提高隨動操舵控制精度的方法探討

范鄒

（海軍駐九江地區軍事代表室，江西九江 332007）

0 引言

水面艦船的舵裝置控制系統中的常用的伺服機構是采用比例閥或伺服閥，這種伺服機構的優點是：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構雖然操舵時噪聲相對于比例控制伺服機構較大，且操舵精度較低，但結構簡單，可靠性高，對油液的要求較低，仍然被廣泛的應用于水面艦船的操舵系統中。

常規自動操舵儀采用電磁球閥型伺服機構控制400 kN.m、630 kN.m液壓舵機，在單機組工況下（轉舵速度大于 2.3°/s），隨動操舵靈敏度及舵角跟隨誤差均小于0.5°舵角。在雙機組及隔離旁通工況下（轉舵速度大于 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，雖然精度能滿足現有國軍標和其它相關標準的要求，也能滿足一般情況下的操縱控制要求，但是在補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構，既保留了這種伺服機構結構簡單，可靠性高，對油液的要求低的優點，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 主要技術指標

H型舵機非隔離旁通工況及轉葉式舵機技術指標：

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 比例控制伺服機構的工作原理

操舵儀的舵控制器接收到的指令舵角信號δc與反饋機構的舵角反饋信號δf進行比較，輸出舵角差信號△δ，這個信號與變量泵斜盤轉角反饋進行綜合，經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，進而控制舵機的轉舵速度。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—變量泵斜盤指令轉角,δc—指令舵角,δf—反饋舵角,αf—變量泵斜盤反饋轉角。當變量泵斜盤指令轉角與變量泵斜盤反饋轉角相等時，舵機按要求的速度轉動。當指令舵角與實際舵角相等時，斜盤為零，變量泵不排油，舵葉停止轉動。

2.2 電磁球閥伺服機構提高操舵精度的工作原理

當舵機工作在雙機組工況下，舵機轉舵速度在 4.7～5.6°/s范圍內。電磁球閥工作在開關狀態，工作時流量不可調節，轉舵速度也不能調節，由于液壓泵、閥件存在一定的時間常數，停舵時，控制信號雖然已經關斷，但舵機需等待一定的時間后才停止運動，由于轉舵速度大，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構提高操舵精度的工作原理（見圖2），當舵機的轉舵速度不大于2.7°/s時，操舵靈敏度和舵角跟隨精度均能滿足要求[2]。

3 電磁球閥伺服機構提高操舵精度的實用方案

實用方案見圖 3，雙機組工況，指令舵角信號δc與舵角反饋機構輸出的舵角反饋信號δf輸入運算放大器 F求和，輸出△δ=δc-δf給舵機速度調節電路Ⅰ和舵機控制電路Ⅱ。舵機速度調節電路接收到△δ=δc-δf信號進行運算，當∣△δ∣小于給定值，開關k斷開，切斷圖示左機組電磁球閥，只有右機組工作，舵機速度與單機組相同，當∣△δ∣大于給定值，左右機組電磁球閥同時工作，此時的速度為雙機組速度。

圖2 電磁球閥伺服機構提高操舵精度的原理

舵機在特殊工況下的操縱控制：一般的舵機都有四個油缸組成，二個一組，每一組可單獨工作，也可同時工作。因此，當一個或一組油缸故障，漏油等情況時，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，在單機組工況下工作，舵機的運動速度將提高一倍，達到了正常工況下的雙機組運動速度，這種情況一般稱之為隔離旁通。在這種情況下仍用圖3方案進行控制，在隨動時舵角控制將產生震蕩，因而就必須降低操舵靈敏度和跟隨精度來滿足舵機特殊工況下的操縱要求。

4 結語

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

[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. 中國慣性技術學報，2004,（11）.