风翼回转液压系统控制策略仿真及实验研究.pdf

2 0 1 5年 8 月 第 4 3卷 第 l 5期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ．1 5 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 5 ． 0 2 1 风翼回转液压系统控制策略仿真及实验研究 闫亚胜 ， 赵志强 ，黄连忠 ，林虹兆 ， 刘绪儒 1 ．大连海事大学轮机 工程学院，辽宁大连 1 1 6 0 2 6 ；2 ．中国船舶工业 系统工程研究院，北京 1 0 0 0 3 6 摘要风翼回转液压系统是风翼助航船舶必不可少的一部分。在实际运行过程中，要求此液压系统能够稳定运行，压 力波动小。对风翼回转液压系统在 A M E S i m中建立仿真模型，在给定 4 种不同起动和制动控制信号的情况下，分别在仿真 模型和实验台液压系统中比较压力波动和峰值压力，找出最适宜的起动和制动信号。在确定控制信号的基础上，通过对 比 不同起制动时间下系统的动态特性，最后确定系统最佳起动和制动时间。为风翼的实船应用奠定了基础。 关键词回转液压系统；控制策略；风翼助航；液压仿真 中图分类号T H1 3 7 ． 1 ；U 6 6 4 ． 3 1 文献标志码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 5 0 8 3 5 S i mula t i o na nd Ex pe r i me nt a l Re s e a r c h o f Co n t r o l S t r a t e g y i n W i n g- s a i l Sl e wi ng Hy dr a u l i c Sy s t e m YAN Ya s h e n g ，Z HAO Z h i q i a n g ，HUANG L i a n z h o n g ，L I N Ho n g z h a o ，L I U Xu r u 1 ． Ma ri n e E n g i n e e ri n g C o l l e g e ，D a l i a n Ma ri t i m e U n i v e r s i t y ，D a l i a n L i a o n i n g 1 1 6 0 2 6 ，C h i n a ； 2 ． S y s t e ms E n g i n e e ri n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a S h i p p i n g I n d u s t r y ， B e i j i n g 1 0 0 0 3 6 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e w i n g s a i l s l e w i n g h y d r a u l i c s y s t e m i s a n e s s e n t i a l p a r t o n win g s a i l a s s i s t e d s h i p s ．I n t h e p r o c e s s o f a c t u a l o p e r a t i o n，t h i s h y d r a u l i c s y s t e m i s r e q u i r e d t o o p e r a t e s t e a d i l y a n d t o h a v e a s ma l l p r e s s u r e fl u c t u a t i o n ． Ac c o r d i n g t o t h e wi n g s a i l s l e win g h y d r a u l i c s y s t e m，t h e s i mu l a t i o n mo d e l wa s e s t a b l i s h e d i n AMES i m．U n d e r t h e c i r c u ms t a n c e s o f g i v e n f o u r d i ff e r e n t c o n t r o l s i g n a l s o f s t a rti n g a n d b r a k i n g，t h e p r e s s u r e fl u c t u a t i o n a n d p e a k p r e s s u r e we r e c o mp a r e d i n t h e s i mu l a t i o n mo d e l h y d r a u l i c s y s t e m a n d e x p e r i - me n t t a b l e s y s t e m，S O a s t o fin d o u t t h e mo s t a p p r o p ria t e s t a r t i n g a n d b r a k i n g s i g n a 1 ． B a s e d o n d e t e r mi n i n g t h e c o n t r o l s i g n a l ，b y c o m p a ri n g t h e d y n a mi c p e r f o rm an c e o f s y s t e m i n d i f f e r e n t c o n t r o l t i me o f s t a r t i n g a n d b r a k i n g， t h e o p t i mu m s t a r t i n g a n d b r a k i n g t i me o f s y s t e rn i s d e t e r mi n e d fi n all y，w h i c h h a s l aid a f o u n d a t i o n f o r t h e f u r t h e r a p p l i c a t i o n o f wi n g - s a i l s h i p s ． Ke y wo r d s S l e wi n g h y d r a u l i c s y s t e m ；C o n t r o l s t r a t e g y；W i n g s a i l a s s i s t e d；Hy d r a u l i c s i mu l a t i o n 0前 言 目前，随着燃油价格的上涨，利用风能节省能耗 重新走进航运界 的视野 。从早期的风帆船到今 日的风 翼助航船舶，风能对航运业的贡献一直存在，但国内 对于风翼助航船舶的研究还不是很成熟 。风翼助航 船舶在运行过程中，由于船舶运动方向的改变和风的 非定常性，需要适时调整风翼的角度 ，使风翼处在 最佳攻角上从而使船舶获得最大的推力。回转运动大 多是靠液压系统来驱动 的，液压系统 的稳定运行与否 直接关系到船舶的运行状态，因此有必要对风翼回转 液压系统进行深入研究 。 1 风翼回转液压系统及仿真模型的建立 1 ． 1 风 翼 回转液 压 系统 风翼 回转液压 系统采用 阀控型开式液压 系统 ，系 统 的原理 图如 图 1 所示 ⋯。 图 1 风翼回转液压系统原理图 收稿 日期 2 0 1 4 0 6 1 5 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 2 0 1 2 A A 1 1 2 7 0 2 作者简介闫亚胜 1 9 9 0 一 ，男，硕士研究生，从事现代轮机管理工程研究。E m a i l y a n y a s h e n g 8 2 7 1 6 3 ． c o rn。 通信作者 黄连忠 ，E m a i l h u a n g l i a n z h o n g 1 6 3 ． c o m。 第 1 5期 闫亚胜 等 风翼回转液压系统控制策略仿真及实验研究 8 5 故上述选 择的液压泵和液压马达能够满足液压系 统的要求 ，为液压系统的仿真提供了数据支持。 2 控制信号类型对液压系统特性的影响 不同的控制信号类型对液压系统的动态特性有不 同的影响 。运用液压仿真软件 A ME S i m分别对 4种 不同类型的起动和制动控制信号进行仿真分析。首先 选定 4 种不同的控制信号，如图4所示，它们分别为 线性信号 1 、对数信号 2 、指数信号 3 、正弦信号 4 。 控制信号的大小直接对应液压系统中比例调速阀的开 度大小 ，当信号大小为 1时，马达以设计最高转速运 转 图4 起动阶段 4种不同控制信号曲线 2 ． 1 起动阶段仿真分析 在起动阶段对图4所示的4种不同起动控制信号 进行仿真后得到的压力变化曲线结果如图 5 所示。压 力曲线所对应的压力波动如表 2 所示。 一 ”4 一 信 号4 0 1 _ - 时 间几 图 5 起动阶段对应的压力变化曲线 表 2 起动控制信号对应的压力变化表 在起动阶段，以控制信号 1 线性信号所对应 的峰值压力和压力波动为基准，从图中和表中的数据 可以看出不同控制信号对应的系统内峰值压力变化 很小，这是由于系统内压力主要是由负载决定的；在 起动阶段刚开始时，控制信号 2 在系统内引起较大的 压力波动，这是由于在起动开始阶段液压马达转速增 加过快而引起的 ；控制信号 3 在起动开始阶段的压 力波动较小 ，但是在 3 S 左右起动过程结束时系统内 的压力有一个较为明显的波动 ；控制信号 4所对应的 压力变化曲线在起动过程开始时压力波动较小 ，起动 过程结束时没有明显的压力波动 ，最终平稳过渡到稳 定运行阶段 ，优于其他 3种控制信号，这样有利于液 压系统的无故障长时间运行 。 2 ． 2制动阶段仿真分析 在制动 阶段 ，按照 图 6所示给定的 4 种 不同的制 动控制信号进行仿真分析 ，得到的压力变化曲线如图 7 所示。压力曲线所对应的压力波动如表 3所示。 l ∈ ’0 ． 8 o ． 瓤 0 ． 2 0 时间， s 图7 制动阶段对应的压力变化曲线 表 3 制动控制信号对应的压力变化表 在制动阶段 ，同样以控制信号 1 所引起的峰值压 力和压力变化为基准 ，信号 2对应的压力波动在制动 刚开始时较小 ，但在制动结束时有一个较大的压力波 动 ，对液压系统有一个冲击作用 ，显然这对于系统的 稳定运行是不利的；信号 3在制动刚开始时有一个较 大的压力波动 ，而后压力波动逐步趋于平稳 ，制动结 束时压力波动为零 ；信号 4在制动阶段对应的压力先 缓慢减小后缓慢上升，在制动瞬时和制动结束时的压 力波动均较为理想 ，相比其他 3种信号得到很大的 改善 。 2 ． 3 实验结果对比分析 在翼帆回转液压实验 台 由于实验台是按 比例 缩小设计的，故系统峰值压力较仿真值低上进行 4 0 8 6 4 2 - d l 喜R 8 6 机床与液压 第 4 3卷 种不同信号的起动和制动实验，得到的起动和制动过 程压力变化曲线分别如图8 、9所示。 4 时 间， s 图9 实验制动阶段对应的压力变化曲线 通过以上实验得到的数据显示在起动阶段 ，信 号 1 和 2的压力波动较大，信号 3 对应的压力波动虽 然很小 ，但在起动过程结束时有一个较大的压力波 动。制动阶段信号 4对应压力波动情况小于其他 3种 控制信号 ，验证了仿真结果。 综合以上的仿真和实验结果，控制信号 4 正弦 信号能显著降低液压系统 的压力波动 ，有利于系 统的长时间无故障运行，因此选定正弦信号作为液压 系统的起制动过程控制信号。 3 起制动时间对液压系统特性的影响 在选定控制信号类型的基础上，起制动阶段分别 选 用 5个 不同 的时间进行 仿真研究 。起 制动控 制 信号曲线分别如图 1 0和图 1 2所示。 丢O ． o ． o ． 辅 0 ． 图 1 O 起动阶段 5 种不同的时间信号曲线 3 ． 1 不同起动时间仿真分析 在不同起动时间下对液压系统进行仿真得到的压 力变化曲线如图 1 1 所示 ，其对应的压力波动情况如 表 4所示 。 表 4 不同起动时间对应压力变化表 从压力变化 图和表 4 可 知 ，不 同的起制动时间对 液压 系统 的动态稳性有着不 同的影 响 随着起动 时间 的延长 ，液压系统的压力波动变化不大 ，但压力波动 阶段的峰值压力逐渐减小；当起动时间为 1 s 时，系 统在压力波动阶段的峰值压力较大，且压力上升的速 率明显高于其他 4种控制信号，这样在短时间内压力 的急剧上升会 对液 压 系统造成 较 大的 冲击 引。以此 为基准，当起动时间为 2 s 时，波动阶段峰值压力降 低 了 2 ． 6 1 1 MP a ，且压力上升的速度趋 于平缓。随着 起动时间的持续增加，压力波动阶段的峰值压力继续 降低 ，但降低的幅度逐渐减小。 3 ． 2不同制动时间仿真分析 在制动阶段，控制信号如图 1 2所示。仿真的压 力变化结果如图 l 3所示 ，其对应的压力波动情况如 表 5所示 。 l 乓 0 ． 8 0． 6 j 坚 泰 0 ． 4 0 ． 2 0 时间， 0 图 1 2 制动阶段 5 种不同的时间信号曲线 _ 2 ， ’ I 1～ 信 号 1 2／ 。 s ／ 2 ～信号 2 卜信号3 4 ～信号4 ij i 5～ 信 号 5 I 时 间， l 图 1 3 制动阶段不同时间对应 的压力变化 曲线 3 2 l O _ 芝 R 第 1 5期 闫亚胜 等风翼回转液压系统控制策略仿真及实验研究 8 7 表 5 不 同制动时 间对应压力变化表 在制动阶段 ，当制动时 间为 1 s 时 ，制动过程 中 压力波动较大，这是由于液压系统的制动速度过快对 液压系统造成冲击而导致的，系统内可能出现震动和 噪声 。当制 动时 间为 2 s时，压 力波 动下降 了 5 5 ． 6 8 ％；制动时间从 2 s 逐 渐增 大到 5 s 时 ，压力波 动下降的速率明显减小，并且波动阶段的峰值压力变 化不大，均处于系统正常工作压力范围内。 3 ． 3 实验结果对比分析 在实验台上进行不同控制时间的起制动实验 ，得 到的实验结 果如图 l 4 、1 5所示。 4 I 出 0 图 1 4 一 蓄 0 ． 5 1 1 ． 5 2 2 ． 5 3 3 ． 5 4 4 ． 5 5 时间， s 起动阶段不同时间对应的压力变化曲线 图 l 5 制动阶段不同时间对应的压力变化曲线 通过实验数据可知 在起动阶段 ，起动时间为 1 s 时对应 的压力 波动较 大 ，起动 时间越 长对应 的压力 波动越小。在制动阶段，制动时间为 1 s 时压力下降 的速率过快，随着制动时间的延长，压力下降的速率 和压力波动均逐渐减小 ；此制动实验过程结束瞬时有 较大的压力波动是 因为实验 台没有安装制动器 ，这样 就不能消除制动结束时负载扭矩对系统的影响，这种 现象在安装制动器后可以避免。 经过对以上起动和制动阶段液压系统在不 同起制 动时间下的仿真和实验结果可知当起制动时间为 1 s 时系统的压力变化速率较大，并且在制动阶段有较 大的压 力波动 ，不利 于系统 的稳定 运行 。而 在 2 s 时 系统的压力波动已经在液压系统允许的工作范围内， 且风翼 回转液压平台多为小角度操帆，实际运行状态 下较小的起制动时间增加了控制的灵活性 ，综合以上 分析，起制动时间控制在 2 s 最为适合。 4结论 通 过在 A ME S i m 中对风翼 回转液压系统进行建模 仿真研究 ，并对比在实验过程中得到的数据 ，从控制 信号类型和起制动时间两方面对其进行分析，结果表 明正弦控制信号能显著降低系统的压力波动 ，在控 制过程开始和结束的时刻均有平稳的压力过渡 ，优于 其他 3种控制信号；在起制动时间的仿真和实验分析 中，当起制动时间选择 2 S 时最适合此液压系统。 风翼 回转液压系统控制策 略的研究为风翼助航技 术在船舶上的运用奠定了基础 ，并且对液压系统控制 策略的选择具有较高的指导意义。 参考文献 [ 1 ]刘绪儒． 风翼回转液压系统特性研究 [ D] ． 大连 大连海 事大学， 2 0 1 3 4 5 - 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