基于AMESim的數字液壓減搖鰭系統仿真研究

劉磊，邢繼峰，彭利坤

(海軍工程大學船舶與動力學院，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、艦載設備的正常使用起著積極的作用。國內減搖鰭通常采用傳統伺服液壓系統，液壓元件主要是電液伺服閥，其在船舶上的應用存在油液精度要求高、PID 參數調節困難、控制信號容易受干擾、系統不穩定等較為嚴重的問題，致使不少艦船的減搖鰭使用效果都不太理想，很多時候未能發揮其應有的作用。數字液壓減搖鰭具有集成度高、控制簡單、穩定性好、抗污染能力強等優點，在硬件上實現了閉環，這些特點有效地提高了減搖鰭系統的可靠性。但從控制的角度來看，文中研究對象數字液壓減搖鰭是一個開環控制系統，鰭角的輸出只受輸入信號的控制，系統溫度、壓力負載、內泄及死區等因素都會引起系統控制精度的變化。因此對數字液壓減搖鰭系統進行建模和動態仿真，研究其動態特性，對實際系統的設計具有一定的指導意義。

1 數字液壓減搖鰭系統簡介

液壓系統是減搖裝置的重要組成部分，液壓系統的動靜態品質直接影響著穩定效果。整個減搖裝置工作可靠與否，在很大程度上取決于液壓系統。所研究的減搖鰭系統的機械部分由機翼型的鰭、鰭軸、搖臂等組成，液壓部分由數字液壓缸、蓄能器、液壓泵等組成，通過液壓油缸推拉搖臂實現減搖鰭的運動。減搖鰭系統接受控制信號，完成信號的功率放大，驅動鰭跟隨控制器信號運動。

數字液壓缸是由步進電機、四邊滑閥、伺服液壓缸和機械反饋機構組成的增量式機液伺服機構，是具有內部位置反饋的伺服動力元件，可以直接接受數字脈沖信號的輸入。數字液壓缸具有內部位置閉環反饋，將缸的位移和速度與輸入脈沖的脈沖數和脈沖頻率一一對應，這樣從結構上實現了閉環反饋控制。對于一般的位置控制系統，可以無需外加位置傳感器以及閉環控制器，從而可大大簡化系統構成，增強系統可靠性。因此，選用數字液壓缸作為減搖鰭系統的執行機構。

由于艦艇的搖擺情況是不斷變化的，所需的穩定力矩的大小和方向是不相同的，這樣要求隨動系統應能“及時、準確、可靠”地工作，使鰭角盡可能準確地跟蹤控制信號。因此，減搖鰭系統為一隨動控制系統，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性能為:

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

(2)生搖能力:艦艇在18 kn 設計航速下航行，生搖時橫搖角可達。生搖信號周期約為9 s。

減搖鰭要在規定時間內完成控制信號指定的運動并保證其運動平穩，仿真的目的就是要驗證該系統的動態特性是否滿足技術要求。

2 仿真模型的建立

2.1 數字液壓缸模型的建立

圖2中上方虛線框內是上述數字液壓缸(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軟件中液壓元件設計庫(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。采用軟件中的機械元件庫模型，建立了螺母螺桿副 (screw/nut)和滾珠絲杠副 (ballscrew)的超級元件模型，完成了機械反饋結構模型的搭建。

圖2 數字液壓減搖鰭模型

2.2 數字液壓減搖鰭系統模型的建立

數字液壓減搖鰭系統的整體模型如圖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。右側虛框內是減搖鰭的機械部分，它是利用AMESim 中平面機構庫(PLM)元件搭建完成的，主要包含實體、鉸鏈和執行器等模型。平面機構庫是一維標準機械庫的擴展，可以實現兩維物體動力學模型的搭建。

2.3 關鍵元件的參數設置

在AMESim 中將液壓系統原理圖搭建完成后，最重要的工作是液壓元件的選型和參數的設定。模型中的結構參數比較復雜，在液壓系統仿真時，參數的準確設定將起著至關重要的作用。在該數字液壓減搖鰭系統中，關鍵的參數主要為數字液壓缸、蓄能器、四邊滑閥、油源和負載的參數，見表1。

由于鰭在水中的運動是非常復雜的，計算鰭的水動力相當困難。目前，關于鰭水動力的計算，主要根據風洞或水洞試驗得到定常的水動力特性曲線做某些近似計算。本文采用了變剛度的回轉扭簧模型對鰭的負載扭矩作適當簡化。對回轉扭簧定義其角度－扭矩關系曲線如圖3所示。

表1 系統主要參數

圖3 回轉扭簧角度－扭矩曲線

3 系統仿真結果分析

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

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

運行仿真，得到數字液壓減搖鰭系統的減搖、生搖跟蹤曲線分別如圖4和圖5所示。圖中實線為輸入控制信號，虛線為減搖鰭的輸出鰭角。仿真曲線表明，該數字液壓缸執行系統能夠較好地跟隨步進電機的輸入控制信號，說明了此數字液壓減搖鰭系統具有良好的開環跟蹤特性，快速性也能較好地滿足技術要求。圖中數字液壓缸執行機構響應延遲約為0.2 s，穩態誤差小于0.1°。

圖4 減搖跟蹤曲線

圖5 生搖跟蹤曲線

轉鰭角度和輸入信號有著一定的穩態誤差，這與系統的結構、輸入信號的形式有很大關系。系統中四邊滑閥和液壓缸存在著摩擦和零位死區，這是穩態誤差的主要來源。另外，數字液壓缸機械結構模型中也存在著摩擦、阻尼和間隙等。穩態精度的大小，可以通過調節比例放大器的K值來改變。K值越大，穩態誤差越小，穩態精度越高;K值過大，跟蹤曲線會出現超調，甚至不能穩定。圖6為減搖和生搖時不同K值的轉鰭角度曲線。

圖6 K分別為8、16.5、20時的跟蹤曲線

圖7為減搖鰭減搖時四邊滑閥閥芯位移和速度曲線。可以看出，四邊滑閥的運動比較平穩，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。這是因為仿真模型中考慮了滑閥閥芯的死區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為減搖時蓄能器的壓力和流量曲線。用蓄能器作輔助動力源，可以減小泵的規格和選用較小功率的原動機，減少系統發熱，提高效率。在數字液壓液壓缸啟停、滑閥換向時，系統中的液流發生激烈變化時會產生液壓沖擊而引起數字液壓缸執行機構運動不均勻，嚴重時還會引起故障。蓄能器能夠吸收回路的沖擊壓力，起到了安全保護作用。而且蓄能器可以減少液壓泵的流量脈動和有其他原因造成的壓力脈動，降低系統的噪聲。

圖8 蓄能器壓力、流量曲線

4 結論

利用AMESim軟件建立了數字液壓減搖鰭系統的仿真模型，對此系統的動態特性進行了仿真研究。仿真結果表明，該數字液壓減搖鰭系統能夠較好的跟隨輸入控制信號，具有良好的開環跟蹤特性，能夠滿足減搖鰭的技術要求。

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

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

【3】劉忠.液壓傳動與控制實用技術[M].北京:北京大學出版社，2009.

【4】王科俊.海洋運動體控制原理[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2007.

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

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

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