基于液压舵机的船舶舵机系统的模型建立

基于液压舵机的船舶舵机系统的模型建立

祝中华

，

陈姚节

（武汉科技大学计算机学院，武汉430065）

关键词：液压舵机；舵机控制；建模

收稿日期：2012-07-06修稿日期：2012-08-06

作者简介：祝中华（1991-），男，湖北荆州人，本科，研究方向为计算机智能控制

以上海江南造船厂的某船的拨叉式液压舵机为仿真对象，根据船舶特点和液压舵机的结构

特点及工作过程，详细地阐述舵机控制的基本原理，并考虑船舶操作参数值以及各种环境参数建立船舶舵机系统的数学模型。并对分舵机模型与自由舵模型两个方面进行较为透彻的叙述。

摘

要：0引言

随着科技迅速发展，尤其是计算机技术和信息技

术的迅速发展，在各个工业领域，甚至社会科学领域，建模与仿真日益突出，正在迅速发展成为一种新兴的社会生产力。

随着人们对物理过程理解的不断深入，计算机软件和硬件的发展、建模和仿真技术必将不断发展、深化，更广泛地在各个领域发挥更大的作用[1~2]。船舶航向控制是驾驶人员保持或改变船舶航向，保证船舶安全航行，船舶一旦失去控制，将会发生海损事故，甚至发生重大海难事故。为了满足IMO 和国家海事局规定的驾驶员和值班水手培训任务的需要，提高远洋船舶驾驶员的船舶操纵能力，近几年我国各航海院校相继开发了针对船员培训的功能完善、性能先进的航海模拟器。

1舵机控制原理

目前，大型船舶几乎全部采用液压舵机。液压舵机

是利用液体的不可压缩性及流量、流向的可控性来达到操舵目的的。根据液压油流向变换方法的不同，有两类：①泵控型;②阀控型。拨叉式液压舵机属于泵控型液压舵机，基本原理如图1所示。

1-电动机2-双向变量泵3-放气阀4-变量泵控制杆5-浮动杆6-储能弹簧7-舵柄8-反馈杆9-撞杆10-舵杆11-舵角指示器的发送器12-旁通阀

13-安全阀

14-转舵油缸

15-调节螺母

16-液压遥控受动器

17-电气遥控伺服油缸

图1泵控制舵机的原理图

泵控型液压舵机原理：轴向柱塞变量油泵设于舵机室，由电动机l 驱动作单向回转。油泵的流量和吸排方向，则通过与浮动杆5的C 相连接的控制杆4控制。即依靠油泵控制C 偏离中位的方向和距离，来决定泵的吸排方向和流量。此种舵机采用往复式转舵机构。由

油缸14(固定在机座上)和撞杆9(可在缸中往复运动)等组成。当油泵按图示吸排方向工作时，泵就会通过油管从右侧油缸吸油，排向左侧油缸，撞杆9在油压作用下向右运动(油液可压缩性极小)。撞杆通过中央的滑动接头与舵柄7联接，舵柄7的一端又用键固定在舵杆10的上端。撞杆9的往复运动就可转变为舵叶的偏转。改变油泵的吸排方向，则撞杆和舵叶的运动方向也就随之而变[7]。

2船舶舵机系统的数学模型建立

2.1舵机模型的建立

川崎舵机为泵控式舵机，舵机不设置传统的三点浮动杆机构，而是采用电反馈信号而测量实际舵角，由伺服马达控制油泵控制杆。川崎舵机采用往复拨叉式液压转舵机构，如图2所示，两对往复式推舵油缸将油液的压力转换为缸内柱塞的机械能，推动舵柄左右转动，带动舵轴转动从而使舵叶改变角度[3]。拨叉式转舵机构具有结构简单，侧推力由撞杆承受，无需导板，加工和拆装比较方便等特点。

图2拨叉式舵机转舵机构图

图2中，Q为液压油流量；Δp为撞杆两侧油压差产生的推舵压力：D为撞杆直径；y为舵叶转动α角度后撞杆的位移；R为舵杆中心至油缸中心线的距离。

为简化分析，在推导舵机液压系统回路动态方程之前作如下假设：

（1）忽略泵和液压缸之间管路与各个阀的压力损失；

（2）泵和液压缸的泄漏流态为层流；

（3）不考虑液压泵供油的脉动性。

①液压缸中的撞杆运动平衡方程：

由于大多数液压位置控制系统其负载主要是惯性负载，往往没有弹性负载或弹性负载甚小，因而液压缸的静态力平衡方程式为：

AΔp=my··+B c y·+F1（1）

式中：y··为撞杆移动的加速度（m/s2）；y·为撞杆移动的速度（m/s）；A为动力缸撞杆面积和（m2）；m为液压缸和负载的总质量（kg）；B

c

为负载和液压缸的粘性阻尼

系N/（m/s），0.2~0.5；F

1

为作用于液压缸上的任意外负载力（N）。

②液压系统流量平衡方程：

Q=C pΔp+V0

B c

Δp·+Ay·（2）

式中：V

为液压油发生形变前的体积（m3），可折算为油泵排出的体积，即：

V0=乙Qdt（3）

C p为系统泄露系数，10-14；B c液压油弹性模量，700~1000Mpa。

③油泵的流量：

本模型采用斜盘式轴向柱塞变量泵，其流量可表

示如下：

Q=ηv A1D1Z n tanβ（4）

式中：η

v

为油泵的容积效率，当工作油压>20MPa

时约为0.92~0.95，当<20MPa时约为0.95~0.98；A

1

为柱

塞面积（m）；D

1

为柱塞中心分布圆直径（m）；N为油泵转速，1800r/min；β为斜盘倾角，最大24.5；Z为柱塞个数。

④舵角：

由图2可知：

α=arc tan y

R

（5）式中：R为舵柱中心到油缸中心线的距离（m）。

⑤舵轴的力矩平衡：

舵叶所受压力F

N

对舵杆轴线所产生的力矩称为

舵叶的水动力矩，用T

a

表示

T a=F N X c=（F1cosα+F D sinα）X c=1

2

C NρAv2X c（6）

式中：

C N=C t cosα+C

D sinα（7）

式中：C

t

，C D分别为升力、阻力系数，其大小随舵角α变化而变化，并与舵叶的几何形状有关；v为舵叶处