基于AMESim的數(shù)字液壓減搖鰭系統(tǒng)仿真研究

劉磊，邢繼峰，彭利坤

(海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢430033)

減搖鰭作為目前主要的艦艇減搖裝置，對艦艇的安全航行、艦載設(shè)備的正常使用起著積極的作用。國內(nèi)減搖鰭通常采用傳統(tǒng)伺服液壓系統(tǒng)，液壓元件主要是電液伺服閥，其在船舶上的應(yīng)用存在油液精度要求高、PID 參數(shù)調(diào)節(jié)困難、控制信號容易受干擾、系統(tǒng)不穩(wěn)定等較為嚴(yán)重的問題，致使不少艦船的減搖鰭使用效果都不太理想，很多時(shí)候未能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。數(shù)字液壓減搖鰭具有集成度高、控制簡單、穩(wěn)定性好、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在硬件上實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)，這些特點(diǎn)有效地提高了減搖鰭系統(tǒng)的可靠性。但從控制的角度來看，文中研究對象數(shù)字液壓減搖鰭是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，鰭角的輸出只受輸入信號的控制，系統(tǒng)溫度、壓力負(fù)載、內(nèi)泄及死區(qū)等因素都會(huì)引起系統(tǒng)控制精度的變化。因此對數(shù)字液壓減搖鰭系統(tǒng)進(jìn)行建模和動(dòng)態(tài)仿真，研究其動(dòng)態(tài)特性，對實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)字液壓減搖鰭系統(tǒng)簡介

液壓系統(tǒng)是減搖裝置的重要組成部分，液壓系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)品質(zhì)直接影響著穩(wěn)定效果。整個(gè)減搖裝置工作可靠與否，在很大程度上取決于液壓系統(tǒng)。所研究的減搖鰭系統(tǒng)的機(jī)械部分由機(jī)翼型的鰭、鰭軸、搖臂等組成，液壓部分由數(shù)字液壓缸、蓄能器、液壓泵等組成，通過液壓油缸推拉搖臂實(shí)現(xiàn)減搖鰭的運(yùn)動(dòng)。減搖鰭系統(tǒng)接受控制信號，完成信號的功率放大，驅(qū)動(dòng)鰭跟隨控制器信號運(yùn)動(dòng)。

數(shù)字液壓缸是由步進(jìn)電機(jī)、四邊滑閥、伺服液壓缸和機(jī)械反饋機(jī)構(gòu)組成的增量式機(jī)液伺服機(jī)構(gòu)，是具有內(nèi)部位置反饋的伺服動(dòng)力元件，可以直接接受數(shù)字脈沖信號的輸入。數(shù)字液壓缸具有內(nèi)部位置閉環(huán)反饋，將缸的位移和速度與輸入脈沖的脈沖數(shù)和脈沖頻率一一對應(yīng)，這樣從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)反饋控制。對于一般的位置控制系統(tǒng)，可以無需外加位置傳感器以及閉環(huán)控制器，從而可大大簡化系統(tǒng)構(gòu)成，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。因此，選用數(shù)字液壓缸作為減搖鰭系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

由于艦艇的搖擺情況是不斷變化的，所需的穩(wěn)定力矩的大小和方向是不相同的，這樣要求隨動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能“及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠”地工作，使鰭角盡可能準(zhǔn)確地跟蹤控制信號。因此，減搖鰭系統(tǒng)為一隨動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制過程如圖1所示。

圖1 減搖裝置控制過程

某型減搖鰭裝置的技術(shù)性能為:

(1)減搖能力:在6級設(shè)計(jì)海情 (有義波高H1/3=4～6 m)，艦艇在32.85 km/h 航速下傍浪航行，啟動(dòng)減搖鰭后艦船的平均殘余橫搖角幅度不大于3°。轉(zhuǎn)鰭速度大于33°/s，并保持一定的精度和穩(wěn)定性。

(2)生搖能力:艦艇在18 kn 設(shè)計(jì)航速下航行，生搖時(shí)橫搖角可達(dá)。生搖信號周期約為9 s。

減搖鰭要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成控制信號指定的運(yùn)動(dòng)并保證其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，仿真的目的就是要驗(yàn)證該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是否滿足技術(shù)要求。

2 仿真模型的建立

2.1 數(shù)字液壓缸模型的建立

圖2中上方虛線框內(nèi)是上述數(shù)字液壓缸(digital cylinder)的仿真模型。其中四邊滑閥 (four-way valve)和液壓缸(cylinder)都是利用AMESim軟件中液壓元件設(shè)計(jì)庫(HCD)里的最小模型單元搭建而成，并且將滑閥和液壓缸的泄漏、摩擦等因素也考慮在內(nèi)。采用軟件中的機(jī)械元件庫模型，建立了螺母螺桿副 (screw/nut)和滾珠絲杠副 (ballscrew)的超級元件模型，完成了機(jī)械反饋結(jié)構(gòu)模型的搭建。

圖2 數(shù)字液壓減搖鰭模型

2.2 數(shù)字液壓減搖鰭系統(tǒng)模型的建立

數(shù)字液壓減搖鰭系統(tǒng)的整體模型如圖2所示。液體元件主要包括定量泵、單向閥、電磁溢流閥、蓄能器和過濾器等。右側(cè)虛框內(nèi)是減搖鰭的機(jī)械部分，它是利用AMESim 中平面機(jī)構(gòu)庫(PLM)元件搭建完成的，主要包含實(shí)體、鉸鏈和執(zhí)行器等模型。平面機(jī)構(gòu)庫是一維標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械庫的擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)兩維物體動(dòng)力學(xué)模型的搭建。

2.3 關(guān)鍵元件的參數(shù)設(shè)置

在AMESim 中將液壓系統(tǒng)原理圖搭建完成后，最重要的工作是液壓元件的選型和參數(shù)的設(shè)定。模型中的結(jié)構(gòu)參數(shù)比較復(fù)雜，在液壓系統(tǒng)仿真時(shí)，參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定將起著至關(guān)重要的作用。在該數(shù)字液壓減搖鰭系統(tǒng)中，關(guān)鍵的參數(shù)主要為數(shù)字液壓缸、蓄能器、四邊滑閥、油源和負(fù)載的參數(shù)，見表1。

由于鰭在水中的運(yùn)動(dòng)是非常復(fù)雜的，計(jì)算鰭的水動(dòng)力相當(dāng)困難。目前，關(guān)于鰭水動(dòng)力的計(jì)算，主要根據(jù)風(fēng)洞或水洞試驗(yàn)得到定常的水動(dòng)力特性曲線做某些近似計(jì)算。本文采用了變剛度的回轉(zhuǎn)扭簧模型對鰭的負(fù)載扭矩作適當(dāng)簡化。對回轉(zhuǎn)扭簧定義其角度－扭矩關(guān)系曲線如圖3所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

圖3 回轉(zhuǎn)扭簧角度－扭矩曲線

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

(1)設(shè)置減搖輸入信號為一上升下降時(shí)間為1.44 s，幅值變化從+24°到－24°的梯形信號，仿真時(shí)間為8 s，仿真步長為0.01 s，精度為1×10－5。

(2)設(shè)置生搖輸入信號為一幅值為30，周期為9 s的正弦曲線，仿真時(shí)間為10 s，仿真步長為0.01 s，精度為1×10－5。

運(yùn)行仿真，得到數(shù)字液壓減搖鰭系統(tǒng)的減搖、生搖跟蹤曲線分別如圖4和圖5所示。圖中實(shí)線為輸入控制信號，虛線為減搖鰭的輸出鰭角。仿真曲線表明，該數(shù)字液壓缸執(zhí)行系統(tǒng)能夠較好地跟隨步進(jìn)電機(jī)的輸入控制信號，說明了此數(shù)字液壓減搖鰭系統(tǒng)具有良好的開環(huán)跟蹤特性，快速性也能較好地滿足技術(shù)要求。圖中數(shù)字液壓缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)延遲約為0.2 s，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1°。

圖4 減搖跟蹤曲線

圖5 生搖跟蹤曲線

轉(zhuǎn)鰭角度和輸入信號有著一定的穩(wěn)態(tài)誤差，這與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、輸入信號的形式有很大關(guān)系。系統(tǒng)中四邊滑閥和液壓缸存在著摩擦和零位死區(qū)，這是穩(wěn)態(tài)誤差的主要來源。另外，數(shù)字液壓缸機(jī)械結(jié)構(gòu)模型中也存在著摩擦、阻尼和間隙等。穩(wěn)態(tài)精度的大小，可以通過調(diào)節(jié)比例放大器的K值來改變。K值越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，穩(wěn)態(tài)精度越高;K值過大，跟蹤曲線會(huì)出現(xiàn)超調(diào)，甚至不能穩(wěn)定。圖6為減搖和生搖時(shí)不同K值的轉(zhuǎn)鰭角度曲線。

圖6 K分別為8、16.5、20時(shí)的跟蹤曲線

圖7為減搖鰭減搖時(shí)四邊滑閥閥芯位移和速度曲線?？梢钥闯?，四邊滑閥的運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，閥芯最大位移約為0.5 mm，最大速度約為0.22 mm/s，但伴隨著輕微的振蕩。這是因?yàn)榉抡婺Ｐ椭锌紤]了滑閥閥芯的死區(qū)和液壓密封摩擦力等非線性因素。

圖7 閥芯速度和位移曲線

圖8為減搖時(shí)蓄能器的壓力和流量曲線。用蓄能器作輔助動(dòng)力源，可以減小泵的規(guī)格和選用較小功率的原動(dòng)機(jī)，減少系統(tǒng)發(fā)熱，提高效率。在數(shù)字液壓液壓缸啟停、滑閥換向時(shí)，系統(tǒng)中的液流發(fā)生激烈變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生液壓沖擊而引起數(shù)字液壓缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不均勻，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起故障。蓄能器能夠吸收回路的沖擊壓力，起到了安全保護(hù)作用。而且蓄能器可以減少液壓泵的流量脈動(dòng)和有其他原因造成的壓力脈動(dòng)，降低系統(tǒng)的噪聲。

圖8 蓄能器壓力、流量曲線

4 結(jié)論

利用AMESim軟件建立了數(shù)字液壓減搖鰭系統(tǒng)的仿真模型，對此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，該數(shù)字液壓減搖鰭系統(tǒng)能夠較好的跟隨輸入控制信號，具有良好的開環(huán)跟蹤特性，能夠滿足減搖鰭的技術(shù)要求。

【1】付永領(lǐng)，祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真:從入門到精通[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

【2】李永堂，雷步芳，高雨茁.液壓系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2003.

【3】劉忠.液壓傳動(dòng)與控制實(shí)用技術(shù)[M].北京:北京大學(xué)出版社，2009.

【4】王科俊.海洋運(yùn)動(dòng)體控制原理[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.

【5】吳越斌，謝英俊，徐立.1MN級新型減搖鰭液壓系統(tǒng)仿真[J].機(jī)床與液壓，2004(4):61－63.

【6】梁利華，寧繼鵬，史洪宇.基于AMESim與ADAMS 聯(lián)合仿真技術(shù)的減搖鰭液壓系統(tǒng)仿真研究[J].機(jī)床與液壓，2009，37(8):200－202.

【7】邢繼峰，曾曉華，彭利坤.一種新型數(shù)字液壓缸的研究[J].機(jī)床與液壓，2005(8):145－146.