提高隨動操舵控制精度的方法探討

范鄒

（海軍駐九江地區(qū)軍事代表室，江西九江 332007）

0 引言

水面艦船的舵裝置控制系統(tǒng)中的常用的伺服機(jī)構(gòu)是采用比例閥或伺服閥，這種伺服機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：操舵精度高及噪聲小，卻存在對油液要求高，容易卡舵，可靠性差的不足。而電磁球閥型伺服機(jī)構(gòu)雖然操舵時(shí)噪聲相對于比例控制伺服機(jī)構(gòu)較大，且操舵精度較低，但結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，對油液的要求較低，仍然被廣泛的應(yīng)用于水面艦船的操舵系統(tǒng)中。

常規(guī)自動操舵儀采用電磁球閥型伺服機(jī)構(gòu)控制400 kN.m、630 kN.m液壓舵機(jī)，在單機(jī)組工況下（轉(zhuǎn)舵速度大于 2.3°/s），隨動操舵靈敏度及舵角跟隨誤差均小于0.5°舵角。在雙機(jī)組及隔離旁通工況下（轉(zhuǎn)舵速度大于 4.7°/s），隨動操舵靈敏度，一般在 0.7°～0.9°舵角，隨動操舵舵角跟隨精度在0.8°舵角左右，雖然精度能滿足現(xiàn)有國軍標(biāo)和其它相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，也能滿足一般情況下的操縱控制要求，但是在補(bǔ)給等要求操舵精度較高的特殊操縱情況下[1]，不能滿足要求。一種新的控制方法控制電磁球閥伺服機(jī)構(gòu)，既保留了這種伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，對油液的要求低的優(yōu)點(diǎn)，又提高了隨動操縱控制的精度，滿足特殊操縱情況下的使用要求。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

H型舵機(jī)非隔離旁通工況及轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)技術(shù)指標(biāo)：

1） 隨動操舵靈敏度：不大于0.8°舵角；

2） 舵角跟隨精度：不大于1.0°舵角。

2 工作原理

2.1 比例控制伺服機(jī)構(gòu)的工作原理

操舵儀的舵控制器接收到的指令舵角信號δc與反饋機(jī)構(gòu)的舵角反饋信號δf進(jìn)行比較，輸出舵角差信號△δ，這個(gè)信號與變量泵斜盤轉(zhuǎn)角反饋進(jìn)行綜合，經(jīng)放大及功率放大輸出控制比例閥的比例電磁鐵，用于控制變量泵的流量，進(jìn)而控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)舵速度。比例控制原理框圖見圖 1，控制模型如下：

變量泵斜盤轉(zhuǎn)角控制：

控制比例閥的比例電磁鐵電流：

其中：αc—變量泵斜盤指令轉(zhuǎn)角,δc—指令舵角,δf—反饋舵角,αf—變量泵斜盤反饋轉(zhuǎn)角。當(dāng)變量泵斜盤指令轉(zhuǎn)角與變量泵斜盤反饋轉(zhuǎn)角相等時(shí)，舵機(jī)按要求的速度轉(zhuǎn)動。當(dāng)指令舵角與實(shí)際舵角相等時(shí)，斜盤為零，變量泵不排油，舵葉停止轉(zhuǎn)動。

2.2 電磁球閥伺服機(jī)構(gòu)提高操舵精度的工作原理

當(dāng)舵機(jī)工作在雙機(jī)組工況下，舵機(jī)轉(zhuǎn)舵速度在 4.7～5.6°/s范圍內(nèi)。電磁球閥工作在開關(guān)狀態(tài)，工作時(shí)流量不可調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)舵速度也不能調(diào)節(jié)，由于液壓泵、閥件存在一定的時(shí)間常數(shù)，停舵時(shí)，控制信號雖然已經(jīng)關(guān)斷，但舵機(jī)需等待一定的時(shí)間后才停止運(yùn)動，由于轉(zhuǎn)舵速度大，因而沖舵量大，由此造成操舵精度不能滿足特殊操縱情況下的使用要求。

自動操舵儀控制電磁球閥伺服機(jī)構(gòu)提高操舵精度的工作原理（見圖2），當(dāng)舵機(jī)的轉(zhuǎn)舵速度不大于2.7°/s時(shí)，操舵靈敏度和舵角跟隨精度均能滿足要求[2]。

3 電磁球閥伺服機(jī)構(gòu)提高操舵精度的實(shí)用方案

實(shí)用方案見圖 3，雙機(jī)組工況，指令舵角信號δc與舵角反饋機(jī)構(gòu)輸出的舵角反饋信號δf輸入運(yùn)算放大器 F求和，輸出△δ=δc-δf給舵機(jī)速度調(diào)節(jié)電路Ⅰ和舵機(jī)控制電路Ⅱ。舵機(jī)速度調(diào)節(jié)電路接收到△δ=δc-δf信號進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)∣△δ∣小于給定值，開關(guān)k斷開，切斷圖示左機(jī)組電磁球閥，只有右機(jī)組工作，舵機(jī)速度與單機(jī)組相同，當(dāng)∣△δ∣大于給定值，左右機(jī)組電磁球閥同時(shí)工作，此時(shí)的速度為雙機(jī)組速度。

圖2 電磁球閥伺服機(jī)構(gòu)提高操舵精度的原理

舵機(jī)在特殊工況下的操縱控制：一般的舵機(jī)都有四個(gè)油缸組成，二個(gè)一組，每一組可單獨(dú)工作，也可同時(shí)工作。因此，當(dāng)一個(gè)或一組油缸故障，漏油等情況時(shí)，自動將有故障的一組油缸隔離，或在緊急情況下，手動（電動）將一組油缸隔離，也就是一組油缸停止工作，在這種情況下，在單機(jī)組工況下工作，舵機(jī)的運(yùn)動速度將提高一倍，達(dá)到了正常工況下的雙機(jī)組運(yùn)動速度，這種情況一般稱之為隔離旁通。在這種情況下仍用圖3方案進(jìn)行控制，在隨動時(shí)舵角控制將產(chǎn)生震蕩，因而就必須降低操舵靈敏度和跟隨精度來滿足舵機(jī)特殊工況下的操縱要求。

4 結(jié)語

采用電磁球閥（電磁換向閥）控制的伺服機(jī)構(gòu)，由于其可靠性高、對油液的要求較低等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是操舵噪聲較大、速度不可控制。自動操舵儀若采用雙舵機(jī)工況下變速控制的方法，可以克服雙機(jī)組工況下的控制精度低的缺點(diǎn)，特別適用于900 kN.m以下的轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)操舵控制。

[1] 林莉.惡劣海況下船舶航向保持控制的新方法. 信息與控制，2001，（4）.

[2] 李智全. 水面艦艇自動操舵儀的使用情況和選用要求. 中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2004,（11）.