基于電液比例技術的內河船舶液壓舵機改造

楊耕新

(江蘇海事職業技術學院,江蘇南京 211170)

1 人工舵機操作原理

我國內河航運的發展迅速,但內河船舶液壓舵機發展嚴重滯后,多為人工舵,主要依靠操舵人員的經驗,根據舵角指示儀反饋舵角與航向的偏差決定換向閥的動作,進而控制舵角并不斷地修正,操舵人員勞動強度大,航行安全存在隱患,操舵頻率過高,航向保持精度差,為開式系統。隨著江海直達船型的快速發展,改造內河船舶操舵設備,提高船舶航向控制性能,成為內河船型標準化的發展趨勢之一。人工舵控制圖如圖 1所示。

圖1 人工舵控制示意圖

2 系統的改造

近年來電液比例技術發展迅速,在液壓系統控制中具有操作方便,容易實現遙控,容易實現編程控制,工作平穩,控制精度較高,對污染不敏感等特點,針對內河船舶液壓舵機的不足加以改造,大有可為。

2.1 改造系統的組成

2.1.1 電液比例閥[1]

電液比例閥是電液比例控制技術的核心和功率放大元件,代表了流體控制技術的發展方向。它以傳統的工業用液壓控制閥為基礎,采用電—機械轉換裝置,將電信號轉換為位移信號,按輸入電信號指令連續、成比例地控制液壓系統的壓力、流量或方向等參數。

電液比例閥可以同時實現流量、壓力、方向等多參數的復合控制,主要分成比例放大器、比例電磁鐵、液控主閥。通過比例電磁鐵推動閥芯,經閉環控制,準確定位閥芯位置,改變動態液阻,既能實現換向功能來改變液流方向,又可以使得液流的流量得到精確控制。電液比例閥控制示意圖如圖 2所示。

圖2 電液比例閥控制示意圖

2.1.2 可編程控制器(PLC)

可編程序邏輯控制器(PLC)是專為工業環境下應用而設計的工業計算機,可在惡劣的工業現場工作,能夠完成順序控制、位置控制、數據處理、在線監控等功能。特別具有過程控制功能,控制算法(PID)控制模塊的提供使PLC具有了閉環控制的功能,控制過程中變量出現偏差時,PID控制算法會計算出正確的輸出,把變量保持在設定值上。

2.2 液壓系統的改造

液壓系統的改造如圖 3所示。舵機設置 1個主操舵裝置和1個輔助操舵裝置[2]。主操舵裝置和輔助操舵裝置的布置,滿足當它們中的 1個失效時應不致使另 1個也失靈。主操舵裝置采用電液比例換向閥作為線性受控單元,比例放大器首先接受來自PLC的模擬量信號,通過前置放大、功率放大、反饋校正、PID調節等處理,產生與指令要求相適應的精確電信號傳給比例電磁鐵;比例電磁鐵會生成相應的電磁力,推動閥芯產生一定的位移,閥芯形成一定的開度,起到阻尼作用,其流出、到達油量就成為可控、可調的了。隨著比例放大器對信號處理的不斷修正,液阻隨之動態變化,輸出的流量、壓力和方向也就隨之變化,實現動態控制。

圖3 液壓系統改造圖

輔助操舵裝置作為主操舵裝置不能正常工作下的應急操舵,采用手動操舵,通過按鈕操控電液換向閥電磁鐵的通電與斷電,使油路的方向轉換,實現手扳舵轉,復位舵停,左舵左扳,右舵右扳的直接控制。

2.3 控制系統的改造

2.3.1 系統的控制算法

在工程實際中,應用最廣泛的是 PID控制器。PID舵調節規律是以船舶偏航角 ΔΨ、偏航角速度和偏航角角積分給出舵角 β,其表達式為:

式中:Kp,Ki,Kd為PID型自動舵的設計參數。比例系數Kp決定控制作用的強弱;積分系數Ki消除系統靜差;微分系數Kd有助于減小系統的超調,克服振蕩,使系統趨于穩定,加快響應。

在可編程控制器 PID控制中,使用的是數字PID[4]控制器,采用的是增量式PID控制算法,根據采樣時刻的偏差計算控制量,通過軟件實現增量控制。西門子S7-200系列PLC提供了用于閉環控制PID運算指令,用戶只需在PLC的內存中填寫一張PID控制參數表,再執行相應的指令,即可完成PID運算,改變國內模擬PID舵線路繁雜、穩定性和操控性較差等方面的不足。

2.3.2 設計方框圖

PID自動舵設計方框圖如圖4所示。

圖4 PID自動舵設計方框圖

圖4中,當系統設定航向,首先傳送至 PLC,經D/A轉換變成模擬量指令,作為比例放大器輸入信號,比例放大器相應輸出模擬量提供給比例電磁鐵,產生對應的力或位移,作用在電液比例方向閥,從而得到相應的流量、壓力以驅動液壓缸,進而形成一定的速度或力來驅動舵葉,改變船舶的航向。運用相應的檢測元件將船舶航向反饋信號再傳回進行比較,以便動態地調整舵角,使最終的船舶實際航向與設定航向相一致。

3 系統的軟件設計

PLC是采用軟件編制程序來實現控制要求的,就是用戶根據控制對象的要求,利用 PLC廠家提供的編制語言,將控制過程編制相應的程序。PID自動舵控制系統的軟件部分主要由手動、隨動和自動三部分組成,由控制面板相應的開關進行選擇,如圖 5所示,其系統控制流程圖如圖 6所示。

圖5 控制面板(省略舵輪)

4 結語

本系統將電液比例技術、PLC和數字PID控制進行有機結合,在軟、硬件方面進行了改進,實現了在不同的航行狀況采用不同的操舵方式,有效地解決了內河船舶航向控制問題。系統可靠,成本低,符合中國船級社內河船舶建造規范相關要求,應用在內河船舶液壓舵機改造上,前景廣闊。

圖6 系統控制流程圖

[1] 許益民.電液比例控制系統分析與設計[M].北京:機械工業出版社,2006.

[2] 鋼質內河船舶建造規范 2009[S].北京:人民交通出版社, 2009.

[3] 馬曉宏.電液比例閥控缸位置控制系統的研究與應用[D].上海:東華大學,2008.

[4] 劉曉晨.基于PLC的船舶航向控制系統的研究及實現[J].機電設備,2007,24(4):17-20.