基于SimHydraulics物理模型的調距槳控制器設計*

葉珍霞 常廣暉 陳志敏

（1.海裝武漢局駐宜昌地區軍代室 宜昌 443003）（2.海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033）

（3.海軍工程大學艦船與海洋學院 武漢 430033）

1 引言

調距槳可以在一定范圍內改變其槳葉角度，從而調節其載荷和推力，而不需要調整主機的轉速甚至轉向，這種方式提升了各種航行條件下的船舶推進效率［1～2］。由于這些優勢都是定距槳所無法比擬的，所以調距槳在軍用和民用船舶中具有廣泛的應用。基于模型的設計（MBD）方法被證實是一種有效的控制器設計方法［8～9］。借鑒國內外航空、汽車電子領域先進的基于模型設計理念，開展調距槳控制器的基于模型設計研究具有重要的實際意義。基于MBD方法設計控制系統，需要遵循四個步驟：對系統進行建模，為模型設計控制算法，對控制算法進行仿真驗證，最后將設計好的控制算法部署到真實系統上的嵌入式控制器上。模型是系統設計的核心［10］，本文選擇Matlab/SimHydraulics對調距槳液壓系統進行物理建模仿真，其優勢在于：基于物理建模，模型參數和實際裝置物理參數一一對應，這有助于更直觀地了解其工作過程，分析其工作特性。其次SimHydraulics可以無縫連接到Simulink仿真平臺中［5］，在此基礎上可以利用Simulink控制箱快速進行調距槳控制算法設計，優化控制策略和開展軟件在環測試。這樣大大提高了調距槳裝置設計開發的效率［2］。

2 某調距槳液壓系統組成及工作原理

某調距槳液壓系統主要由液壓油泵P1、P2，手搖泵P4，壓力保持泵P3，油箱與控制閥V2、V3，管路附件等組成。該調距槳的液壓系統原理圖如圖1所示。該型調距槳液壓系統由主液壓油路和備用液壓油路兩個油路組成。主液壓油路與備用液壓油路基本一致，油箱中的液壓油經電動泵P1或P2增壓之后，經過濾器進入電磁比例閥V3，比例閥由調距槳電控系統控制，當正向調距時壓力油經A口輸出通過液壓管路和配油器進入液壓缸后腔，從而實現正向調距，與此同時，回油通過管路依次經過配油器B口、回油冷卻器、過濾器回到油箱。反之負向調距時液壓油從B口進，從A口回油。

3 調距槳系統仿真模型

3.1 SimHydraulics簡介

利用SimHydraulics可以方便對各類液壓系統進行物理建模［5～6］。SimHydraulics庫提供了超過75個的液壓和流體機械元件，包括液壓管路、蓄能器、氣缸、一維機械單元和油泵等，在這里可以找到大部分商品化元器件所對應的模型。SimHydraulics能夠自動從模型原理圖中綜合出描述系統行為特征的方程組，從而得到可以直接使用Simulink求解器直接求解的方程組形式，而不是采用同步仿真方法，這樣就可以實現調距槳液壓系統模型和調距槳電控系統Simulink模型的集成［5］。另外利用Malab/SimHydraulics建立液壓模型，我們可以自定義流體屬性和模型，這樣大大提高了模型的靈活性，消除了繁瑣的數學公式推導，令建模仿真變得更加直觀和友好。

3.2 調距槳液壓系統建模

利用SimHydraulics根據上述調距槳液壓系統原理圖建立如圖2所示物理仿真模型。其中在液壓源模塊中，定量泵含有三個端口，其中T、P端口分別為泵的進油端和出油端，而S端口則接到泵的驅動器，即連接一個理想的液壓源。然后根據實際情況設置各模塊參數，其中通過常量模塊來設置泵的額定壓力為1MPa，設置液壓油模塊的液壓油類型為Oil SAE-30。而求解器模塊一般按照其默認設置即可。

圖2 帶控制器的調距槳液壓系統仿真模型

為了模擬調距槳槳葉在海水中工作時的受力情況，在雙作用液壓缸后面增加阻尼模塊、質量模塊和彈簧模塊。質量模塊設為450kg，阻尼系數設置為100N/（m/s），彈性系數設置為205N/m。液壓缸自身A、B端面積分別為0.104m2，0.052m2，活塞行程為19.6cm，連接剛性系數1e8/m連接阻尼系數150 N/（m/s）。液壓系統在仿真是可以通過理想位移傳感器（Ideal TranslationalMotion Sensor）和流量傳感器（Hydraulic Flow Rate Senso）實時測量系統的管路的流量、電磁閥閥芯位移和液壓缸活塞位移等物理參數，可便于分析其工作特性。

3.3 調距槳控制系統建模

該型調距槳設有自動隨動控制和本地手動控制兩種方式［7］。在自動控制方式下由集控臺的車鐘下達螺距指令，通過PID控制器構成閉環回路實現隨動控制。在本地手動控制方式下，分別按壓正車和倒車按鈕進行調距槳開環作用下的正向和負向調距。自動控制的PID控制器選用Simulink中通用PID Controller模塊，其傳遞函數為

其中比例系數P=0.12，積分系數I=0.1，微分系數D=0.01，濾波系數N=20，抗積分飽和算法選用back-calculation算法。

手動控制時通過自復位按鈕調節螺距的增減，兩者形成互鎖，互不干擾。為了實現以上邏輯手動控制策略建模如圖3所示。為了使整個仿真模型更加簡潔直觀，將手動控制系統封裝成本地控制子系統，加上電控系統后的整個調距槳仿真模型圖2所示。

圖3 調距槳手動控制仿真策略

4 嵌入式控制器設計

4.1 嵌入式控制電路板

調距槳的嵌入式控制電路板采用核心板+底板結構的模塊化設計方案。核心板采用Cortex-M3內核ARM STM32F103ZET6作為MCU，在此基礎上集成DM9000BI以太網通信電路［11］和FLASH存儲電路等。底板主要是電流采集電路、電流輸出電路、數字接口電路等。電流采集電路用于采集調距槳反饋的0～20mA電流信號形式的螺距信號，而控制器輸出0～20mA電流信號形式的控制信號通過信號隔離模塊轉換成±10V電壓信號，然后驅動比例閥放大器從而控制調距槳液壓系統動作。數字接口電路主要是接受本地控制的按鈕信號。底板電路如圖4所示。

圖4 底板電路圖

4.2 代碼自動生成

代碼自動生成的目的就是將上述抗積分飽和PID控制器以及手動控制策略生成為直接可以控制實際調距槳裝置的C代碼。

自動生成的控制代碼同底層驅動代碼數據交互采用Simulink全局變量的方式實現，將控制模塊的輸入輸出信號取名為current_feedback（螺距反饋），current_setpoint（螺距設定），control_ouput（控制輸出）digital_in1（螺距加），digital_in2（螺距減），并將信號設置為Test Point，儲存類型設置為ExportedGlobal，這樣在驅動程序中就可以方便調用這些變量了。

接下來在Simulink配置對話框中，選用ert.tlc系統目標文件，硬件類型選擇ARM Cortex類型，設置好之后就可以將使用build命令利用Embedded Coder將控制模塊生成高效率的嵌入式C代碼［12～13］，生成的代碼如圖5所示。

圖5 自動生成代碼圖

4.3 代碼軟件集成

調距槳控制軟件采用實時操作系統uCOS-II進行模塊嵌入式系統軟件設計，基礎是線程設計。控制軟件應實現電流信號形式的螺距反饋信號采集和開關量形式的本控按鈕輸入、螺距的PID控制以及以太網通信程序（向上位機實時上傳控制數據）等功能，因此模塊驅動軟件應包含1個ISR和4個線程分別是DM9000數據接收中斷服務程序、信號測量線程、螺距控制線程、以太網通信線程。為了實現自動代碼和控制軟件的集成，將上節自動生成的控制代碼中的PIDcontrol_step（）函數在螺距控制線程的線程函數中進行調用，并將線程的任務延時設定為5ms（與仿真步長一致），這樣就實現了調距槳的實時控制。

5 實驗驗證

5.1 自動控制實驗

為了驗證上述基于模型設計方法，實驗通過固緯AFG-2225多功能信號發生器模擬車鐘產生的螺距指令信號給嵌入式控制電路板通過自動生成的代碼實現螺距的自動調節。螺距給定值設為1.2（實際調距槳螺距調節范圍為-0.6～1.36），實驗結果如圖6所示。

圖6 螺距隨時間變化曲線

5.2 手動控制實驗

在本地控制模式下連續按壓正車手動開關，使調距槳從零螺距增大到正向最大螺距，以及連續按壓倒車手動開關，使調距槳從零螺距減少到負向最小螺距的實驗結果如圖7所示。

圖7 手動控制仿真結果

5.3 實驗結果分析

從實驗結果可以看出，在自動控制工況時調距槳從零螺距變化到1.2螺距時需要大約6s時間，在前4.6s電磁比例方向閥V3的閥芯處于正向最大位置0.005m處，此時流量不變，螺距基本按照一定的斜率進行調距，當接近設定螺距時為了減少系統超調在PID控制下閥芯位移開始減小，這增加了螺距調節的光滑性改善了系統調節性能。而手動控制時由于控制的是電磁換向閥V2，調距過程中閥芯開度不變，所以調距過程基本成線性關系。手動調距零螺距到最大正向螺距需要大約6s，零螺距到最大負向螺距需要大約3s，與實際裝置原PLC控制系統控制結果基本相同。

6 結語

本文采用Simulink/SimHydraulics平臺實現了某調距槳系統的模型構建，同時SimHydraulics的模塊化建模過程還可以幫助工程研究人員擺脫繁瑣的數學建模過程，使建模環境更加直觀和友好。模型的物理參數和運行特性與實際調距槳裝置一致，這樣就可以方便在Simulink環境下設計合適的螺距控制器。控制器設計完成后通過Embedded Coder將控制器生成高效率的嵌入式C代碼與底層驅動代碼以實時操作系統多線程的方式進行集成并最終部署于基于STM32的調距槳嵌入式控制電路板中。通過自動控制、手動控制實驗，驗證了使用MBD方法簡化了嵌入式控制器的設計過程，縮短了設計時間和提高了設計效率。該MDB方法流程為其他復雜系統控制器的設計提供了很好的借鑒。