内容安排及主要工作 第一章绪论。介绍选题的目的和意义，简要说明船舶自动舵的现状和发展趋势， 列出本文的主要工作。 第二章电动液压舵的液压系统总体方案设计。分析了电动液压舵液压系统的主要 结构组成和工作原理，全面论述了各有关参数的计算及各液压元件的选型。 第三章船舶操纵规律与p i d 自整定的原理及回路计算。介绍了船舶操纵模型和规 律，分析了p i d 控制中各参数的作用和p l c 中的p i d 回路算法。 第四章电动液压舵自动控制系统的硬件设计。根据确定的方案，对该方案的具体 硬件进行了详细选型。 大连理工大学专业学位硕十学位论文 第五章电动液压舵自动控制系统的软件设计。首先根据p i d 控制系统的工艺要求 和硬件设计，将自动化任务分解为能够反映工艺、功能和反复使用的子程序，通过设计 流程图和调用各子程序来完成整个自动控制任务。其次设计人机画面，最后通过模拟调 试和实船试验来检验整个系统功能。 第六章系统抗干扰措施。详细介绍了p l c 的输入、输出和电源保护处理系统的 接地措施。 通过本论文的工作，对传统p i d 舵进行改装，将p l c 技术与p i d 控制相结合，构 成一种基于p l c 的p i d 自动舵，在保持原有p i d 舵的灵活性以及输出控制量平稳和稳 态误差小的同时，极大地改进p i d 自动舵的性能。 电动液压舵的自动控制设计 2电动液压舵液压系统的总体方案设计 近年来，随着我国经济的不断发展和对外贸易量的不断扩大，船舶在外贸运输中发 挥着越来越重要的作用。船舶航行的关键是要有良好的安全性和较高的航向精度，因此， 维持和改变船舶航向的操舵装置则是保证船舶安全航行的关键设备。目前，船舶上装配 的操舵装置基本上都是电动液压舵机。 2 1电动液压舵机的有关参数计算 电动液压舵机，是根据油液的不可压缩性及其流量、油压和流向的可控性来实现转 舵的。它利用油液作为传递能量的介质，通过油泵把电能转化成油液的压力能，然后通 过转舵机构把压力能化成机械能，从而使舵叶向左或向右偏转。电动液压舵机主要包括 液压泵、驱动液压缸、各种液压控制阀件等设备。 2 1 1 舵叶受力分析 目前，船用舵最广泛使用的是流线型双支撑平衡舵，它具有对称的机翼形水平剖面， 部分舵叶面积在舵杆轴线前方，大部分舵叶面积在舵杆轴线后方，且沿着整个舵的高度 均匀分布。这种舵的升力系数高，阻力系数低，因此具有良好的水动力性能。把舵看成 机翼，转舵后，水流以速度v 和攻角a k 流过舵叶，将在其上作用水动力合力f ，其作用 点称压力中心。合力f 分成升力l 和阻力d ，或分解为法向力f n 和切向力f t ，如下图示： f n 亡_ 图2 1 舵叶受力图 f i g 2 1 r u d d e rb l a d eb yt r y i n gt o 图中：a k 是水流攻角；v 是水流速度；a 是舵杆中心至舵叶前缘距离； x p 是作用力中心至舵叶前缘距离：b 是舵叶宽度 大连理丁大学专业学位硕士学位论文 2 1 2 舵杆扭矩的计算 由图2 1 的舵叶受力图可知，平衡舵的舵杆扭矩为： m r = 目幸似p 一口) = ( 一c 木詈j 专p y 2 彳幸6 l 。m ( 2 1 ) 式中f n 是舵叶法向力x p 是作用力中心至舵叶前缘距离 力矩系数c m = c q a 是舵杆中心至舵叶前缘距离 b 是舵叶宽度p 是海水密度 v 是船速a 是淹没在水中的舵叶面积 压力中心系数c 尸= 竿法向力系数c = _ 尘l d 一1p v 2 a 2 。 全部淹没在水中的舵叶面积a 的计算公式为： a = t l l tm 2( 2 2 ) 式中i l 是舵面积系数l 是船舶水线长度t 是船舶满载吃水深度。 2 1 3 舵机功率的计算 转舵功率，是由舵头处的扭矩决定的，该处扭矩包括舵杆扭矩m r 和各舵承处产生 的摩擦力矩肘，。舵杆扭矩m r 因船舶吃水的不同而有所差别，吃水不同时，式( 2 1 ) 中淹没在水中的舵叶面积a 是不同的，计算舵机功率是按舵叶全吃水计算。各舵承的 摩擦力矩m ，因舵的类型、重量、安装的不同而异；双支撑平衡舵取m ，= 0 2 m r ， 则舵头处的扭矩为： 膨i l l 】= m 譬+ m 尸= 1 2 膨譬 ( 2 3 ) 则舵机功率为： 1 1 】：2 1 t * m * 6 * k = 0 0 1 7 4 m * 5 * k ：0 0 7 8 5 m r k w ( 2 4 ) 3 6 0 fr 一 式中6 是从左满舵到右满舵的舵角 t 是舵从一舷3 5 。转到另一舷3 5 。所需时间( t = 2 8s ) k 是克服惯性、波浪、蛇行、舵效等因素的补偿系数( 电动液压舵k = i 5 ) 2 2 舵机液压系统的原理图及分析 舵机液压系统如图2 2 所示，分左右两套油路，它们对称设计，对应元件型号完全 相同，可一套工作一套备用，或两套同时工作，合流供油。液压系统中，液压泵3 是一 个恒功率、大流量的变量泵，主要供给缸8 缸9 转舵用的高压油；减压阀4 将主油路的 电动液压舵的自动控制设计 一小部分油液经减压调整后，以合适的流量和压力供给电液阀5 ；电液阀5 是三位四通 电液换向阀；它在小流量的控制油流操纵下，改变大流量液压油的方向，进入不同的油 缸，从而产生所要求的偏舵方向和角度；舵机专用阀6 和双向溢流阀7 组成限速阀。 左 舷 舵杆 i ：i 上一_ i i ；咿 ，。阿； r ji ： c：o i 一 c一i j 川 r 邑 b j 牛j t j 丫 丫丫 。 l n f 一 r l r ，r l rr j f _ 1 一i l 一5 5i 州：lj 忡i 图2 2 舵机液压系统原理图4 1 f i g 2 2s t e e r i n gg e a rh y d r a u l i cs y s t e md i a g r a m 图中：1 是循环油箱；2 是精滤器；3 是液压泵；4 是减压阀；5 是电液阀； 6 是舵机专用阀；7 是双向溢流阀：8 是液压缸；9 是液压缸 左舷油路单独工作过程中，当电液阀5 的线圈d f l 得电时，电液阀5 处在左位，泵 3 排出的高压油经阀5 后，分成两路：一路经k i 使舵机专用阀6 移至a 位，另一路经舵 机专用阀6 直接进入缸9 ，缸8 回油经阀6 阀5 后回油箱。这样舵向左偏转。当舵角指 示器显示舵已左转到位时，电液阀5 断电回中位，使阀6 也回中位，舵被阀6 锁住。泵 3 排出的油液经阀5 直接回油箱卸荷。 舵在左舷位置时，若想回舵，则电液阀5 换至右位，泵3 排出的高压油经阀5 后， 也分成两路：一路经k 2 使舵机专用阀6 移至d 位，另一路经舵机专用阀6 直接进入缸 8 ，缸9 回油经阀6 阀5 后回油箱。 舵在液压力矩作用下回转，同时水动力也推舵回转。当回舵速度超泵3 排量所决定 的速度时，k 2 回路的压力下降，阀6 移至c 位，使缸9 回油节流，以防止回舵超速。当 大连理- t 大学专业学位硕士学位论文 舵受到海况及漂浮物的特大外负荷作用时，双向溢流阀7 开启，以防止系统过载。左右 两套油路同时工作时，两只电液阀同时换至左位或右位，两台主泵同时供油，使舵更快 地向左或向右偏转。 2 3 舵机液压系统各元件的选定 2 3 1 推舵油缸的选择 推舵油缸是将油液的压力能转变成机械能的推舵装置。向液压缸中通入液压油后， 柱塞产生往复运动，通过舵柄转动舵杆和舵叶。由于拨叉式推舵油缸采用叉杆连接，减 小了柱塞尺寸，减小了舵杆和两个油缸轴线间的距离，并使两个柱塞连为整体，使得拨 叉式推舵油缸在同功率的推舵油缸中，具有结构简单，制造安装方便、经济性好等优点。 因此，选拨叉式推舵油缸作为转舵的液压缸。拨叉式推舵油缸结构及受力分析如图2 3 所示。 p 2 图2 3 拨叉式推舵油缸受力分析图 f i g 2 3 f o r kf o r c ed i a g r a mp u s h - s t e e r i n gc y l i n d e r p 图中：a 是偏舵角；r 是舵杆中心和两个油缸轴线间的距离；p lp 2 是进出缸的油压 由图2 3 的油缸受力分析，得推舵油缸作用在舵杆头上的扭矩为： m k ：e 三r 。：堕竺堕 g o s 口 ：至d ：尸墨= k ：至! 皇：! ! 墨二当! ! 墨! 塾 n m( 2 5 ) 4c o s a4 c o s a 式中a 是转舵角r 是舵杆中心和两个油缸轴线间的距离d 是柱塞直径 r 。是推舵油缸的机械效率( 单舵0 8 0 - - 一0 8 5 ：双舵0 7 2 0 7 7 ) 电动液压舵的自动控制设计 由式( 2 5 ) 可知，转舵力矩随舵角的增大而增大，而舵效在3 2 。附近最大，超 过3 5 。后，舵效则随舵角增大而减小。因此，最大偏舵角度不超过3 5 。 力矩与舵角和舵效与舵角的关系如图2 4 所示： 图2 4 转舵力矩与舵角和舵效与舵角的关系图 f i g 2 4 h e l mt o r q u ea n dr u d d e ra n g l ea n dr u d d e ra n dt h er u d d e ra n g l ee f f e c td i a g r a m 2 3 2 推舵油缸柱塞行程s 、所需油量、油压的确定 我国钢质海船建造规范规定，舵从左( 右) 舷3 5 。转到右( 左) 舷3 0 。，时 间不超过2 8 秒，则油缸柱塞行程为：s = r ( t 9 3 5 + t 9 3 0 )m ( 2 6 ) 推舵油缸柱塞平均速度为：c = 兰( m s ) 2 8 推舵油缸所需油量为：q k 扣d 2 嚼= 学 m 3 s( 2 7 ) 式中k 是泄漏补偿系数( k = 1 1 1 3 ) 由式( 2 3 ) 和式( 2 5 ) 知，当出油压力p 2 = 0 ，舵杆扭矩m 髟最大时，推舵油缸内 的油压最大，则推舵油缸所需最大油压为： p l ，：m , 4 - c o s 23 5 p a( 2 8 ) 2 i 矿鬲瓦 au 两 偏舵l 。需要时间： 。= 墨笋= 芸= 0 、4 s( 2 9 ) 偏舵1 。需要的油量： g 。= q f ，。= o 4 ! 学= o 0 1 4 6 d 2 s m 3 ( 2 1 。) 2 3 3 液压泵的选型及确定 液压泵采用恒功率、大流量的斜轴式轴向柱塞变量泵，以节约能量消耗。 液压泵的工作压力为：p = 只刎+ e a p p a 大连理工大学专业学位硕十学位论文 式中p 是主油路的总压力损失 液压泵的工作压力和流量经计算确定后，参照样本，选额定工作压力比最高工作压 力高2 0 ，流量与系统所需流量相当或略大的柱塞泵。 2 3 4 电动机的选定 由柱塞泵的功率，得电动机功率为：尸= 迎k w( 2 1 1 ) r 式中，7 是油泵效率r = 0 7 0 9 按计算的功率选3 8 0 v 交流电动机。 2 3 5 液压阀件的选定及功能 溢流阀是压力控制阀，当液压系统压力高于调定的工作压力时，溢流阀将全部或部 分油液泄回油箱，使阀前油液的压力稳定在某个调定值，以保护油泵及其系统的安全， 起过载保护和稳压作用。 电液动换向阀，是电磁阀和液动阀组合而成，适用于大流量、高油压的系统控制。 电磁阀起先导阀的作用，通过电磁阀的小流量来操纵液动阀的阀芯运动，以改变大流量 液压油的流向。 舵机专用阀又叫平衡阀，它在回舵超速时起节流作用，以提高回油背压，使油缸不 超速，并保证工作缸不失压，避免油缸爬行现象。当风、浪、流强烈冲击舵叶，使转舵 力矩突然增加时，舵机专用阀与双向溢流阀一起保护油泵不超压不过载。 根据系统最高工作压力和流量来选定双向溢流阀、电液动换向阀和平衡阀，根据电 液阀控制油流的流量和压力，选择合适的减压阀。 2 3 6 液压管的确定 根据系统最高工作压力和流量选合适的优质碳素钢管作液压管。 厉 管子内径：d = 1 1 3 ，兰 ( 2 1 2 ) yy 式中q 是系统最大流量，v 是管内油液流速， 管子皮厚川等 ( 2 1 3 ) 式中刀是安全系数， 仃】是管材的许用应力。 电动液压舵的自动控制设计 2 4 本章小结 本章阐述了电动液压舵的液压系统组成，计算了舵机的相关参数，分析了舵机液压 系统的工作原理，并对相关液压元件进行了选型。 大连理工大学专业学位硕十学位论文 3 船舶操纵规律与p i d 自整定的原理及算法 3 1 船舶操纵模型 在水面船舶的航向控制中，可只考虑船舶的平面运动。由船舶操纵性理论，取航向 角缈作为被控对象输出，舵角p 作为被控对象输入，可得一个受船况、海况等因素影响 的非线性船舶运动方程。当舵角较小时，运动幅度小，非线性不明显，在数据处理时 可不予考虑，船舶操纵模型可近似为线性。 船舶的受控运动基本上是一个质量很大的物体在惯性力矩、阻尼力矩和舵力矩作用 下进行的一种缓慢的转首运动。在这种情况下，对于单纯因改变舵角而引起的各种操纵 运动，可看作是对“输入 舵角的响应而产生的“输出”操纵运动。因此，船舶运动具 有低频特征。在低频下，由偏舵角到航向角伊的操纵模型可简化为： g ( s ) t 1 5 1 ：兰 ( 3 1 ) r 母( 丁宰，+ 1 ) 拂回转性撇k = 些键蒙塑 应舵指数 r = 塑黼 s 当船况、海况发生变化时，回转性指数和应舵指数也相应发生变化。回转性指数k 的大小，表明船舶旋回性的优劣；越大，则舵效越好，船舶的旋回圈越小。应舵指数丁 是衡量船舶直线稳定性优劣的指标；越小，表明舵效越好，操舵时稳定到新航向的时间 越短；r 0 ，说明船舶具备良好的航向稳定性；丁 = j 口 n o t o r d l b l n d d t r r m o v r 网络4 l d x o r d m o v w l d w = j 口 n o t o r d l b l i t d d t r r m o v r a c l ，a c l a c l ，a c l 3 2 0 0 0 0 ，a c1 a c l ，v d l 0 0 s m o 1 a c 2 ，a c 2 a i w 4 ，a c 2 a c 2 ，o o 16 # f f f f 0 0 0 0 ，a c 2 o a c 2 ，a c 2 a c 2 ，a c 2 6 4 0 0 0 0 ，a c 2 a c 2 ，v d l 5 2 s m o 1 a c 3 ，a c 3 a i w 6 ，a c 3 a c 3 ，o 1 16 师f f f o 0 0 0 ，a c 3 1 c 3 ，a c 3 a c 3 ，a c 3 6 4 0 0 0 0 a c 3 a c 3 ，v d l 6 4 将1 6 位的整数格式转换为3 2 位的双整数 格式 将双整数格式转换为实数格式 将a c l 中的实数标准化为0 o 1 0 之间的 实数 将标准化的结果存入回路表v d l 0 0 清空累加器 将反馈舵角模拟量存入累加器 如果模拟量为正 则转到标号为0 的程序段直接转换 否则( 模拟量为负) 对a c 2 中的值进行符号处理 | | 标号0 将1 6 位的整数格式转换为3 2 位的双整数格式 将双整数格式转换为实数格式 将a c 2 中的实数标准化为1 0 之间的实数 将标准化的结果存入v d l 5 2 清空累加器 将随动舵角模拟量存入累加器 如果模拟量为正 则转到标号为1 的程序段直接转换 ，否则( 模拟量为负) 对a c 3 中的值进行符号处理 标号1 将1 6 位的整数格式转换为3 2 位的双整数格式 将双整数格式转换为实数格式 将a c 3 中的实数标准化为1 o 之间的实数 将标准化的结果存入v d l 6 4 3 5 电动液压舵的自动控制设计 5 5 人机界面系统的设计1 用户界面的设计是程序设计中最主要的部分，构造一个用户界面最有效的方法是进 行原型设计，即构造一个能完成所有必需功能及动作的原型。本系统在触摸屏上能进行 油泵选择，能设定航向和p i d 参数，能显示整定舵角和反馈舵角；还可以选择自动随 动操舵方式，调整天气因子、航向允许偏差；从而方便系统的人机交互。本系统人机交 互画面主要包括初始画面、参数设置画面、油泵选择画面、随动操舵画面、自动操舵画 面、用户管理画面及报警画面。 画面流程框图如图5 3 所示： 图5 3 画面流程框图 f i g 5 3 f l o wc h a r to ft h e8 c 1 * 1 1 5 5 1 初始画面 设置好通信参数，用m p i 通信电缆连接好p l c 和触摸屏，然后接通电源，k - t p 1 7 8 m i c r o 触摸屏就进入了初始画面。在初始画面中，放置有参数设置画面按钮、油泵选 择画面按钮、随动操舵画面按钮、自动操舵画面按钮、用户管理画面按钮和报警画面按 钮。因为画面按钮不多、各画面层次较少，所以采用“单线联系的切换方式，即从初 始画面可以切换到其他各个画面，其他画面之间不能相互切换，只能返回初始画面。初 始画面如图5 4 所示： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图5 4初始画面 f i g 5 4 i n i t i a ls c 玎煳 5 5 2 参数设置画面 参数设置画面主要用来设定航向，设置采样时间、天气因子、航向允许偏差p i d 参 数等控制参数。在画面中，有各控制参数的输入域显示框，可将各参数直接输入，并根 据需要随时进行修改。参数设置画面如图5 5 所示i 图5 5参数设置画面 f i g 5 5 p a r a m e t e rs e t t i n gs c r e e n 5 5 3 油泵选择画面 在油泵选择画面上，设置有1 群泵、2 舟泵的“起动 和“停止 按钮。通过这些按 钮，可以选择其中任意一台进行工作，也可选择2 台同时工作，以满足航行中的各种情 况需要。p l c 上的油泵选择按钮与触摸屏上的油泵选择按钮同步动作。油泵选择画面如 图5 6 所示： 电动液压舵的自动控制设计 图5 6 油泵选择画面 f i g 5 6p u m ps e l e c t i o ns c r e e n 5 5 4 随动操舵画面 在随动操舵画面中，设置有随动舵角输入域、反馈舵角输出域等显示框，还设置有 “起动 “停止 按钮。该“起动 “停止按钮的状态与p l c 上外接的随动自动开 关保持同步，与自动操舵画面中的“起动”“停止按钮互锁。在随动舵角显示框内可 输入舵角数值来进行随动操舵。随动操舵画面如图5 7 所示： 图5 7 随动操舵画面 f i g 5 7 s e r v os t e e r i n gs c r e e n 5 5 5 自动操舵画面 自动操舵画面主要用来监控自动操舵模式下的船舶航行状态，它是使用最多的画 面。该画面中有实际航向、航向偏差、整定舵角、反馈舵角、舵角比例系数等输出域显 大连理工大学专业学位硕士学位论文 示框。该画面中还设置有“起动“停止 按钮，该“起动 “停止”按钮状态与p l c 上的随动自动转换开关保持同步，与随动操舵画面中的“起动 “停止 按钮互锁。自 动操舵画面如图5 8 所示： 图5 8自动操舵画面 f i g 5 8 a u t o - s t e e r i n g 缸 a m e 5 5 6 用户管理画面 在控制系统运行时，需要设定船舶航向、天气因子、随动舵角以及初步确定p i d 参 数，这些参数只能由船长或其授权的专门人员来设定和修改。用户管理画面就是控制对 这些画面和参数进行访问，确保未经授权的人员不能对这些画面和参数进行操作。 k - t p l 7 8 m i c r o 触摸屏只能使用简单的用户管理画面，在简单的用户管理画面中， 只显示用户、口令和组，只对随动操舵画面、参数设置画面进行权限管理。用户管理画 面如图5 9 图所示： 电动液压舵的自动控制设计 图5 9用户管理画面 f i g 5 9 u s e rm a n a g e m e n ts c r e e n 5 5 7 报警画面 船舶在航行过程中，航向偏差、偏舵角度、舵角误差可能会超出设定范围，这些超 差信息需要在触摸屏的报警画面中显示出来。k - t p l 7 8 m i c r o 触摸屏只能使用简单的报 警画面，在简单的报警画面中，只显示报警事件的日期、时间和消息内容。其中航向 偏差、舵角误差报警属于“诊断 报警，不需要船舶驾驶员确认。舵角超差报警表明船 舶航行正处于紧急或危险状况，需要船舶驾驶员确认并采取相应措施。触摸屏的简单报 警画面如图5 1 0 图所示： 日