翼帆回转液压系统非线性补偿控制实验特性研究

Hydraulics Pneumatics &Seals/No.04.2017doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2017.04.008收稿日期：2016-09-19基金项目：工信部高技术船舶科研计划项目（工信部联装（2014）508号）作者简介：赵志强（1988-），男，吉林双辽人，助教，硕士，从事现代轮机管理工程教学与研究工作。

0引言近年来环境污染和能源危机，航运界响应国家“节能环保”的号召，掀起了对清洁能源开发的热潮。

其中，曾一度作为船舶主要动力的风能，以其高效、节能、环保等优点再次得到航运界的青睐。

当下开发和使用风力的翼型风帆助航船舶，是利用海上的风能为船舶提供辅助推力，由此而降低船舶燃油消耗并减少排放。

本文基于“风力助航襟翼帆”，搭建该襟翼帆的液压回转实验台（如图1），在该翼帆空气动力特性基础上图1翼帆回转液压实验台实物图研究、分析该实验台回转液压系统的实验特性[1-3]。

1翼帆回转实验台非线性补偿控制1.1翼帆回转液压实验台工作原理参照实船使用要求，所设计翼帆应具有360°全方位、高精度和高可靠性回转的特性，最终设计翼帆回转系统工作原理图如图2所示，开式液压系统中3为低速大扭矩马达，为翼帆回转提供驱动力；翼帆所受回转力矩由“加载器”模拟施加；7为液压齿轮泵，为液压系统提供液压能；减速齿轮组1中的a 表示大齿轮，模拟翼帆回转平台，其起动、制动和转速等特性即为翼帆回转特性；“控制器”为EPEC 可编程控制器，其与计算机之间用CAN 总线连接，将实时采集的流量、转速、扭矩等数据反馈给计算机，并将计算机输入的电磁阀换向、调速阀控制信号和加载器控制信号分别输入相应的元件；阀组6中的比例调速阀用于调节系统流量，是翼帆回转中起动、制动的控制元件[4]。

但是比例调速阀的磁滞现象、阀口流通面积等非线性因素均可能导致起动、制动过程中转速呈非线性，不利于开式系统精确控制，因此需要非线性补偿控制。

翼帆回转液压系统非线性补偿控制实验特性研究赵志强1，黄连忠2，余培文1，孙毅3(1.广东海洋大学航海学院，广东湛江524013；2.大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连116026；3.中国船级社湛江分社，广东湛江524001)摘要：翼帆回转液压系统工作应具备稳定性，在所搭建的翼帆回转液压实验台上，翼帆回转可以通过对该液压系统中的比例调速阀缓慢开启、关闭动作进行缓慢起动、制动，在对比例调速阀非线性补偿控制的基础上，将不同类型的起动、制动控制信号分别施加于比例调速阀，以可靠性和稳定性为评价标准，最终确定最佳控制信号，为翼帆回转实验台控制器设计奠定基础，同时为翼帆回转系统设计和实船应用提供实验研究基础。

关键词：翼帆；比例调速阀；实验特性；回转液压系统中图分类号：TH137.1；U664.31文献标志码：A文章编号：1008-0813（2017）04-0027-03Nonlinear Compensation Experimental Features of Wing-sail Slewing Hydraulic SystemZHAO Zhi-qiang 1，HUANG Lian-zhong 2，YU Pei-wen 1，SUN Yi 3(1.Navigation College,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524013,China;2.Marine Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China;3.Zhanjiang Branch,China Classification Society,Zhanjiang 524001,China)Abstract ：Wing-sail slewing hydraulic system should work stably.The starting and braking process of the wing-sail slewing can be adjusted to be slow by opening and closing the proportional velocity regulating valve slowly.Based on nonlinear compensation of the proportional velocity regulating valve,different types of control signals are exerted on the valve.Optimal control signal is eventually figured out with reli-ability and stability as evaluation standards.The study lays experimental foundation for the design of wing-sail slewing experimental table controller,and for the design and onboard application of wing-sail slewing system.Key words ：wing-sail;proportional speed regulating valve;experimental feature;slewing hydraulic system27液压气动与密封/2017年第04期1-减速齿轮组a-翼帆回转平台2-液压泵进、出口压力传感器3-低速液压马达4-流量传感器5-单向阀6-电磁阀组7-液压泵8-油箱图2翼帆回转系统原理图1.2非线性补偿控制分析对翼帆回转过程中的起动、制动过程的转速采用线性控制信号起动和制动的方式进行多次测量，同时测量其对应的调速阀输入电流，绘制转速与调速阀电流关系曲线如图3所示。

图3转速-电流关系曲线从图中五条折返曲线中可以看出，翼帆回转起动过程的速度上升曲线明显呈非线性增长；而回转制动过程中速度下降曲线与电流基本呈线性关系。

曲线图表明，如果调速阀的输入电流从最小值开始，直至起动阶段速度升高过程结束，那么不同折返转速的速度上升曲线合而为一，并且是唯一确定的，则该升速过程的数学模型可以表示为：ωf (I )=∑k =0m φk I k +φI -1（1）同时，如果制动阶段的降速过程是从某一折返点开始，则其速度下降曲线也是唯一确定的，则该降速过程的数学模型可以表示为：ωr (I )=∑k =0m γk I k +γI -1（2）其中：m 为电流变化量的阶数；各项系数φ、γ、φk 、γk 可由实验确定[5-6]。

根据翼帆回转的各个转速工况下的速度上升、速度下降曲线数学模型，使用逆函数非线性补偿的控制方法进行优化，系统采用开环控制，如图4所示。

其中：ω（I ）为转速模型函数，ω-1（I ）为其逆函数；设目标转速为R （I ），实际输出为R 实（I ），则输入的补偿电流可以表示为：u *(I )=ω-1(R (I ))（3）系统实际输出R '(I )=ω(u *(I ))=ω(ω-1(R (I )))（4）图4翼帆回转补偿控制方框图即采用逆函数法，根据转速的期望输出R(I)和升速、降速数学模型求取输入电流u *（I ），并且在该补偿电流作用下尽量保证转速实际输出值R 实（I ）与转速期望输出值R （I ）保持一致[7-8]。

2翼帆回转液压系统实验特性翼帆回转控制中，起动与制动过程是重要环节，起动与制动过程的可靠性、稳定性直接或间接影响到转帆精度和翼帆回转的安全。

实验中输入加载器的风阻力矩为翼帆模型在风洞试验室中测得的各个攻角下的风阻力矩（如图5）[9]，按照10:1的比例缩小。

图5风速为26m/s 时风阻力矩随攻角变化曲线图实验采用四种控制信号（正弦信号、线性信号、对数信号、指数信号）对翼帆回转平台的起动和制动过程进行控制，即控制调速阀的开启和关闭。

2.1起动阶段实验特性实验研究起动阶段实验中配置两个压力传感器分别实时地检测并记录低速液压马达进口和出口压力值，输入调速阀的控制信号比率如图6所示；起动过程中设置四种控制信号时域为4s ；0.05s 采样一次。

图7所示为起动阶段的压力特性对比曲线图。

图6起动阶段四种控制信号比率对比图28Hydraulics Pneumatics &Seals/No.04.2017图7起动阶段系统压力特性对比曲线图以线性信号为基准，对起动阶段的四种控制信号压力特性进行对比分析，数值分析如表1所示。

得到结论如下：①对数信号控制下系统起动压力峰值及最大压力波动均比线性信号差，且3~4s 时段波动较为剧烈；②正弦和指数信号起始压力峰值和最大压力波动比线性信号降低，尤其是指数信号，其控制效果对于系统的压力稳定性最有利。

表1起动阶段实验结果对比分析表控制信号正弦线性对数指数初始压力峰值(bar)5.85.96.44.7优化百分比(%)-1.7-+8.5-20.3最大压力波动(bar)2.12.32.61.1优化百分比(%)-8.7-+13.0-52.22.2制动阶段实验特性实验研究制动阶段实验中对调速阀的控制信号如图8。

图8制动阶段四种控制信号比率对比图制动过程时域为4s ，压力特性曲线如图9所示，数值分析如表2所示，分析如下：正弦和对数信号相对于线性信号优化效果较为明显；指数信号制动过程中波动较为剧烈，稳定性较差。

图9制动阶段系统压力特性对比曲线图综合起动与制动过程实验结果：对数信号在起动过程中相对线性信号特性较差；指数信号在制动过程中相对线性信号特性较差。

因此，选取“正弦信号”作为翼帆回转实验台最佳控制信号。

表2制动过程实验结果分析表控制信号正弦线性对数指数制动结束压力峰值(bar)10.511.810.612.0优化百分比(%)-11.0--10.2+1.7最大压力波动(bar)1.52.31.22.6优化百分比(%)-34.8--47.8+13.03结论通过对翼帆回转液压实验台进行实验研究，可以得到如下结论：①利用翼帆回转液压实验台模拟翼帆实际回转运动具有较高可行性；②在所研究的四种控制信号中，对所设计的翼帆回转液压实验台最为有利的是正弦控制信号，在其控制下系统的稳定性和安全性最佳。

本实验研究为翼帆回转液压实验台控制策略实验基础，同时为翼帆的实船使用奠定基础。

参考文献[1]REN Hongying,SUN Peiting,ZHAO Youtao,et al.Research on the Wing ’s Thrust of “Wenzhuhai ”Ship with Install Wing[J].Advanced Materials Research,2012,462:307-312.[2]刘绪儒,黄连忠,林煜翔,等.基于AMESim 船舶风翼回转液压系统仿真分析[J].液压气动与密封,2013,(4):30-34.[3]刘军,巩秀江,赵鹏杰.开式液压系统振动压路机整车抖动探析[J].液压气动与密封,2016,(7):58-59.[4]赵志强,闫亚胜,黄连忠,等.翼帆回转实验台液压系统实验特性研究[J].液压与气动,2014,(9):15-18+42.[5]Seung-Bae Jung.Improvement of Scanning Accuracy of PZT Piezoelectric Model-reference Control [J].Precision Engineer⁃ing,1994,16(1):49-55.[6]张元良,刘欣,方加宝,等.压电陶瓷的磁滞现象对位移精度的影响[J].制造技术与机床,1998,(4):7-8+39.[7]舒亮,陈定方,卢全国.一种新的磁滞非线性前馈补偿算法[J].自动化学报,2009,35(7):953-958.[8]赵志强,闫亚胜,黄连忠,等.船舶翼帆回转速度的非线性补偿控制[J].哈尔滨工程大学学报,2015,(10):1346-1350.[9]林煜翔.风力助航船舶襟翼帆的设计研究[D].大连:大连海事大学,2013:29-46.[10]李建光.装船机安全制动器液压系统故障分析[J].液压气动与密封,2015，35(1):75-78.[11]盖晓明，黎华.浅谈摊铺机液压系统故障快速诊断[J].液压气动与密封,2015，35(5):72-74.[12]王海玲,等.某型控制阀故障分析与改进[J].液压气动与密封,2015，35(6):44-45.29。