基于AMESim的数字液压减摇鳍系统仿真研究.pdf

2 0 1 3年 2月 第 4 l卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE TO0L ＆ HYDRAUL I CS F e b ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 3 2 基于 A M E S i m的数字液 压减摇鳍系统仿真研究 刘磊 ，邢继峰 ，彭利坤 海军工程大学船舶与动力学院， 湖北武汉4 3 0 0 3 3 摘要介绍了数字液压减摇鳍的工作原理，并利用液压仿真软件 A ME S i m建立了数字液压减摇鳍系统的整体仿真模型， 对系统的动态特性进行了仿真研究。结果表明，该数字液压减摇鳍系统具有较好的开环跟踪特性 ，能够满足减摇鳍的技术 要求。 关键词数字液压缸 ；减摇鳍；动态特性；A ME S i m 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 31 1 3 4 Re s e a r c h a n d S i mu l a t i o n o f Di g i t a l Hy dr a uli c Fi n Stab i l i z e r Sy s t e m Ba s e d o n AM ES i m L I U L e i ，XI NG J i f e n g，P ENG L i k u n C o l l e g e o f N a v a l A r c h i t e c t u r e a n d Ma r i n e P o w e r ，N a v a l E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 3 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e w o r k p ri n c i p l e o f d i g i t a l h y d r a u l i c fi n s t a b i l i z e r w a s i n t r o d u c e d ．T h e i n t e g r a l s i m u l a t i o n mo d e l o f d i git al h y d r a u l i c fi n s t a b i l i z e r s y s t e m w a s e s t abl i s h e d ，a n d t h e d y n a mi c p r o p e r t i e s we r e r e s e a r c h e d a n d s i mu l a t e d w i t h t h e fl u i d s i mu l a t i o n s o f t wa r e AMES i m． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d i g i t a l h y dra u l i c fi n s t abi l i z e r s y s t e m h a s a g o o d o p e n l o o p t r a c k i n g c h a r a c t e ri s t i c ，a n d i s a b l e t o s a t i s f y the t e c h n i c al r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r d s D i gi t al h y d r a u l i c c y l i n d e r ；F i n s t abi l i z e r ；D y n a mi c p r o p e r t i e s ；A ME S i m 减摇鳍作为目前主要的舰艇减摇装置 ，对舰艇的 安全航行、舰载设备的正常使用起着积极的作用。国 内减摇鳍通常采用传统伺服液压系统，液压元件主要 是电液伺服阀，其在船舶上的应用存在油液精度要求 高、P I D参数调节困难、控制信号容易受干扰、系统 不稳定等较为严重的问题 ，致使不少舰船的减摇鳍使 用效果都不太理想，很多时候未能发挥其应有的作 用。数字液压减摇鳍具有集成度高、控制简单、稳定 性好 、抗污染能力强等优点 ，在硬件上实现了闭环 ， 这些特点有效地提高了减摇鳍系统的可靠性。但从控 制的角度来看，文中研究对象数字液压减摇鳍是一个 开环控制系统 ，鳍角的输出只受输入信号的控制，系 统温度、压力负载、内泄及死区等因素都会引起系统 控制精度 的变化 。因此对数 字液压减摇鳍 系统进行建 模和动态仿真，研究其动态特性，对实际系统的设计 具有一 定的指导意义 。 1 数字液压减摇鳍 系统简介 液压系统是减摇装置的重要组成部分 ，液压系统 的动静态品质直接影响着稳定效果。整个减摇装置工 作可靠与否，在很大程度上取决于液压系统。所研究 的减摇鳍系统的机械部分由机翼型的鳍、鳍轴、摇臂 等组成 ，液压部分由数字液压缸、蓄能器、液压泵等 组成，通过液压油缸推拉摇臂实现减摇鳍的运动。减 摇鳍系统接受控制信号 ，完成信号的功率放大，驱动 鳍跟随控制器信号运动。 数字液压缸是由步进电机、四边滑阀、伺服液压 缸和机械反馈机构组成的增量式机液伺服机构，是具 有内部位置反馈的伺服动力元件，可以直接接受数字 脉冲信号的输入。数字液压缸具有内部位置闭环反馈， 将缸的位移和速度与输入脉冲的脉冲数和脉冲频率一 一 对应，这样从结构上实现了闭环反馈控制。对于一 般的位置控制系统，可以无需外加位置传感器以及闭环 控制器，从而可大大简化系统构成，增强系统可靠性。 因此，选用数字液压缸作为减摇鳍系统的执行机构。 由于舰艇的摇摆情况是不断变化的，所需的稳定 力矩 的大小和方 向是不相 同的 ，这样要求随动系统应 能 “ 及时、准确、可靠”地工作，使鳍角尽可能准 确地跟踪控制信号。因此 ，减摇鳍系统为一随动控制 系统 ，其控制过程如图1 所示。 图 1 减摇装置控制过程 收稿 日期 2 0 1 11 22 7 作者简介刘磊 1 9 8 8 一 ，男 ，硕士研究生，主要研究方向为机电液压控制与仿真。E m a i l l i u l e i l k 1 6 3 ． c o m。 1 1 4 机床与液压 第 4 l 卷 某型减摇鳍装置的技术性能为 1 减摇能力 在 6级设计海情 有义波 高 H 4～6 m ，舰 艇 在 3 2 ． 8 5 k m／ h航 速下 傍 浪航 行 ，启动减摇鳍后舰船 的平均残余 横摇角幅度不 大于3 。 。转鳍速度大于 3 3 。 ／ s ，并保持一定的精度 和 稳定 性 。 2 生摇能力 舰艇在 1 8 k n设计航速下航行， 生摇时横摇角可达。生摇信号周期约为9 S 。 减摇鳍要在规定时间内完成控制信号指定的运动 并保证其运动平稳 ，仿真的目的就是要验证该系统的 动态特性是否满足技术要 求。 2仿真模型的建立 2 ． 1 数字液压缸模型的建立 图 2中上方虚线 框 内是 上述 数 字液 压缸 d i g i t ． a l c y l i n d e r 的仿真模型。其 中四边滑 阀 f o u r w a y v a l v e 和液压缸 c y l i n d e r 都是利用 A ME S i m软件 中液压元件设计库 H C D 里的最小模型单元搭建 而成，并且将滑阀和液压缸的泄漏 、摩擦等 因素也 考虑在内。采用软件 中的机械元件库模 型，建立了 螺 母 螺 杆 副 s c r e w ／ n u t 和 滚 珠 丝 杠 副 b a l 1 ． s c r e w的超级元件模型，完成了机械反馈结构模型 的搭建 。 图2 数字液压减摇鳍模型 2 ． 2 数字液压减摇鳍系统模型的建立 数字液压减摇鳍系统的整体模型如图2 所示。液 体元件主要包括定量泵、单向阀、电磁溢流阀、蓄能 器和过滤器等。右侧虚框内是减摇鳍的机械部分 ，它 是利用 A M E S i m中平面机构库 P L M元件搭建完成 的，主要包含实体、铰链和执行器等模型。平面机构 库是一维标准机械库的扩展，可以实现两维物体动力 学模型的搭建。 2 ． 3 关键元件 的参数设置 在 A M E S i m中将液压系统原理图搭建完成后 ，最 重要的工作是液压元件的选型和参数的设定。模型中 的结构参数比较复杂 ，在液压系统仿真时，参数的准 确设定将起着至关重要的作用。在该数字液压减摇鳍 系统中，关键的参数主要为数字液压缸、蓄能器、四 边滑阀、油源和负载的参数，见表 1 。 由于鳍在水中的运动是非常复杂的，计算鳍的水 动力相当困难。目前 ，关于鳍水动力的计算，主要根 据风洞或水洞试验得到定常的水动力特性曲线做某些 近似计算。本文采用了变刚度的回转扭簧模型对鳍的 负载扭矩作适当简化。对回转扭簧定义其角度一扭矩 关系曲线如图 3所示 。 第 3期 刘磊 等基于 A ME S i m的数字液压减摇鳍系统仿真研究 1 1 5 表 1 系统主要参数 元件名称 参数名称 参数值 活塞直径／ m m 活塞杆直径／ ra m 库仑摩擦力／ N 数字液压缸 静摩擦力／ N 黏性摩擦系数／ N m～ s 螺母螺杆螺距／ m m r 滚珠丝杠导程／ m m r 。 。 直径／ m m 四 边 滑 阀 阀 篙 m 雷诺数 溢流阀流量压 一。 气体预冲压力／ M P a 蓄能器 容积／ L 多变指数 油源 液压泵排量 mL r 电机转速／ r m i n 昌 Z 邑 一 辑 _ 角 厦， 。 图 3 回转扭簧角度 一扭矩曲线 3系统仿真结果分析 1 设置减摇 输入信号 为一上 升下降时 间为 1 ． 4 4 s ，幅值变化从 2 4 。 到 一2 4 。 的梯形信号，仿真 时间为 8 s ，仿真步长为0 ． 0 1 s ，精度为 1 1 0 ～。 2 设置生摇输入信号为一幅值为 3 0 ，周期为 9 S 的正弦曲线 ，仿真时间为 1 0 s ，仿真步长为 0 ． O l s ，精度为 1 1 0 ～。 运行仿真，得到数字液压减摇鳍系统的减摇、生 摇跟踪曲线分别如图4和图5所示。图中实线为输入 控制信号 ，虚线为减摇鳍的输 出鳍角。仿真曲线表 明，该数字液压缸执行系统能够较好地跟随步进电机 的输入控制信号 ，说明了此数字液压减摇鳍系统具有 良好的开环跟踪特性，快速性也能较好地满足技术要 求。图中数字液压缸执行机构 响应延迟约为0 ． 2 s ， 误差小于 0 ． 1 。 。 4 O 3 0 蛭2 0 羽l 0 薅 0 一 l 0 一20 挥 - 3 0 输入 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 2 4 6 8 1 0 时 间， s 时 间， s 图4 减摇跟踪曲线 图 5 生摇跟踪曲线 转鳍角度和输入信号有着一定的稳态误差 ，这与 系统的结构、输入信号的形式有很大关系。系统中四 边滑阀和液压缸存在着摩擦和零位死区，这是稳态误 差的主要来源。另外，数字液压缸机械结构模型中也 存在着摩擦、阻尼和间隙等。稳态精度的大小，可以 通过调节比例放大器的 值来改变。K值越大，稳态 误差越小 ，稳态精度越高 ；K值过大，跟踪曲线会出 现超调 ，甚至不能稳定 。图 6为减 摇和生摇 时不 同 值的转鳍角度曲线。 3O 2 O C 1 0 。 一1 0 ．2 0 3 0 4 0 3 0 2O t - 一 1 O 蠢 。 钼 ． 1 0 簿 ．2 O 一3 0 ．4 0 2 l l --K 8 6 ． 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 时 间， s a 减 摇 。 量 U 2 4 6 8 1 0 时问／ s b 生 摇 图6 K分别为 8 、1 6 ． 5 、2 0时的跟踪曲线 图7为减摇鳍减摇时四边滑阀阀芯位移和速度曲 线。可以看出，四边滑阀的运动比较平稳，阀芯最大 位移约为 0 ． 5 m m，最大速度约为 0 ． 2 2 m n 2 ／ 8 ，但伴 随着轻微的振荡。这是因为仿真模型中考虑了滑阀阀 芯的死区和液压密封摩擦力等非线性因素。 态 2 0 2 ∞ 儒 一 瓣丑薅 一 。 一 、 撵 啪 枷 咖姗 舢 m 4 ∞ 1 5 1