包 青

(南京板橋汽渡管理處,江蘇南京 210012)

0 引言

舵機是保持或改變船舶航向,保證安全運行的重要設(shè)備,目前稍大一些的船舶大部分采用液壓舵機。液壓舵機分為閥控型和泵控型兩種。閥控型舵機系統(tǒng)簡單、造價低、控制方便,但傳統(tǒng)大多采用一般的換向閥,液壓沖擊較大,可靠性較低。隨著自動化技術(shù)和液壓技術(shù)的發(fā)展,電液伺服系統(tǒng)以其控制精度高、響應(yīng)速度快、信號處理靈活、輸出功率大等優(yōu)點[1],在船舶舵機系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。計算機仿真技術(shù)的發(fā)展,使得液壓系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性可以通過仿真分析來得到。但傳統(tǒng)的仿真一般是先建立數(shù)學(xué)模型,然后再進行仿真分析,對工作者要求較高并且十分復(fù)雜。而采用EASY5軟件進行的圖形化建模方法,只需按要求連接組建和設(shè)定參數(shù),無需建立數(shù)學(xué)模型,并且EASY5采用多種“開-關(guān)狀態(tài)”判斷邏輯處理非線性和不連續(xù)狀態(tài)方程,結(jié)合多種改進的變步長、定步長積分算法,使得分析結(jié)果逼真、可信[2]。本文采用 EASY5對某船舶舵機電液伺服系統(tǒng)進行建模并仿真,分析了系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性,分析結(jié)果對熟悉系統(tǒng)性能,優(yōu)化系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。

1 舵機電液伺服系統(tǒng)的組成和工作原理

舵機電液伺服系統(tǒng)主要由油源、濾器(粗濾器、精濾器)、溢流閥、電液伺服閥和油缸等組成。在該系統(tǒng)中電液伺服閥起電信號和液壓信號之間的轉(zhuǎn)換作用,同時又起信號放大作用,其性能的優(yōu)劣對系統(tǒng)的控制精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性影響很大,是系統(tǒng)的核心元件[3]。其液壓系統(tǒng)原理圖如圖 1所示。

該舵機電液伺服系統(tǒng)具有完全相同的左右兩套液壓回路,在不同工況下可以單機工作也可以雙機組并聯(lián)工作。單機工作時,從油泵P1輸出的壓力油經(jīng)精濾器 F1后,清潔的液壓油進入串接的電液伺服閥,當(dāng)電液伺服閥收到來自操舵儀的放大控制電信號時,電液伺服閥的閥心移動,輸出液壓能源進入油缸C1,使油缸C1活塞桿產(chǎn)生位移,從而推動轉(zhuǎn)舵機構(gòu),使舵葉轉(zhuǎn)動。舵機轉(zhuǎn)動方向及角度由操舵儀給定信號決定,當(dāng)舵機到位時,控制信號與反饋信號的偏差為 0,放大器沒有輸出信號,電液伺服閥回到 0位(中間位置),舵機便停止在被控制的位置上,系統(tǒng)的壓力由溢流閥YR1決定。此外,當(dāng)油箱液位低于某一指定值時,液位繼電器KY1接通報警,提示管系泄漏或油液自然耗損。當(dāng)精濾器 F2進出口壓力差大于0.35MPa時,差壓繼電器KP1接通報警,提示應(yīng)更換濾芯。

圖1 舵機電液伺服系統(tǒng)原理圖

2 在EASY5中模型的建立

根據(jù)系統(tǒng)的組成,在EASY5中建立單機運行工況下的仿真模型如圖 2所示[4]。建模中系統(tǒng)主要參數(shù)的設(shè)定如下:泵的轉(zhuǎn)速為150r/min;每轉(zhuǎn)排量為150cm3/r;管路的水力直徑為1cm;伺服閥的自然頻率為120Hz;阻尼比為 0.8;油缸無桿腔面積為25cm2;有桿腔面積為12.5cm2;負(fù)載等效彈簧剛度為100N/cm。

圖2 舵機電液伺服系統(tǒng)在EASY 5中的仿真模型

3 仿真與結(jié)果分析

實際操舵時,系統(tǒng)輸入的是舵轉(zhuǎn)動的角度信號,其與活塞桿的位移信號存在一一對應(yīng)關(guān)系,以舵角轉(zhuǎn)動 5°的情況為例進行仿真分析。當(dāng)舵角轉(zhuǎn)動 5°時,活塞桿移動 10cm,設(shè)定系統(tǒng)活塞桿位移按照圖3所示的指令信號運動。仿真運行 20s,采用吉爾算法,為表示方便,無桿腔用“extend”,有桿腔用“retract”表示,指令位移信號用“commandposition”表示,活塞桿反饋位移信號用“actuatorposition”表示。在 1s時,系統(tǒng)突加一個舵角轉(zhuǎn)動 5°的信號,當(dāng)舵角轉(zhuǎn)動到5°時(活塞桿移動10cm),保持5°舵角到16s;16～18s時,緩慢移動舵角回歸 0位;18～20s時舵葉在 0位保持不動。

圖3 與舵角指令對應(yīng)的位移指令信號

圖4～圖 5為系統(tǒng)中一些參數(shù)的仿真結(jié)果。

從圖4中可以看出:控制信號與反饋信號曲線非常相近,說明系統(tǒng)能很好地執(zhí)行轉(zhuǎn)舵信號。在系統(tǒng)突加一個 5°的轉(zhuǎn)舵信號時,系統(tǒng)響應(yīng)過程大約經(jīng)歷了0.7s,過渡過程反映了系統(tǒng)的動態(tài)特性,說明系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)良好。當(dāng)平穩(wěn)操縱舵角回歸 0位時,系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行發(fā)出的舵角信號指令。

圖4 指令信號與活塞桿反饋位移信號比較

圖5中可以看出:在突加轉(zhuǎn)舵信號時,系統(tǒng)的壓力波動較大。當(dāng)?shù)竭_(dá)指定舵角位置后,液壓缸兩腔壓力能夠很快達(dá)到穩(wěn)定,并且壓力波動角小,說明伺服閥的比例增益適當(dāng),動態(tài)特性較好。當(dāng)慢施加轉(zhuǎn)舵信號時,系統(tǒng)壓力波動較小,與實際情況吻合。

在仿真過程中,某些參數(shù)設(shè)定的好壞對系統(tǒng)的性能影響很大,比如伺服放大器的放大倍數(shù)(Ka)就直接影響到輸出油液的壓力和質(zhì)量流量;還有活塞的位移。圖 6～圖 8給出了在不同的積分環(huán)節(jié)放大倍數(shù)下系統(tǒng)活塞桿位移隨時間的輸出特性。

圖6 Ka=5時位移特性

圖7 Ka=15時位移特性

圖8 Ka=30時位移特性

從圖6、圖7、圖8的比較中可以發(fā)現(xiàn),若放大倍數(shù)過大,系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快,但是穩(wěn)定性較差;放大倍數(shù)過小,則響應(yīng)速度又太慢,也不是所期望的。在EASY5中可通過參數(shù)的穩(wěn)態(tài)分析功能,得出在Ka=10時,系統(tǒng)的過渡品質(zhì)良好,這種分析方法對優(yōu)化系統(tǒng)性能有重要參考價值。

4 結(jié)論

本文以某船舶舵機電液伺服系統(tǒng)為研究對象,采用EASY5仿真軟件建立了其動態(tài)過程仿真模型并進行了仿真分析,仿真結(jié)果與實際運行情況基本一致,反映了所建模型的正確性,也很好地反映了整個系統(tǒng)的特性。仿真過程中可及時修改參數(shù),并能直觀地得出仿真結(jié)果,方便實用,同時利用EASY5獨特的穩(wěn)態(tài)掃描分析功能,可方便地分析出系統(tǒng)中某些參數(shù)變化對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的影響,這對船舶舵機液壓系統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化設(shè)計有著重要的意義。

[1] 雷天覺,等.新編液壓工程手冊[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1998.

[2] 程鋼,王紅巖,王良曦.基于MSCEasy5的車輛液壓控制閥動態(tài)特性仿真[J].計算機輔助工程,2006,15(S):163-164.

[3] 趙平格,等.液壓傳動與控制[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 194-197.