船舶舵機推舵系統(tǒng)頻率特性分析與研究

鄧 攀，李 彬，毛立峰

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引 言

船舶舵機系統(tǒng)的作用是使船舶維持原來的航向或改變航向[1]，由于液壓系統(tǒng)具有功率體積比大的特點[2]，現(xiàn)代遠洋船舶基本采用電動液壓驅(qū)動的液壓舵機[3]。隨著船舶操縱機動性要求的提升以及綜合姿態(tài)控制需求越來越迫切，如舵減橫搖、舵鰭聯(lián)合控制，舵機能否實現(xiàn)對操舵指令的快速跟蹤成為研究重點。而如果舵機系統(tǒng)頻率特性達不到要求，即使舵機系統(tǒng)的功率足夠大，也不能實現(xiàn)快速跟蹤操舵指令信號，如正弦操舵指令信號。

雖然現(xiàn)階段國內(nèi)研究機構(gòu)已對船舶舵機系統(tǒng)進行了較多的研究[4～7]，但是以研究舵機軌跡規(guī)劃為主，對于開發(fā)動態(tài)特性高的液壓舵機系統(tǒng)的研究相對較少[8]。為了設(shè)計高頻響的船舶舵機系統(tǒng)，有必要分析影響舵機系統(tǒng)頻率特性的因素。

通過建立基于ADAMS、AMESim和MATLAB的聯(lián)合仿真模型，分析各因素對舵機系統(tǒng)頻率特性的影響，這些因素主要包括泵的頻響，以及推舵機構(gòu)中各結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后得到影響舵機系統(tǒng)頻率特性的主要參數(shù)。

1 建立基于ADAMS、AMESim和MATLAB的舵機系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

以撥叉滑塊推舵機構(gòu)作為研究對象。根據(jù)給定的推舵機構(gòu)機械結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用Pro/E軟件繪制出舵機推舵機構(gòu)的總體圖，其結(jié)構(gòu)見圖1。

利用ADAMS軟件和Pro/E無縫接口的功能，將圖1所示的推舵機構(gòu)的裝配圖導(dǎo)入到ADAMS軟件中，并添加約束和碰撞檢查。定義輸入接口為推舵液壓缸所出的力、輸出接口為舵機的轉(zhuǎn)角，以便在機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真時對模型進行調(diào)用。所建立舵機推舵機構(gòu)的詳細三維ADAMS動力學(xué)模型見圖2。

圖1 推舵機構(gòu)的三維圖

圖2 推舵機構(gòu)的ADAMS模型

根據(jù)舵機液壓原理以及所用主要元件的樣本確定出舵機液壓系統(tǒng)各部件的參數(shù)，在AMESim軟件環(huán)境下建立液壓系統(tǒng)的仿真模型。建立的雙泵組雙液壓缸舵機液壓系統(tǒng)模型見圖3。定義舵機液壓系統(tǒng)AMESim模型的兩個比例閥的電流控制信號為輸入接口、推舵液壓缸所出的力為輸出接口。

利用AMESim和MATLAB/Simulink的無縫接口，將AMESim液壓系統(tǒng)模型導(dǎo)入至MATLAB/Simulink中，并基于Matlab/Simulink建立整個舵機系統(tǒng)的控制系統(tǒng)模型，轉(zhuǎn)化后的AMESim液壓系統(tǒng)模型中的主泵斜盤擺角控制指令、液壓缸推力輸出信號均與Simulink模塊相連。所建立的舵機總體控制系統(tǒng)Simulink模型見圖4。

圖3 舵機液壓系統(tǒng)AMESim模型

圖4 舵機總體系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

2 舵機系統(tǒng)組成

常規(guī)舵機系統(tǒng)主要由電機、變量泵、推舵機構(gòu)、管路等組成（見圖5）。

舵機系統(tǒng)的控制原理見圖6。通過外部輸入的舵角信號作為指令信號傳遞到舵角位置控制環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)將指令信號與實際舵角反饋信號進行比較，并通過舵角位置控制器運算得出合理的液壓系統(tǒng)控制參數(shù)，然后通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動推舵機構(gòu)轉(zhuǎn)動，帶動舵葉轉(zhuǎn)到所需的角度。

圖5 舵機系統(tǒng)組成

圖6 舵機系統(tǒng)控制原理

3 舵機系統(tǒng)頻響特性分析

常規(guī)舵機系統(tǒng)關(guān)鍵組件和參數(shù)如下：

(1) 主泵排量125ml/rev，響應(yīng)時間0.1s；

(2) 推舵油缸有效作用面積：0.0452m2；

(3) 推舵油缸的總行程：0.8289m；

(4) 推舵油缸柱塞的質(zhì)量：832kg；

(5) 推舵單側(cè)力臂：0.55m；

(6) 舵柄及負載慣量：103.8kNm；

(7) 主油路管徑0.051m，長度3m；

在基于上述參數(shù)與建立的聯(lián)合仿真模型的分析中，期望舵機能實現(xiàn)的轉(zhuǎn)舵速度為 5o/s、正弦轉(zhuǎn)舵控制的幅值為10o且頻率為0.08Hz，折算到推舵油缸最大速度為0.0538m/s、正弦幅值為0.097m。

3.1 泵的頻響特性分析

主泵的階躍響應(yīng)曲線和頻響特性曲線見圖7。

進行舵機系統(tǒng)設(shè)計時，盡量選擇高響應(yīng)的變量泵。通過查詢變量泵的樣本，選擇響應(yīng)頻率高于舵機正弦轉(zhuǎn)舵頻率的變量泵，可消除泵對整個舵機系統(tǒng)頻率響應(yīng)的影響。主泵的上升時間是0.1s，頻率為10Hz。泵的選擇滿足舵機系統(tǒng)正弦轉(zhuǎn)舵頻率要求。

3.2 執(zhí)行機構(gòu)的頻率特性影響分析

根據(jù)上述參數(shù)和聯(lián)合仿真模型可以繪制出常規(guī)舵機推舵執(zhí)行機構(gòu)的頻率響應(yīng)特性曲線（見圖8）。可知基于本節(jié)常規(guī)舵機仿真參數(shù)的推舵執(zhí)行機構(gòu)液壓固有頻率為13.3Hz，滿足舵機系統(tǒng)正弦轉(zhuǎn)舵頻率要求。

為了合理設(shè)計舵機轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)液壓執(zhí)行機構(gòu)，下面基于聯(lián)合仿真模型分析執(zhí)行機構(gòu)中的6個主要參數(shù)對轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)頻率特性的影響：

圖7 變量泵性能曲線

3.2.1 柱塞缸有效作用面積產(chǎn)生的影響

在聯(lián)合仿真模型中，將柱塞缸面積減小1倍，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，執(zhí)行機構(gòu)的頻率響應(yīng)特性曲線見圖9。由圖可知，柱塞缸有效作用面積減小1倍，固有頻率減小4Hz，為9.3Hz。

3.2.2 推舵力臂產(chǎn)生的影響

在仿真模型中，將推舵力臂減小1倍，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，執(zhí)行機構(gòu)的頻率響應(yīng)特性曲線見圖10。由圖可知，推舵力臂減為原來的一半后，固有頻率減小了4Hz，為9.3Hz。

圖8 推舵執(zhí)行機構(gòu)頻率特性

圖9 柱塞缸面積減小1倍，執(zhí)行機構(gòu)頻率特性

3.2.3 主油管路體積產(chǎn)生的影響

在聯(lián)合仿真模型中，將主油管路體積增加1倍，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，頻率響應(yīng)特性曲線見圖11。由圖可知，主油管路體積改變，會影響執(zhí)行機構(gòu)的頻率特性，其體積增加1倍后，固有頻率減小了1Hz，為12.4Hz。

3.2.4 柱塞缸活塞質(zhì)量產(chǎn)生的影響

假設(shè)在聯(lián)合仿真模型中，負載（舵桿、舵葉）質(zhì)量為23000kg，將柱塞缸活塞質(zhì)量增加1倍，其他參數(shù)不變，頻率特性曲線見圖12。由圖可知，對大慣量負載的舵機系統(tǒng)而言，液壓缸活塞質(zhì)量增加1倍，推舵執(zhí)行機構(gòu)的固有頻率幾乎沒有變化，為13.2Hz。

圖10 力臂減小1倍，執(zhí)行機構(gòu)頻率響應(yīng)特性

圖11 主油管路體積增加1倍，執(zhí)行機構(gòu)頻率特性

3.2.5 舵柄慣量產(chǎn)生的影響

仍假設(shè)負載質(zhì)量23000kg，舵柄慣量增加1倍，其他參數(shù)不變，執(zhí)行機構(gòu)的頻率特性曲線見圖13。由圖可知，對具有大慣量負載的舵機系統(tǒng)而言，舵柄慣量增加1倍，執(zhí)行機構(gòu)的固有頻率幾乎沒有變化，為13.2Hz。

圖12 柱塞質(zhì)量增加1倍，執(zhí)行機構(gòu)頻率特性

圖13 舵柄慣量增加1倍，執(zhí)行機構(gòu)頻率特性

3.2.6 柱塞缸作用個數(shù)產(chǎn)生的影響

雙柱塞缸作用時，單柱塞缸的等效負載質(zhì)量為總質(zhì)量的1/2，頻率特性曲線見圖8，頻率為13.3Hz。單柱塞缸作用時，單柱塞缸上的等效負載質(zhì)量為總負載質(zhì)量，頻率特性曲線見圖14。由圖可知，單柱塞缸作用時，推舵執(zhí)行機構(gòu)的頻率降低了3.93Hz，變?yōu)?.37Hz。

圖14 單柱塞缸作用時執(zhí)行機構(gòu)的頻率特性

4 結(jié) 語

基于ADAMS、AMESim和MATLAB所建立的舵機系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，對舵機系統(tǒng)進行了仿真分析。針對變量泵和推舵機構(gòu)對舵機系統(tǒng)頻率特性的影響，得到以下結(jié)論：

1) 推舵系統(tǒng)頻率特性直接影響舵機實現(xiàn)快速跟蹤舵令信號的性能。

2) 變量泵應(yīng)選擇頻寬高于期望的舵機正弦轉(zhuǎn)舵信號，以便消除變量泵對整個舵機系統(tǒng)頻率特性的影響。

3) 6個影響舵機推舵機構(gòu)固有頻率的因素中，影響最大的是柱塞缸有效作用面積、柱塞缸作用個數(shù)和推舵力臂；對大慣量負載舵機系統(tǒng)而言，舵柄慣量、柱塞缸質(zhì)量、主油管路體積對舵機執(zhí)行機構(gòu)頻率特性的影響很小。

4) 柱塞缸有效作用面積越大，舵機執(zhí)行機構(gòu)固有頻率越高；柱塞缸作用個數(shù)越多，舵機執(zhí)行機構(gòu)固有頻率越高；推舵力臂越大，舵機執(zhí)行機構(gòu)固有頻率越高。

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