朱一杰，胡即明，周建飛，張玉蓮

（浙江海洋大學(xué)東?？茖W(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316004）

液壓絞車是利用液壓馬達(dá)或通過(guò)減速齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)拖動(dòng)滾筒的一種提升機(jī)械[3]，鄭文杰等[4]采用成功導(dǎo)向理論，建立某型錨機(jī)的可靠性模型，對(duì)其可靠性與可修復(fù)性進(jìn)行分析，為錨機(jī)液壓系統(tǒng)可靠性提供了依據(jù)。隨著電液控制元件的改進(jìn)，一些功率較大、響應(yīng)速度快、控制精度高、負(fù)載能力強(qiáng)的場(chǎng)合，電液控制在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中占據(jù)著不可替代的地位。韓強(qiáng)強(qiáng)[5]解決了聯(lián)合仿真的接口與實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，江玲玲等[6]應(yīng)用AMESim 和Matlab 的聯(lián)合仿真技術(shù)建立了閥控缸電液位置伺服系統(tǒng)的PID 控制模型，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合仿真。在四錨定位系統(tǒng)中，電液控制系統(tǒng)是液壓錨機(jī)的核心部分，電液控制系統(tǒng)按其結(jié)構(gòu)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，本論文基于AMESim 液壓仿真軟件對(duì)錨機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，利用Matlab/Simulink模塊對(duì)液壓錨機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)傳統(tǒng)的錨泊系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，引入了電液控制系統(tǒng)來(lái)控制四錨機(jī)的錨鏈?zhǔn)辗牛浞謱?shí)現(xiàn)了錨泊定位的閉環(huán)控制。

1 電液控制錨機(jī)的工作原理與仿真模型

1.1 探礦船電液控制的基本原理

探礦船的定位和移位是通過(guò)控制液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)錨鏈的收放，進(jìn)而達(dá)到探礦船位置調(diào)整的目的。本文采用的是閉環(huán)比例速度控制系統(tǒng)，其調(diào)速系統(tǒng)的原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 探礦船錨機(jī)電液控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of electro-hydraulic control system for anchor of exploration ship

該系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了速度反饋元件而構(gòu)成的。其中比例控制元件是電液比例方向閥，工控機(jī)發(fā)出指令信號(hào)給比例放大器，比例放大器根據(jù)信號(hào)提供相應(yīng)的電信號(hào)給電液比例方向閥的線圈，通過(guò)電信號(hào)的大小調(diào)節(jié)電液比例方向閥的滑閥開(kāi)口量，電液比例方向閥輸出壓力油控制馬達(dá)軸以相應(yīng)的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)錨機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)錨鏈的收放。液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速經(jīng)齒輪減速箱之后向錨機(jī)輸出需要的扭矩,在錨機(jī)另一側(cè)安裝金屬探測(cè)器檢測(cè)錨機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速經(jīng)傳感器檢測(cè)之后經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換，把信息傳遞到工控機(jī)，工控機(jī)把反饋信號(hào)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較得出的偏差信號(hào)由比例放大器放大后輸出給比例電磁鐵，從而控制比例方向閥的開(kāi)口量，對(duì)液流的方向和流量進(jìn)行控制，達(dá)到控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的目的。

1.2 液壓錨機(jī)的AMESim 模型建立

通過(guò)對(duì)電液比例控制原理的介紹，可以在AMESim 軟件中搭建錨機(jī)的液壓仿真模型。不帶反饋的錨泊系統(tǒng)模型見(jiàn)圖2，整個(gè)四錨定位的液壓比例控制系統(tǒng)分為四個(gè)液壓回路，這里只對(duì)其中一支回路進(jìn)行分析，其他支路的工況可以通過(guò)工控機(jī)采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A 處理后，在閥控信息環(huán)節(jié)集中體現(xiàn)。

圖2 不帶反饋的錨泊系統(tǒng)模型Fig.2 Anchor system model without feedback

液壓錨機(jī)的電液比例控制系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：①液壓油供給部分；②信號(hào)處理部分；③液壓馬達(dá)扭矩輸出部分（執(zhí)行部分）。正常情況下，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)液壓泵13 向系統(tǒng)供油，溢流閥14 調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的油壓，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致系統(tǒng)憋壓時(shí)，安全閥閥芯頂開(kāi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行泄壓，對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)起過(guò)載保護(hù)作用。錨機(jī)的正反轉(zhuǎn)是根據(jù)實(shí)際工況與事先導(dǎo)入工控機(jī)的施工圖紙進(jìn)行比對(duì)之后的誤差決定的，實(shí)現(xiàn)錨機(jī)的正反轉(zhuǎn)則由液壓馬達(dá)1 來(lái)控制，電液比例換向閥10 通過(guò)信號(hào)源15 傳輸?shù)男盘?hào)，控制換向閥的閥芯位置，從而實(shí)現(xiàn)液流方向與流量大小的控制。由于錨機(jī)在工作時(shí)載荷不確定，工況多變且惡劣，為提升錨泊定位的精度并達(dá)到調(diào)整速度穩(wěn)定的要求，在錨機(jī)的液控系統(tǒng)中采用了雙向平衡閥16。無(wú)論液壓馬達(dá)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，梭閥18 都處于工作狀態(tài)，梭閥相當(dāng)于兩個(gè)單向閥組合而成的一個(gè)“或門”邏輯閥，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)器20 的控制。而制動(dòng)器其實(shí)就是一個(gè)帶彈簧復(fù)位的單作用液壓缸，當(dāng)電液比例換向閥處于中位的時(shí)候，液壓泵停止向油路供油，液壓馬達(dá)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了精確定位，這時(shí)候錨機(jī)上剎車鋼帶將錨機(jī)剎車。

2 基于AMESim 的液壓錨機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析

電液比例換向閥主要通過(guò)電磁鐵是否受到激勵(lì)或者輸入電流的極性[7]實(shí)現(xiàn)換向的。電液比例換向閥的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。電液比例換向閥的輸入信號(hào)曲線見(jiàn)圖3。

表1 電液比例換向閥的參數(shù)設(shè)置表Tab.1 Parameter setting of electro-hydraulic proportional directional valve

圖3 電液比例換向閥輸入信號(hào)曲線Fig.3 Input signal curve of electro-hydraulic proportional directional valve

電流比例換向閥的額定電流決定了滑閥的方向，令輸入信號(hào)的電流值為Isig，額定電流為Ie。當(dāng)Isig≥Ie時(shí)，換向閥左位工作，當(dāng)-Isig≥Ie時(shí)，換向閥右位工作，當(dāng)Isig∈（-Ie，Ie）時(shí)，滑閥的開(kāi)度與Isig成線性關(guān)系。

在AMESim 的Parameter Mode 下設(shè)置好參數(shù)，然后在Simulation Mode 下對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，在Temporal Analysis Mode（時(shí)域模式）下，設(shè)置仿真時(shí)間為一個(gè)周期6 s，仿真的Print Interval 設(shè)置成0.01 s?？梢钥吹剑?～2 s 內(nèi)，電液比例換向閥電磁鐵輸入電流為-40 mA，換向閥右位工作，液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)，在0.3 s 后速度達(dá)到穩(wěn)定；在2～4 s 內(nèi)，電磁鐵失電換向閥處于中位，曲線在3 s 后才達(dá)到平穩(wěn)，2～3 s 范圍內(nèi)馬達(dá)轉(zhuǎn)速波動(dòng)比較大。4～6 s 內(nèi)，電磁鐵輸入電流40 mA，電磁換向閥閥芯處于左位，超調(diào)量比較大。

身心素質(zhì)主要表現(xiàn)在體質(zhì)水平和心理品質(zhì)兩個(gè)方面。體質(zhì)主要包括體能、身體基本活動(dòng)能力、生理機(jī)能、體格和適應(yīng)能力。體育教育提高學(xué)生體質(zhì)水平的主要路徑是通過(guò)提高學(xué)生的力量、耐力、運(yùn)動(dòng)速度等體能素質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生內(nèi)臟器官特別是心血管系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)的功能。在某種意義上，學(xué)生的體質(zhì)水平越高，他對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力和對(duì)疾病的抵抗力就越強(qiáng)。隨著人們生活節(jié)奏的日益加快和生活方式的不斷改變，越來(lái)越多的人因運(yùn)動(dòng)量不足導(dǎo)致體質(zhì)趨弱，大學(xué)生也不例外。為此，高職院校體育教育應(yīng)該通過(guò)科學(xué)、有效的運(yùn)動(dòng)方式引導(dǎo)學(xué)生積極參與體育運(yùn)動(dòng)，提高他們適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的能力。

由圖4 可以看出，三位四通閥在換向的瞬間，系統(tǒng)出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象是類似的，因此只需對(duì)系統(tǒng)的單位階躍信號(hào)作研究就能了解系統(tǒng)的特性，在下面的仿真過(guò)程中，如無(wú)特殊交代，輸入信號(hào)均為單位階躍響應(yīng)，這樣可以在不影響研究系統(tǒng)特性的前提下節(jié)約仿真時(shí)間。

由圖5 可以看出，在單位階躍信號(hào)下，錨機(jī)的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大的超調(diào)量，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。

圖4 電液控制錨機(jī)時(shí)間-轉(zhuǎn)速圖Fig.4 time speed diagram of electro-hydraulic control windlass

圖5 在單位階躍響應(yīng)下的錨機(jī)時(shí)間-轉(zhuǎn)速圖Fig.5 Time speed diagram of windlass under unit step response

3 四通閥控液壓馬達(dá)的數(shù)學(xué)模型

四通閥控液壓馬達(dá)是一種比較常見(jiàn)的液壓執(zhí)行元件，它是由四通閥與慣性負(fù)載、任意外加負(fù)載力矩、黏性摩擦負(fù)載和帶有彈簧負(fù)載的液壓馬達(dá)組成的。液壓馬達(dá)和負(fù)載的力矩平衡方程、液壓馬達(dá)流量的連續(xù)性方程和四通閥的流量連續(xù)性方程可表示為方程式：

式⑴中：pL為閥的負(fù)載控制壓力；Dm為液壓馬達(dá)的弧度排量；θm為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角位移；Bm為折算到馬達(dá)軸上的粘性摩擦系數(shù)；Jt為折算到馬達(dá)軸上的負(fù)載總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；G 為折算到馬達(dá)軸上的負(fù)載的扭轉(zhuǎn)彈簧剛度；βe為系統(tǒng)的有效容積彈性模量；TL為折算到馬達(dá)軸上的任意外加負(fù)載力矩；Ctm為液壓馬達(dá)的總泄漏系數(shù)，Ctm=Cim+Cem，其中Cim，Cem分別為液壓馬達(dá)的內(nèi)、外泄漏系數(shù)；Vt為液壓馬達(dá)進(jìn)、回油腔的總?cè)莘e，Vt=V1+V2，其中V1，V2分別為液壓馬達(dá)進(jìn)、回油腔的容積（包括馬達(dá)的進(jìn)/回油腔、閥腔容積和連接管道）；Kq為閥的流量增益；Ke為閥的流量-壓力系數(shù)；xv為閥芯控制位移。

對(duì)公式⑴進(jìn)行拉氏變換，并消去中間變量pL和qL，即可得到閥控液壓馬達(dá)在閥芯位移xv與外負(fù)載力矩TL同時(shí)輸入時(shí)，馬達(dá)的總輸出角位移對(duì)閥芯控制位移的傳遞函數(shù)：

液壓馬達(dá)-負(fù)載的傳遞函數(shù)為：

電液比例換向閥的傳遞函數(shù)為：

式中，ωh為液壓固有頻率，ζh為液壓阻尼比。

式(6)中：Kce=Kc+Ctm為閥控液壓馬達(dá)總流量-壓力系數(shù)。

由傳遞函數(shù)(2)、(3)可知，影響動(dòng)力元件頻率特性的主要性能參數(shù)有3 個(gè)，即速度的放大系數(shù)Kq/Dm，液壓的固有頻率ωh，以及液壓阻尼比ζh。其中Kq/Dm的變化將使幅頻特性曲線上下位置發(fā)生變化，使得穿越頻率ωc發(fā)生變化，但不影響相頻特性。ωh的變化將會(huì)影響諧振峰值所對(duì)應(yīng)的頻率位置，ζh的變化將會(huì)導(dǎo)致諧振峰值不同和相頻特性曲線形狀的變化。Kq/Dm增大會(huì)提高系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，穿越頻率提高，能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度，但會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。為保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)良好的控制性能，通常控制負(fù)載壓力pL≤2ps/3。固有頻率ωh則會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，固有頻率ωh增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。而液壓阻尼比ζh對(duì)比例控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕量有直接的影響，為了達(dá)到系統(tǒng)滿意的性能要求，可以提高液壓阻尼比。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的最佳效果，要匹配好Kq/Dm、ωc、ζh三者之間數(shù)量關(guān)系，利用AMESim和Simulink 進(jìn)行聯(lián)合仿真，既發(fā)揮AMESim 在流體方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，又能借助Matlab/Simulink 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力[8]。

4 AMESim 與Simulink 聯(lián)合仿真的實(shí)現(xiàn)

由于不帶反饋的錨泊系統(tǒng)在換向閥換向過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)有明顯沖擊，導(dǎo)致馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性比較差，通過(guò)帶反饋的閉環(huán)控制后，根據(jù)上述傳遞函數(shù)方程，可以在AMESim 中對(duì)原有模型進(jìn)行改進(jìn)與修正，馬達(dá)的性能得到明顯改善，改進(jìn)后的仿真模型見(jiàn)圖6。

圖6 AMESim/Simulink 聯(lián)合仿真的系統(tǒng)模型Fig.6 AMESim/Simulink joint simulation system model

在AMESim/Simulink 的聯(lián)合仿真系統(tǒng)中，加入了一個(gè)蓄能器，蓄能器的作用主要為輔助動(dòng)力源，對(duì)系統(tǒng)保壓或作緊急動(dòng)力源、吸收系統(tǒng)脈動(dòng)、緩和液壓沖擊[9]。該仿真中主要起到對(duì)系統(tǒng)保壓以及吸收系統(tǒng)壓力沖擊作用。在液壓馬達(dá)的輸出端加入一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，把采集到的轉(zhuǎn)速作為輸出量，對(duì)電液比例換向閥的閥芯位置進(jìn)行閉環(huán)控制。

在AMESim 的Sketch Mode（草圖模式）下創(chuàng)建Interface Block，該接口模塊可與Simulink 中SFunction 函數(shù)進(jìn)行接口對(duì)接。S-Function 是Matlab/Simulink 模塊的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，通過(guò)S-Function 用戶可以將所需的模塊放入Simulink 中，從而實(shí)現(xiàn)用戶自定義的算法或者利用操作系統(tǒng)、硬件設(shè)備進(jìn)行交互[10]。將馬達(dá)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)后進(jìn)行轉(zhuǎn)換反饋到換向閥，整個(gè)模型在Matlab/Simulink 環(huán)境下進(jìn)行仿真，具體模型見(jiàn)圖7。

在Simulink 模型中，設(shè)置參數(shù)kp=40，ki=0.05，kd=0.3，系統(tǒng)輸入一個(gè)梯形波信號(hào)，最終得到的錨機(jī)時(shí)間-轉(zhuǎn)速曲線見(jiàn)圖8。在換向閥換向的過(guò)程中振蕩明顯緩解，超調(diào)量也控制在合理范圍之內(nèi)，滿足探礦船在一定條件下的定位要求。

圖7 Matlab/Simulink 環(huán)境下錨機(jī)定位系統(tǒng)仿真模型Fig.7 Simulation model of anchor positioning system in Matlab/ Simulink environment

圖8 錨機(jī)仿真前后時(shí)間-轉(zhuǎn)速曲線Fig.8 Time speed curve of windlass before and after simulation

5 結(jié)論

通過(guò)AMESim 軟件完成了電液控制液壓錨機(jī)的系統(tǒng)搭建，借助AMESim 軟件強(qiáng)大的機(jī)械/液壓建模與仿真能力與Matlab/Simulink 強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出了PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)。仿真的對(duì)比結(jié)果表明，電液控制的錨泊定位系統(tǒng)超調(diào)量降低，振蕩明顯減弱，符合系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。通過(guò)對(duì)探礦船錨機(jī)的電液比例控制系統(tǒng)的AMESim/Simulink 聯(lián)合仿真研究，最終的仿真結(jié)果實(shí)現(xiàn)了四錨定位液壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性與準(zhǔn)確性的最佳匹配，表明探礦船四錨定位電液控制系統(tǒng)的方案是可行的。