小型船舶舵鳍液压伺服控制系统的仿真及实验研究.pdf

2 0 1 2年 1 1 月 第4 0卷 第 2 1 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAULI CS NO V ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 1 ． 0 4 0 小型船舶舵鳍液压伺服控制 系统的仿真及实验研究 刘旌扬 ，张裕芳 上海交通 大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 2 0 0 2 4 0 摘要提出用换向阀控制开式液压系统的船舶小型舵机伺服系统，采用 B a n g b a n g控制方法进行控制器设计。利用 M A T L A B的 S i m H y d r a u l i c 物理仿真模块，建立了这一系统的仿真模型，通过闭环仿真调整得到控制器参数 ，并通过实验进 行了验证。仿真和实验表明这一舵机伺服系统的性能满足要求。 关键词液压伺服系统；舵机；B a n g - b a n g控制；S i mH y d r a u l i c仿真 中图分类号U 6 6 4 ． 8 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 1 1 5 0 4 Si mu l a t i o n s a nd Ex pe r i me nt a l Re s e a r c h o n a Hy dr a u l i c S e r v o Co n t r o l Sy s t e m f o r S hi p l d de r s L I U J i n g y a n g，Z HAN G Yu f a n g S c h o o l o f N a v a l A r c h i t e c t u r e ，C i v i l a n d O c e a n E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ，C h i n a Ab s t r a c t A h y d r a u l i c s e r v o c o n t r o l s y s t e m d r i v e n b y o n - o ff v a l v e w a s p r o p o s e d ． Ba n g - b an g c o n t r o l wa s a p p l i e d a s t h e c o n t r o l s t r a t e g y ． T h e S i mHy d r a u l i c s i mu l i a t i o n mo d u l e i n MAT L AB w a s u s e d t o s i mu l a t e t h e h y d r a u l i c d y n a mi c s ． P a r a me t e r s o f t h e Ban g - b a n g c o n t r o l l e r w e r e t u n e d v i a t h e s i mu l a t i o n s a n d t h e n a p p l i e d i n t h e r e a l t e s t s ．T h e e x p e r i me n t s v e ri f y t h e p e r f o r ma n c e o f t h e h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m mee t r e q ui r e me n t ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s e r v 0 s y s t e m；S h i p r u d d e r ；B ang - b a n g c o n t r o l ；S i mHy d r a u l i c s i mu l a t i o n 船舶 的舵机 和减摇鳍 等操 纵装置 通常采 用液压 动 力驱动。其伺服控制可以通过电液伺服阀连续控制液 压油流量实现，或者直接通过小型伺服阀调节变量泵 实现 。如文献 [ 23 ]中对 阀控型液压系统进行 了研究。这两种方法都能够连续地无级调节油缸行程 和速度，便于采用经典的控制方法实现良好的控制精 度。但是无论是伺服阀的还是变量泵，结构都相对复 杂，导致价格高、可靠性降低。 在一般民用小型船舶中，大量使用手动操作的开 环 液压舵 机。这 种舵 机由定量泵和换 向阀组成 ，转舵 的角度通过人工开关换向阀实现，具有简单可靠、成 本低的优势。在某些场合 ，如果能适当降低对控制精 度的要求 ，则可以在这种液压舵机的基础上加装 自动 控制 系统实 现 自动舵功 能 ，以降低 采 购和维 护成本 。 文 中就是对 这种适用小型船舶的舵鳍液压控制系统进 行仿真和实验研究。 由于采用换向阀进行闭环控制 ，传统的连续控制 方法 I I P I D等不再适用。文献 [ 4]中进行了 B a n g b a n g 控制在液 压舵 机 上应 用 的理论 研 究 ，证 明 了其 可能性。文中采用这一方法为系统设计控制律。控制 器的参数则直接通过仿真和实验方法测定。数值仿真 采用 M A T L A B的 S i mH y d r a u l i c s 模 块 进行 液压 系统 动 力学建模 ，并与台架实验进行 比对 ，验证 了模型 的有 效性 。在此基 础 上对 B a n g b a n g控 制律 进 行 了验 证 ， 证明了这一系统不仅具有结构简单、成本较低 的优 势，还能在控制精度上满足要求。 文中介绍了这一小型舵机伺服系统的硬件组成及 控制结构 ；利用 S i m H y d r a u l i c s 建立了系统的动力学 仿真模型；为这一伺服 系统设计 了 B a n g b a n g控制 器。利用实验验证仿真模型的正确性，并采用 B a n g b a n g 控制实现 了舵 机 的 闭环 随动 控制 ，验证 了控 制 系统的有效性；最后对全文进行了总结。 1 开关型舵鳍伺服控制系统描述 目标舵机控制系统为某大学船建学 院开发 的阀控 型液压舵机控制系统 ，其原理框图如图 1 所示。 关 兰 兰 i 关 垫 塑 一 H 叫些 塑 ● I I l 舵角 反馈 图 1 舵鳍伺服控制系统原理 图 舵 角传 感 器 收稿 日期 2 0 1 1一 l O一 0 7 作者简介刘旌扬 1 9 8 2 一 ，男，博士，工程师，研究方 向为船舶控制。Ema i l j y _ l i u s j t u ． e d u ． c n 。通信作者 张裕 芳 ，E m a i l z h a n g y f s j t u ． e d u ． c n 。 第 2 1 期 刘旌扬 等小型船舶舵鳍液压伺服控制系统的仿真及实验研究 1 5 1 上位计算机 给舵 机随动控制系统发出随动指令角 度 ，传送到现场 P L C 。P L C通过 比较反馈 舵角与指令 舵角按照一定 的控制 策略 ，驱动换 向阀开关动作。三 位四通换向阀通过其开关及方向控制，实现油缸的正 反向运动，从而转动舵轴到指令舵角。舵角传感器采 用光 电编码器实现 。 液压系统构成 1 液 压源 。该 液压 源 由 1台 开式 回路柱塞泵 1 6 M C Y 1 4 ． 1 B 、直流 电机 5 k W， 3 2 0 V，1 4 0 0 r ／ m i n 或 1只 交 流 电 机 Y 2 1 3 2 S 一 4 B 3 5 ，3 8 0 V，5 0 H z 、先 导式 溢流 阀 、滤 油器 、冷 却器等组成。系统压力 为 1 6 MP a ，工作压力为 1 0 M P a 。 2 柱 塞式双 向液 压油缸 。行程 L3 5 0 m m； 无杆腔活塞直 径 d 6 3 m m；柱 塞 直径 d 3 2 m m； 内泄漏量 0 ． 0 8 m I _ ／ m i n 。 3 换 向阀。为一 三位 四 通 D型多路换 向阀 ，阀上 组合 有流 量控 制 阀及 负 载 平衡 阀。 控制系统构成 1 上位机。工控一体机；操 作系统为 Wi n d o w s X P系统 ；上 位机 软件 用 C 开发 ， 通过西门子 O P C S e r v e r 与现场 P L C通讯。 2 现场 控制单元 。西 门子 7 - 2 0 0 P L C ，以 2 0 H z 的采样 频率 进行控制 。 3 舵 角传 感 器 。绝对 式 光 电编 码 器 ， 6 0 0 P ／ r ；采用 4倍频模式 ，即 2 4 0 0脉冲／ 周 。 2 S i mH y d r a u l i c s 物理仿真 对控 制系统进行研 究 ，通 常需要 知道被控对象的 动力学模 型 ，以便进行 控制系统的仿真测试和参数调 整如文献 [ 6 ] 。然而舵机系统涉及的机械装置及其 受力情况都较 为复杂 ，直接 通过 机理建 模代 价较 高。 目前 ，流行 的液 压 系统 仿 真 软 件有 E A S Y 5和 MA T L A B中的 S i m H y d r a u l i c 工具箱 。这两种仿 真工具都 被应用到 了传播舵 机 的仿 真研究 中 。作者 直接 利用 M A T L A B软件中的 S i m H y d r a u l i c 液压系统物理仿 真工具箱来建立舵机液压系统的非线性动力模型，作 为 文中研 究的基 础 。 2 ． 1 基 本模 型 建立 在 S i m H y d r a u l i c中建立如 图 2所示 的液压 控制 系 统模型 。定量泵 由一个理想液 压源构成 ，各设备参 数 按 照实际系统换 算填入 。液压 油选用 4 6号抗磨 液压 油 ；负载由 1 个质量块、1 个阻尼器和 1 个弹簧组成 1 个 典型的弹簧阻尼振子系统进行 模拟 。关 于负载 的 设定将在 下一小 节中详 细讨论 。 图 2 MA T L A B ／ S i mH y d r a u l i c中的液压系统物理仿真模型 2 ． 2 负载设定 例系数。m是舵机 的等效质量，包括油缸活塞杆质 在舵机的仿真控制中，负载的影响至关重要。在 量、飞轮矩以及舵叶等效质量等。D州是油缸活塞杆 文 中，按照实际 的水动力情况建立负 载的方程 。 及转舵机构 的阻尼 系数 。K h y d 则 是舵翼 面所 受到 的水 mS D d K h y F 。 。 1 动力 ，可通过翼面升力和阻力公式得 到 其中 是油缸柱塞位置，设中位为 0 ，以左舵方向L c ， p U z A O 3 为正方 向 。 柱塞位置 与舵角 0 成等比例关系 D c p 肋 4 p O 2 1 2 ， ‘ 式中 P 值是通过油缸行程和舵角幅度换算得到的比 F J c c U 2 A O 5 1 5 2 机床与液压 第 4 0卷 K h y d p d ⋯ F h y d Z 6 将式 5 代入式 6 ，消去 0 ，可以得到 的计算式。以上各式中，c 和 c 。 是水翼的升力和阻 力系数，其他各量的定义如图3所示。 U 图 3 翼面水动力示 意图 3 B a n g b a n g 控制器设计 B a n g ． b a n g 控制 又称 为开关 控制 ，是一种 时 间最 优控制 。对 于线性 定 常 系统 ，通过 解最 小 时 间 问 题 ，可以得到唯一的 B a n g b a n g 控制时序。它最重要 的特点就是控制量在两个或几个状态之间切换 ，这一 特性使得其非常适用于一些不能连续调节的系统。同 时此控制律 的实现 也相对 简单 ，因此 作者选 用 B a n g - b a n g 控制律控制这种依赖换 向阀开关动作来实现的 液压伺 服系统 。 设 计控制律为 一 s g n e 一 1 1 1 ． 1 0 0 I eI ≥ b 2 b l e 一d 6 1 一 b 2ed b 2 eb 2， 一d b 2 b l I eIb 2， d b 1 I ld b 2 I e Ib l ， I Id b 2 7 其中 t 为控制器输出的控制量 ，一1 ，0 ，1 分别 对应三位 四通 阀的 3个 阀位 ，0为 中位。e 是传 感器 测量到的控制 目标与 当前舵 角 的偏 差 。b 。 和 b 是控 制 e的两个 参 数 ， ， 和 如 是 控 制 的两 个参 数 。 式 7 代表的状态映射关系，可以参考图4 。 图 4 B a n g b a n g 控制相平 面 通常在得到被控系统精确模型 的情况下 ，这几个 参数是可以通过解最小时间问题得到的。但在实际应 用中 ，由于精 确模 型难 于获取 ，可 以通过仿 真或实验 的方法调整得到 。 4 控制实验和仿真研究 4 ． 1 空载 闭环仿 真 为了获取 B a n g ． b a n g 控制的4个控制参数 ，可利 用前面建立起来的 S i m H y d r a u l i c 仿真模型 ，进行闭环 控制仿真。经过调整后 ，得到性能较好的一组控制参 数 b 10 ． 3 b 21 ． 8 d b 11 ． 2 d b 24 其 中 b ． 决定 了最后 的稳 态误差 。 由于该 系统 的 舵角测 量装置 分辨 率是 0 ． 1 5 。 ，取 其 2～3倍 较 为合 理。若取得太小，易引起在平衡位置的震荡。 图 5和 6是 闭环仿真 的结果 。 心 j 堡 器 时间， s b 角速度曲线 l 0 ． 5 篓 。 辅 ．0 ． 5 ．1 制仿真 一正舵 5 三0 ．5 罂 ． 1 0 ．15 0 1 2 3 4 5 时间， s b 角 速 度 曲线 0 1 2 3 4 5 时 间， s c 控制 信 号 图6 闭环控制仿真 一负舵 第 2 1 期 刘旌扬 等小型船舶舵鳍液压伺服控制系统的仿真及实验研究 1 5 3 图 5中，在 t 0 ． 5 S时 ，系统接 到偏转 1 0 。 的指 令 ，经过大约 2 S 后 ，舵 角被 准确 地控 制到 了 1 O 。 附 近 ，误差不超过 0 ． 1 5 。 ，整个 过程非 常平 滑 。图 6是 在初始正舵 6 。 时接到偏转到 0 。 的指令，控制效果同 图5一样十分理想。注意到负舵时液压油填充有杆 腔 ，故转舵速度 比正舵时稍快。 4 ． 2空载 闭环 实验验 证 实验 系统如 前 述。在 空载 情况 下 ，利 用 P L C控 制器实现 上 述 B a n g b a n g 控 制 器 ，进 行 了 闭环 实验 ， 对控制效果进行验证。B a n g b a n g控制器参数采用仿 真 中调节得到 的优化参数 。 实验结果如图7和 8所示。图7中显示的结果与 图5中基本一致 ，控制精度满足要求，且过程平滑。 图 8和 6略有 不同 ，实验结 果 中有一点超调 ，但控制 器仍然很好地 实现控 制 目标 。 图7 闭环控制实验 一正舵 l O． 5 坦0 辎 ． 0 ．5 ．1 0 l 2 3 4 5 时 间， s b 控 制信 号 图8 闭环控制实验 一负舵 4 ． 3 带 负载闭环控制仿真 应用上述控制策 略和参 数 ，还对带负载 的情况进 行 了仿真 验证 。按 照第 2 ． 2节 中给 出 的负载 设 定方 式，计算 等效参数。其 中 瓦 对应航速 1 0 ． 2 9 m ／ s 2 o节时，约为 4 8 0 0 0 N ／ m。仿真结果如图 9所 示 ，尽管在 带 负载 情况 下 ，舵 角 转 动速 度有 微 小 抖 动，但转舵控制性能仍满足要求。 图9 带负载闭环控制仿真 5结 论 由于换向阀的简单可靠 ，作者试图通过采用简单 的开关控制实现通常由比例阀来实现的舵机精确定位 控制。为了实现这一目标，作者综合利用了数值仿真 与实验手段。通过数值仿真，测量和调节控制器参 数 ，然后通过实验验证 了整个系统的性能良好。由于 实验手段存在一定不足 ，带负载 的情况没有测试 。但 也通过仿真进行了验证，结果表明这一系统在带负载 下，也具有足够的鲁棒性。 参考文献 【 1 】徐磊， 陶建峰， 刘成 良 电液 比例变量泵控制方法研究 [ J ] ． 2 0 0 7 ， 3 6 4 1 4 ． 【 2 】孟亚东， 李长春， 刘晓东， 等． 基于 S i m H y d r a u l i c s的电液 伺服系统实物仿真 [ J ] ． 系统仿真学报． 2 0 0 9 ， 2 1 6 1 5 9 6 ．1 59 9． 【 3 】孟亚东， 李长春 ， 张金英， 等． 阀控非对称缸液压系统建 模研究[ J ] ． 北京交通大学学报， 2 0 0 9 ， 3 3 1 6 6 7 0 ． 【 4 】刘国平， 刘玉良， 单海校， 等． 相平面上船舶舵机开关型 控制研究 [ J ] ． 船舶工程 ， 2 0 0 5 ， 2 7 6 3 7 4 0 ． 【 5 】季本山， 顾益民， 李章德． 基于绝对旋转编码器的舵角反 馈系统设计[ J ] ． 船舶工程， 2 0 1 0 ， 3 2 1 4 5 4 8 ． 【 6 】邓丽霞， 易孟林． 船舶舵机电液伺服调节器的建模与仿 真研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 8 2 0 7 2 0 9 ． 【 7 】 程安宁． 液压仿真技术的应用与发展[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 4 5 91 O ． 【 8 】董浩然， 林少芬 ， 蔡应强， 等． 拨叉式船舶液压舵机系统 的仿真研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 1 1 8 51 8 7 ． 【 9 】刘 豹． 现代 控制理论 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 03．