引言

舵機(jī)是保持或改變船舶航向，保證安全運(yùn)行的重要設(shè)備。目前，稍大一些的船舶，幾乎全部采用液壓舵機(jī)。液壓舵機(jī)分為閥控型和泵控型2種。閥控型機(jī)系統(tǒng)簡單，造價(jià)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(dòng)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(diǎn)，在船舶舵機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，使得液壓系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性可以通過仿真分析來得到，但傳統(tǒng)的仿真一般是首先建立數(shù)學(xué)模型，然后再進(jìn)行仿真分析，對工作者要求較高并且十分復(fù)雜，而采用EASYS軟件進(jìn)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EASYS采用多種"開一關(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(jìn)的變步長、定步長積分算法，使得分析結(jié)果逼真、可信。本文采用EASYS對某船舶舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行建模并仿真，分析了系統(tǒng)的動(dòng)、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(jī)電液伺服系統(tǒng)的組成和工作原理

舵機(jī)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。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(shí)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。其液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示：

該舵機(jī)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(jī)工作也可以雙機(jī)組并聯(lián)工作。單機(jī)工作時(shí)，從油泵P輸出的壓力油經(jīng)精濾器F后，清潔的液壓油進(jìn)人串接的電液伺服閥，當(dāng)電液伺服閥收到來自操舵儀的放大控制電信號時(shí)，電液伺服閥的閥心移動(dòng)，使輸出液壓能源進(jìn)人油缸C，使油缸C活塞桿產(chǎn)生位移，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)，使舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及角度由操舵儀給定信號決定，當(dāng)舵機(jī)到位時(shí)，控制信號與反饋信號的偏差為零，放大器沒有輸出信號，電液伺服閥回到零位(中間位置)，舵機(jī)便停止在被控制的位置上，系統(tǒng)的壓力由溢流閥YR決定。此外，當(dāng)油箱液位低于某一指定值時(shí)，液位繼電器KY接通報(bào)警，提示管系泄漏或油液自然耗損。當(dāng)精濾器F2進(jìn)出口壓力差大于0. 35 MPa時(shí)，差壓繼電器KPl接通報(bào)警，提示應(yīng)更換濾芯。

2 在EASYS中模型的建立

根據(jù)系統(tǒng)的組成，在EASYS中建立單機(jī)運(yùn)行工況下的仿真模型如圖2所示。建模中系統(tǒng)主要參數(shù)的設(shè)定如下:泵的轉(zhuǎn)速為150 r/min;每轉(zhuǎn)排量為150 cm3/r;管路的水力直徑為I cm;伺服閥的自然頻率為120 Hz;阻尼比為0. 8;油缸無桿腔面積為25cm2;有桿腔面積為12. 5 cm2;負(fù)載等效彈簧剛度為100 N/cm。

3仿真與結(jié)果分析

實(shí)際操舵時(shí)，系統(tǒng)輸人的是舵轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)5°的情況為例進(jìn)行仿真分析，當(dāng)舵角轉(zhuǎn)動(dòng)5°時(shí)，活塞桿移動(dòng)10 cm，設(shè)定系統(tǒng)活塞桿位移按照圖3所示的指令信號運(yùn)動(dòng)。

仿真運(yùn)行20s，采用吉爾算法，為表示方便，無桿腔用"無腔桿壓力"，有桿腔用"有腔桿壓力"表示，指令位移信號用"指令信號"表示，活塞桿反饋位移信號用"反饋位移信號"表示。在1。時(shí)，系統(tǒng)突加一個(gè)舵角轉(zhuǎn)動(dòng)5"的信號，當(dāng)舵角轉(zhuǎn)動(dòng)到5。時(shí)(活塞桿移動(dòng)10 cm )，保持50舵角到16 s,16~18s，緩慢移動(dòng)舵角回歸0位，18 - 20 s舵葉在0位保持不動(dòng)。圖4-圖5是系統(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(gè)5°的轉(zhuǎn)舵信號時(shí)，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(dòng)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(shí)，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行發(fā)出的舵角信號指令。


圖5中可以看出，在突加轉(zhuǎn)舵信號時(shí)，系統(tǒng)的壓力波動(dòng)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(dòng)角小，說明伺服閥的比例增益適當(dāng)，動(dòng)態(tài)特性較好，當(dāng)慢施加轉(zhuǎn)舵信號時(shí)，系統(tǒng)壓力波動(dòng)較小，與實(shí)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(shí)間的輸出特性。

從圖6-圖8的比較中我們可以發(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，也不是我們所期望的。在EASYS中可以通過參數(shù)的穩(wěn)態(tài)分析功能，得出在Ka=LO的時(shí)候，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(jià)值。



4 結(jié)語

本文以某船舶舵機(jī)電液伺服系統(tǒng)為研究對象，采用EASYS仿真軟件建立了其動(dòng)態(tài)過程仿真模型并進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況基本一致，很好地反映了所建模型的正確性及整個(gè)系統(tǒng)的特性。仿真過程中可以及時(shí)修改參數(shù)，并能迅速直觀地得出仿真結(jié)果，非常方便實(shí)用。同時(shí)利用EASYS獨(dú)特的穩(wěn)態(tài)掃描分析功能，可以方便地分析出系統(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(jī)液壓系統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要的意義。(end)