基于虛擬仿真技術的船舶舵機液壓培訓系統設計?

朱祥紅 劉繼先 陳 華 吳子豪

（中國衛星海上測控部 江陰 214411）

1 引言

隨著航運業的發展，對船舶航行性能提出了更高的要求。近幾十年來，為了提高船舶的推進效率、操縱性和安全性，越來越多的新型船舶配備了可調螺距螺旋槳［1～2］。雖然可調螺距螺旋槳推進系統具有速度快、可控性好、操縱性強、經濟性好的特點，但管理人員必須提高其素質，以適應其復雜的內部結構和昂貴的價格［3］。同時船員實際操作水平，在很大程度上，取決于他們的操作培訓效果。因此通過船用機艙模擬器培訓提高船員和船舶管理者的培訓效果是當務之急。在此背景下，對海洋工程管理進行液壓系統船用可調螺距螺旋槳訓練仿真軟件的研究和開發具有重要意義。與此同時，利用模擬訓練，船舶維修技師可以熟悉液壓系統的可調螺距螺旋槳故障的工作原理和精確地確定可能的系統故障。

目前，關于可調螺距螺旋槳液壓伺服仿真系統的文獻研究很少，主要是在分析建模領域，文獻［4～6］只研究了模型的調試和精度，并沒有開發出完整的仿真系統。本文利用模塊化建模方法，建立了管網模型、液壓泵模型、液壓缸模型、冷卻器模型和螺距調節器模型，并將故障系數添加到容易發生故障的調節器模型部件中。最后本文還研究開發了可調螺距螺旋槳液壓伺服仿真系統的智能測試功能，以提高學員培訓效果的評價。

2 螺距螺旋槳液壓仿真系統的組成

可調螺距螺旋槳液壓仿真系統由算法動態庫、界面動態庫、數據庫和測試數據庫組成。將算法和接口動態庫添加到DMS-2016［7］仿真平臺，通過數據庫實現算法模型與接口模型的連接，其結構如圖1所示。

圖1 多用戶協同操作考核系統的結構

液壓系統各部件的仿真算法包含在可調螺距螺旋槳液壓仿真系統的動態庫中。接口動態庫的操作界面設計與船舶相同，并添加相應的故障點修復按鈕。將仿真和系統就緒變量用于數據庫中包含的算法和接口，對每個仿真變量進行描述和檢測。通過項目庫專家認可的大量試題，仿真平臺可以對試驗中的培訓人員進行評估。

3 可調螺距螺旋槳液壓系統建模

可調螺距螺旋槳液壓伺服系統模型包括管網模型、液壓油箱模型、液壓泵模型、閥門模型、液壓缸模型、冷卻器模型和螺距調節器模型［8～9］。液壓油箱模型和閥門模型是船用機艙模擬器仿真系統不可缺少的部分，具有完善的建模方法和高精度模型。

3.1 液壓油泵和節點壓力模型

在實際航行中，大部分時間，螺距保持穩定值［10］。在模擬系統中，液壓泵的簡化模型如圖2所示［11～12］。

圖2 泵的簡化模型

液壓油泵過濾器的入口壓力為P1，泵的出口壓力為P2，齒輪泵吸入壓力為Ps，出口壓力為Pd，實際流量為Q，理論流量為Qt，有

在式（1）中，A代表開放區域；t是水深度；n表示旋轉速度。

在式（2）中，ην代表泵的容積效率，在0.75～0.95之間。

計算管道中各節點壓力的公式為

在式（3）中，K表示校正因子，在實際系統的基礎上進行校正。Pn+1是這個節點壓力，Pn表示最后一個節點壓力，∑Qι˙表達了連接到這個節點的代數和，∑Cι˙代表連接到該節點的每個線性化電導和，ι˙代表管道號。

3.2 螺距調節器模型

在偏差信號的基礎上，可調螺距螺旋槳液壓伺服系統中的螺距螺旋槳將改變輸出信號，影響控制閥開啟和位置的變化，并調節進入液壓缸的油量，因此，可以通過調整螺距來調節液壓缸活塞的位移［13～14］。螺距控制原理圖如圖3所示。

圖3 螺距控制原理圖

在式（4）中，en表示該采樣間距的偏差值；en-1是最后采樣間距的偏差值；ΔT表示采樣周期；Tι˙表示積分時間常數；Kp代表比例增益因子。

在式（5）中，yn表示該信號輸出值；yn-1是最后的信號輸出值。

為了使仿真系統的結果符合實際導航中的運算結果，在程序執行到PI算法之前，本文將采用程序中的絕對值函數來判斷偏差區域范圍，然后根據判斷結果做出進一步行動的選擇。絕對值函數如下：

在一般情況下，螺距調節器采用PI控制算法。通過槳距控制器Δy的信號輸出變化來校正誤差。其PI算法如下：

在式（6）中，e()d是可變參數，其絕對值代表螺距調節器的死區范圍。

3.3 液壓缸模型

螺旋槳槳距控制最終取決于進入液壓缸的液壓油，以驅動伺服活塞運動，實現螺距的調整［15］。通過分析液壓缸的油流量，液壓缸的可用流量連續性方程式如下：

在式（7）中，λ表示泄漏系數；ΔP是伺服活塞兩端的壓差；Vt表示油泵出油量；Bc表示粘性阻尼系數；dt表示采樣周期；A表示伺服活塞的有效區域；y′表示伺服活塞的速度。

液壓缸的流量變化最終以壓力的形式對伺服活塞產生影響，液壓缸的靜力平衡方程如下：

在式（8）中，J表示運動部件kg·m2的轉動慣量。Fl的承載能力為表示伺服活塞的加速速度通過式（7）和式（8），可以求解伺服活塞的位移，表達式如下：

在式（9）中，Sn和Sn-1分別代表這個和最后一個伺服活塞的位移。

3.4 冷卻器模型

液壓油冷卻器采用殼管式冷卻器，在建模過程中，假定管壁的熱傳導是穩定的熱傳導，內外金屬管表面總是相等的，并且污垢水平是相同的。

分析冷卻器高溫液壓油的傳熱關系，可以得出一個方程式：

在式（10）中，ΔTm表示冷卻器的平均溫差；W1是液壓油的熱容量表示冷卻器中液壓油的質量，ch表示液壓油的比熱；mb代表銅管的質量；cb表示黃銅的比熱；R表示冷卻器的傳熱阻力分別是進出冷卻器的液壓油的溫度。

分析冷卻器低溫冷卻水的傳熱關系，可以得出一個方程：

在式（11）中，W2表示熱容量，W2=mlcl+mbcb，ml為冷卻器冷卻水的質量，cl表示冷卻水的比熱，tlι˙和tlo分別表示冷卻水進出冷卻器的溫度。將平均溫差ΔTm作為對數平均溫差：

通過式（10）、式（11）和式（12），可以獲得液壓油的動態微分方程和冷卻水的出口溫度。圖4是冷卻器的簡化模型。

圖4 冷卻器模型圖

4 仿真系統的設計與實現

4.1 仿真系統的功能實現

仿真系統軟件可以在實際導航中完全表達可調螺距螺旋槳液壓系統的相關操作，實現可調螺距螺旋槳液壓系統各部件的功能，例如泵操作面板的操作按鈕，壓力調節閥和安全閥的壓力設定，油箱的液位，泵出口壓力和螺距等，并提供清晰和直觀的界面。在仿真平臺上，培訓人員還可以獨立加載可調螺距螺旋槳液壓系統的相關問題，實現評估工作所需的相關操作和故障排除，加深對液壓系統的理解，培訓人員完成答案后，還可以在評估記錄中查找相關分數和扣除分數。

4.2 仿真軟件界面

仿真系統軟件采用C++語言開發，軟件界面分別如圖5和圖6所示。圖5是Alphatronic2000推進控制系統［16］，通過界面操作，培訓人員可以選擇控制位置、發動機轉速和可調螺距螺旋槳模型。可調螺距螺旋槳液壓伺服系統如圖6所示，顯示了可調螺距螺旋槳的液壓油路系統、液壓系統。該界面還顯示了系統的壓力、溫度、節距、液位和螺距，顯示每個相關參數的警報。

通過系統的操作，可選擇主機轉速或螺旋槳螺距的控制方式。

當需要操作閥門、過濾器、油泵時，可以點擊界面上的相關組件，操作彈出對話框或控制面板，如界面上的伺服泵，伺服泵控制面板將彈出，如圖7所示。當需要觀察泵的壓力值、系統溫度值和液壓系統的當前螺距值時，可以點擊控制框中的伺服界面并觀察相關的情況，如圖8所示。

圖5 推進控制系統界面

圖6 螺距螺旋槳液壓伺服仿真系統界面

圖7 伺服泵控制面板仿真圖

圖8 伺服控制框面板仿真

4.3 應用程序的評估

仿真教學系統是多功能的，如發出測試試題，自動評價和判斷結果。服務器將包括測試項目、描述、測試問題的編號和測試時間在內的測試信息傳輸到客戶端。完成測試后，學員的操作記錄將自動上傳到服務器。

例如軟件仿真系統可以加載資格考試，要求答復人員正常啟動可調螺距螺旋槳液壓系統，在此過程中，如發現故障請排除，則必須在1500s內完成測試故障的排除。測試項目描述如圖9所示。

圖9 自動發出測試題

5 結語

利用本文所設計的仿真培訓系統，學員將更加熟練掌握可調螺距螺旋槳液壓伺服系統的工作原理，操作過程，提高故障診斷和排除故障的能力。所設計和實現的仿真培訓系統不僅可以降低硬件成本，還可以降低培訓成本。除了單獨使用外，仿真系統還可以作為子系統連接到主推進仿真系統，因此所實現的仿真培訓系統不僅具有較強的工程實用價值，而且對學員的操作培訓具有重要意義。