電液舵機控制系統設計及軟件仿真分析

舒冠柏 袁媛

【摘 要】電動液壓舵機系統是現今使用最多的舵機系統，其許多優點促進了電動液壓舵機的普及，其液壓和控制系統也是船舶上非常重要的船舶運動控制系統。本文主要針對操舵系統進行研究。建立了變量泵排量控制系統和操舵系統的模型，并完成了隨動系統的傳遞函數，最后在此基礎上利用AMEsim軟件對隨動系統進行仿真分析，利用經典PID控制設計了隨動系統的控制器。

【關鍵詞】液壓舵機系統 控制系統 設計仿真

1 引言

船舶在應用液壓傳動之前，采用的是蒸汽傳動和電氣傳動。1916年美國在“新墨西哥”號戰艦上首次使用了液壓舵機。經過一段時間發展，l981年國際海事會議正式通過了對l974年SOLAS公約的修正案，其中對舵機的要求提出了重要的新條款。進入八十年代以來，世界舵機主要制造廠家都開始認真檢查其產品，并按1981年修正案的要求重新設計各自的舵機，力爭在市場上保持較大的競爭優勢。新一代的舵機的性能和可靠性更趨完善。目前國外舵機最新變化動向如下。（1）普遍設置了兩套液壓系統；（2）電控液壓型舵機的應用功率范圍在擴大，性能也在改善。

本文主要針對隨動系統進行研究。建立了變量泵排量控制系統和操舵系統的模型，并完成了隨動系統的傳遞函數，最后在此基礎上利用AMEsim軟件對隨動系統進行仿真分析，利用經典PID控制設計了隨動系統的控制器。

2 操舵系統的傳遞函數模型

電液舵機原理參文獻[1]。根據計算的柱塞缸行程與舵角的關系，在舵角范圍內，舵角和柱塞缸行程的關系為

（1）

式中 ——舵角與柱塞缸行程的線性增益，m/°

——舵角，rad

舵角位移傳感器的頻響很高，可以看成比例環節，即

（2）

式中 ——舵角位移傳感器的放大系數，V/rad

——舵機位移傳感器的輸出電壓，V

根據以上環節的傳遞函數及動力機構和變量泵系統的模型[2，3，4]，可以得到操舵系統的控制系統原理圖如圖1所示。

圖1 操舵系統的控制系統原理圖

從圖中可以得到隨動控制器為單位比例控制時的操舵系統開環傳遞函數為

（3）

3 控制器設計及仿真

根據以上的分析，完成了隨動系統的傳遞函數模型，再利用液壓仿真軟件AMEsim4.2[5]，對隨動系統的控制器進行設計和仿真分析。

隨動舵系統是單純的電液位置控制伺服系統，其理論和結構都不太復雜，因此仍普遍采用經典PID控制理論來指導隨動舵系統的設計[6]。所建立的模型系統中，對于控制器采用PID控制理論進行設計。

以某型400N.m液壓舵機為例。柱塞直徑為220mm。主泵的選型：Parker Axial Piston Pump PV180，其技術指標：額定壓力，35MPa；最大功率，175KW；最大扭矩，760N.m。電動機選型：Y2系列三相異步電機，其技術指標：額定功率，0.12 315KW；額定頻率，50Hz；額定電壓，380V；額定轉速 ，1440rpm。液壓管路的參數：公稱直徑，32mm；鋼管外徑，42mm；管接頭螺紋，M42 2mm；推薦管路通過流量，250L/min。冷卻裝置的設計：型號為2LQFWA6.0F，其冷卻面積為6.0m2。

所設計系統應滿足：在任何航行條件下，均能保證可靠地工作，即使在最大航速時，亦能保證將舵轉至最大舵角，并有足夠的轉舵速度。對于海船舵機，通常要求從一舷35°。轉至另一舷30°。的所需時間不應超過28s。舵機在最大倒車速度下（一般可取最大正航速度的一半工作時）應不致損壞。

根據以上分析，在AMEsim中建立如下模型，如圖2所示。

圖2 AMEsim仿真模型圖

通過不斷的調整PID的參數，最終得到比較滿意的結果，仿真結果如圖3。

圖3 仿真結果

分析圖3可知，開始前，舵處于沒有偏轉狀態，即舵角為0°。開始后，給了一個指令舵角-35°，即要求舵在一定的時間內偏轉到一側最大舵角處。指令舵角與反饋舵角作差，偏差信號經過隨動控制器，進入變量泵控制變量泵的排量，經過大約13s后，柱塞缸在變量泵的作用下產生了-0.4m的位移，此時舵轉到一側的最大角度35°。圖中的位移傳感器檢測出柱塞缸的位移，并將它轉換成角度反饋回來。在仿真運行到40s時，給出另外一個指令舵角30°，要求在舵從一側35°，轉到另一側30°的時間小于28s。從圖中可知，顯然滿足這樣的條件，設計的隨動控制器符合要求。該控制器是一個比例控制，它的比例增益為0.5。

4 結語

通過對舵機系統模型的分析，設計了其控制系統，并采用AMEsim進行了軟件仿真，驗證了設計結果是符合要求的。同時表明，采用軟件仿真對電液舵機控制系統進行輔助設計具有周期短，易于修改控制系統參數等優點。為類似系統設計提供了參考。

參考文獻：

[1]姚壽廣.船舶輔機，哈爾濱工程大學出版社，2004.

[2]張利平.液壓控制系統及設計.北京：化學工業出版社，工業裝備與信息工程出版中心，2006.

[3]楊征瑞，花克勤，徐軼.電液比例與伺服控制.北京：冶金工業出版社，2009.

[4]許福玲，陳堯民.液壓與氣壓傳動（第二版）.機械工業出版社，2006.

[5]付永領，祁曉野.AMESim系統建模和仿真--從入門到精通.北京航空航天大學出版社，2006.

[6]Tatsuo Arie， Masanori Itoh，Akira Senoh，Nobuhiko Takahashi，Seizo Fujii， and Naoki Mizuno，An Adaptive Steering System for a Ship，IEEE，1985.

作者簡介：舒冠柏（1970—），男，湖北監利人，工程師，現工作于湖北飯店有限公司；

袁媛（1983—），女，湖北石首人，講師，現工作于空軍預警學院三系電路與系統教研室。