基于仿真技術(shù)的船舵模擬系統(tǒng)在自動(dòng)舵維修中的運(yùn)用

湯 華

海軍902廠，上海 200083

0 引言

自動(dòng)操舵儀包括航跡自動(dòng)舵、航向自動(dòng)舵。自動(dòng)操舵儀是最重要、最基本的航海裝備，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到船舶的航行安全。不論是航向自動(dòng)舵還是航跡自動(dòng)舵，都是反饋控制系統(tǒng)。隨動(dòng)操舵有一個(gè)舵角反饋回路，自動(dòng)航向操舵具有舵角和航向兩個(gè)反饋回路，航跡控制方式則具有舵角、航向和位置三個(gè)反饋回路。舵角反饋、航向反饋、位置反饋涉及到電磁閥動(dòng)作、液壓泵、液壓機(jī)構(gòu)及舵葉的運(yùn)動(dòng)、船體航向的變化、船體速度的變化、船體姿態(tài)位置的變化、海流及風(fēng)浪對(duì)艦船的影響等多個(gè)復(fù)雜因素。在自動(dòng)舵生產(chǎn)調(diào)試或修理過(guò)程中，要真實(shí)檢測(cè)自動(dòng)舵的各種控制性能，必須具備構(gòu)成上述反饋的船舵模擬系統(tǒng)，在陸基條件下檢驗(yàn)其性能的優(yōu)劣，實(shí)時(shí)進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整。

1 船舵模擬系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

船舵模擬系統(tǒng)是自動(dòng)舵生產(chǎn)調(diào)試、維修、教學(xué)過(guò)程中不可或缺是設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)普遍采用的船舵模擬系統(tǒng)是采用尺寸縮小的液壓站、油缸實(shí)物模擬自動(dòng)舵的控制對(duì)象——液壓舵裝置，通過(guò)自動(dòng)舵給出打舵信號(hào)，實(shí)際觀測(cè)油缸動(dòng)狀態(tài)來(lái)判斷控制系統(tǒng)是否出現(xiàn)：零偏、沖舵、超調(diào)、震蕩等故障。

隨著國(guó)內(nèi)自動(dòng)舵裝備的不斷發(fā)展，航跡舵、自適應(yīng)舵等裝備不斷出現(xiàn)，從自動(dòng)舵輸出的控制信號(hào)到形成各種反饋給自動(dòng)舵的信號(hào)，要經(jīng)過(guò)電磁閥、電磁球閥或電液閥、變量泵及液壓舵機(jī)系統(tǒng)、舵葉、船體、電羅經(jīng)、定位系統(tǒng)等，涉及風(fēng)、流、浪等因素，還要考慮到GPS信號(hào)、綜合導(dǎo)航信號(hào)的介入。上述船舵模擬系統(tǒng)已難以勝任對(duì)自動(dòng)舵的生產(chǎn)調(diào)試、維修、教學(xué)需求。為此，急需研制新型船舵模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)新型自動(dòng)舵工作大環(huán)境的模擬，以適應(yīng)自動(dòng)舵生產(chǎn)、維修、調(diào)試的需求。高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為此提供了可能。

2 基于仿真技術(shù)的船舵模擬系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1.1 液壓舵機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型

變量泵控制液壓舵機(jī)的流量，因而控制轉(zhuǎn)舵速度，變量泵受電磁閥或電磁球閥、電液閥控制。液壓機(jī)構(gòu)推動(dòng)舵葉產(chǎn)生的舵角變化可用以下模型描述：

其中Vδ為轉(zhuǎn)舵速度，t為轉(zhuǎn)舵時(shí)間，δmax為最大舵角。

2.1.2 舵角-航向及船位變化數(shù)學(xué)模型

基于船舶運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，系統(tǒng)需要建立船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，反映艦船運(yùn)動(dòng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)特性。船舶位移及轉(zhuǎn)艏運(yùn)動(dòng)可由以下數(shù)學(xué)模型建立：

式中u、υ為航速U在艦船前進(jìn)方向和正橫方向的分解,r為轉(zhuǎn)艏速率,漂角為β時(shí)：

2.1.3 風(fēng)、海浪、海流干擾模型

為了真實(shí)地反映海浪對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響，系統(tǒng)采用了兩種方式計(jì)算海浪對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響，一種是根據(jù)海浪的波高及譜密度研究海浪對(duì)舵葉的力矩?cái)_動(dòng)，計(jì)算其對(duì)舵角、航向的影響。另一種方法是將海浪干擾直接等效到的對(duì)舵角的擾動(dòng)，再通過(guò)舵角對(duì)航向的控制模型計(jì)算對(duì)航向的影響。

2.1.4 電磁閥運(yùn)動(dòng)模型

理想的電磁閥具有沒(méi)有延遲的開(kāi)關(guān)特性，當(dāng)輸入電壓超過(guò)其閥值時(shí)，電磁閥完全打開(kāi)，反之關(guān)閉。實(shí)際上電磁閥具有一定的動(dòng)作延遲時(shí)間，延遲時(shí)間的大小直接影響自動(dòng)舵動(dòng)態(tài)性能，比如延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成隨動(dòng)操舵振蕩。

2.1.5 電液閥運(yùn)動(dòng)模型

和電磁閥相比，電液閥有一線性響應(yīng)區(qū)間，當(dāng)輸入電壓在某一范圍內(nèi)時(shí)，電液閥打開(kāi)的角度與輸入電壓成比例。輸入電壓小于其下閥值時(shí)，電液閥完全關(guān)閉；輸入電壓超過(guò)其上閥值時(shí)，電液閥完全打開(kāi)。

2.2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用一體化工控機(jī)作為核心控制單元，主要包含：一體化工控機(jī)單元、報(bào)警信號(hào)模擬單元、羅經(jīng)航向模擬單元、綜合電源單元、舵角驅(qū)動(dòng)單元、舵角反饋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等單元構(gòu)成。其中，各模擬單元通過(guò)單片機(jī)控制電路實(shí)現(xiàn)半實(shí)物物理仿真；舵角反饋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)對(duì)舵角的模擬動(dòng)作，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸通過(guò)齒輪、連桿帶動(dòng)舵角驅(qū)動(dòng)軸。舵角反饋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上可固定被測(cè)自動(dòng)舵的舵角反饋機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的舵角驅(qū)動(dòng)軸和反饋機(jī)構(gòu)的軸用連接軸固連。

3 在自動(dòng)舵維修中的應(yīng)用

3.1 功能的實(shí)現(xiàn)

3.1.1 對(duì)航向自動(dòng)舵的檢測(cè)

航向自動(dòng)舵是指是一種用來(lái)對(duì)艦船航向進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的裝置。其基本原理如下：

因此，在陸基條件下，完成其調(diào)試檢測(cè)工作，需要形成舵角反饋和航向反饋以及模擬報(bào)警信號(hào)。

航向反饋：新型船舵模擬系統(tǒng)的羅經(jīng)航向模擬單元通過(guò)單片機(jī)控制電路控制步進(jìn)電機(jī)形成模擬的羅經(jīng)信號(hào)；工控機(jī)通過(guò)舵角反饋單元采集航向自動(dòng)舵產(chǎn)生的打舵信號(hào)經(jīng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出船舶航向的響應(yīng)發(fā)送至羅經(jīng)航向模擬單元形成新的模擬航向，從而形成航向負(fù)反饋。

舵角反饋：舵角驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)采集航向自動(dòng)舵的操舵控制信號(hào)，計(jì)算舵角變化速度，控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)舵角反饋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，反饋機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)機(jī)械連接帶動(dòng)舵角反饋電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成舵角負(fù)反饋信號(hào)。

模擬報(bào)警信號(hào)：報(bào)警信號(hào)模擬單元通過(guò)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)與公共線相連，報(bào)警線與公共線相連，通過(guò)模擬報(bào)警觸點(diǎn)的閉合、開(kāi)啟形成報(bào)警信號(hào)有效、失效，同時(shí)可接收、顯示自動(dòng)舵輸出的延伸報(bào)警信號(hào)。對(duì)應(yīng)不同的航向自動(dòng)舵，模擬報(bào)警信號(hào)可定義成不同的內(nèi)容，如動(dòng)力失電、過(guò)載、斷相、失壓、油位低、油溫高、油壓低、濾器阻塞、液壓鎖定、閥失電等。

船舵模擬系統(tǒng)與航向自動(dòng)舵的陸基連接關(guān)系如下：

通過(guò)以上關(guān)系，可形成全面的航向自動(dòng)舵陸基調(diào)試環(huán)境，可檢測(cè)出航向自動(dòng)舵電路上存在的零位偏移、反饋反向、死區(qū)電壓設(shè)置不合適、放大電路振蕩、積分電路不工作、超調(diào)量過(guò)大、報(bào)警電路失靈等故障。

3.1.2 對(duì)航跡自動(dòng)舵的檢測(cè)

航跡自動(dòng)舵是指通過(guò)一定的控制算法給出控制信號(hào)，控制舵機(jī)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)舵，進(jìn)而使艦船按需要的航行計(jì)劃航行的裝置。其基本原理如下：

因此，在陸基條件下，除需要滿足航向自動(dòng)舵的調(diào)試條件以外，還需位置的反饋信號(hào)，主要是指GPS信號(hào)和計(jì)程儀信號(hào)。這兩種信號(hào)均為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)工控機(jī)的軟件可順利實(shí)現(xiàn)對(duì)其的模擬。

船舵模擬系統(tǒng)與航向自動(dòng)舵的陸基連接關(guān)系如下：

通過(guò)以上關(guān)系，可形成全面的航跡自動(dòng)舵陸基調(diào)試環(huán)境，除實(shí)現(xiàn)航向自動(dòng)舵故障測(cè)試的功能以外，還可對(duì)航跡模塊的功能進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 效果評(píng)估

通過(guò)該船舵模擬系統(tǒng)，可全面檢測(cè)和評(píng)估航向、航跡自動(dòng)舵的技術(shù)狀態(tài)。在自動(dòng)舵維修中，經(jīng)該系統(tǒng)調(diào)試后的設(shè)備裝船后，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求，避免了反復(fù)的海試和調(diào)整。與以往的液壓系統(tǒng)船舵模擬系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)省卻了復(fù)雜的機(jī)械裝置和液壓管路，可靈活移動(dòng)，檢測(cè)項(xiàng)目全面，檢測(cè)結(jié)果可存儲(chǔ)、對(duì)比，且通過(guò)設(shè)置不同的應(yīng)舵參數(shù)可模擬大、中、小等不同的船型。

4 結(jié)論

將基于仿真系統(tǒng)的船舵模擬系統(tǒng)應(yīng)用到自動(dòng)舵維修中，可極大提高維修的效率，減少維修所需的硬件投入，降低維修成本，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。