變頻液壓舵機系統設計與分析

于 亮，秦偉然

（1. 海軍裝備部駐上海地區第三軍事代表室，上海 200031；2. 上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

傳統船舶液壓舵機一般采用液壓閥控或者變量泵控方式，具有傳動平穩、調速方便易于遠程控制等優良特性，但因其傳動環節較多，受節流損耗、溢流損耗、間歇運動等固有屬性影響，導致傳統液壓舵機效率相對不高，并且由此引起系統結構復雜、維護成本高、振動噪聲明顯，也不利于系統控制特性的提升。與之相比，變頻調速系統具有傳動效率高、節能、功率體積比大、噪聲低、動態性能優良的特點，將其應用在舵機控制領域具有天然優勢。

1 系統結構與組成

變頻液壓舵機系統框圖見圖1，主液壓回路采用變頻電機驅動雙向定量泵，系統采用雙閉環控制，包括舵角位置控制器、變頻器、變頻電機、雙向定量泵、推舵機構和舵角反饋機構等[1]。

圖1 變頻液壓舵機系統框圖

操舵時，指令舵角與舵與舵角反饋結構采集的實際舵角反饋值比較后經舵角位置控制器運算得出變頻器參考頻率，此為外閉環；參考頻率對應變頻控制電機的速度，并與轉速編碼器采集的速度反饋構成速度閉環，此為內閉環。變頻電機轉動驅動雙向定量泵進行正反運轉，油泵輸出流量公式為

式中：n為電機轉速；qp為泵排量；p為電機極對數；s為電機轉差率；fs為供電頻率。

通過改變變頻電機供電頻率，可以改變泵的轉速和方向，從而推動推舵機構轉動，帶動舵葉轉到所需的角度。

2 系統設計

2.1 液壓系統設計

液壓系統設計見圖2，系統工作運行時，鎖閥電磁閥得電，負載端油路得以連通。變頻電機根據控制頻率輸出對應轉速來控制雙向定量泵運轉排油。舵換向時，通過切換變頻電機的轉向來改變定量泵的排油方向，進而改變轉舵活塞桿的運動方向，實現推舵機構的平穩換向。當舵角達到控制要求后，變頻電機轉速下降至泵的最低穩定工作轉速后鎖閥電磁閥斷電，系統卸荷，鎖閥電磁閥具備負載端穩舵功能。

圖2 舵機液壓系統設計

當電機啟動或轉向時，因變頻存在死區且系統存在靜、動摩擦的轉換及其他泄露影響，都易產生轉速波動，造成系統平穩性差。為增強系統啟動和換向時的平穩性，本系統使用皮囊式蓄能器作為輔助補油動力源，并聯在補油泵出口位置。在舵機突然換向或有較大水流沖擊時，液壓回路中短時間內流量變化較大，使用蓄能器有利于快速補充主系統油液、減緩液壓沖擊，從而能減小所需的補油泵排量。

系統在蓄能器回路設有控制閥組，由球閥、溢流閥以及電磁卸荷閥等組成，安裝于蓄能器和液壓系統之間，用于控制蓄能器回路的通斷、壓力超載保護以及泄壓放油。

另外，本系統在補油泵出口位置專門設置了單向閥，防止停機時蓄能器中的壓力油反沖，對補油泵起到保護作用。高壓安全閥用于防止系統過載，實現過載保護。

2.2 電控系統設計

如圖3所示，本文通過PLC構建了模糊控制器，通過PROFINET與變頻器進行網絡通信，傳遞控制信號并反饋變頻器及電機相關運行信息。dki、dkd為輸出變量[4]。其模糊論域見表1。

圖3 舵機電控系統結構框圖

表1 模糊論域設定范圍

隸屬函數可選擇三角函數，模糊規則見表2～表4。

表2 模糊輸出變量dkp 的模糊規則表

表4 模糊輸出變量dkd 的模糊規則表

3 關鍵技術研究

3.1 模糊自適應PID 控制

船舶變頻液壓舵機系統是一種典型非線性、時變、滯后的多環節耦合系統，外部負載復雜多變，操舵規律也不固定，并且伴隨使用過程中不斷磨損及機械間隙的不確定，使得其機理的描述和模型化變得異常復雜，常規PID控制很難達到滿意的控制效果，往往出現長時間使用后的舵角精度偏移、舵角震蕩等現象，影響操舵效果[3]。

本文采取模糊自適應控制，能夠通過參數自整定解決上述問題，通過參數在線自整定使得系統性能維持高效。本文利用SIMULINK進行仿真，系統采用二維模糊控制器模型[2]，選擇舵角偏差e及偏差變化率ec作為輸入量，PID參數變化量dkp、

表3 模糊輸出變量dki 的模糊規則表

SIMULINK仿真結構圖見圖4，仿真效果圖見圖5。

圖5 模糊控制與傳統PID 控制仿真圖

從圖5可看出，與常規PID控制相比，模糊控制的系統超調量更小，調節時間更快，更重要的是從擾動恢復到穩定狀態的時間縮短，說明其具有良好的抗負載擾動特性，這在船舶應用中具有重要意義。

3.2 系統性能分析

本文對變頻液壓舵機性能進行驗證。表5為主要技術指標與實測值對比，由對比結果可知，各項實測參數滿足設計指標要求。

表5 變頻液壓舵機主要技術指標

為驗證變頻液壓舵機的操舵效果，本文以幅值5°，周期2 s的舵角正弦輸入指令為例，驗證系統的頻域響應，并與同技術指標比例閥控制液壓舵機的系統響應曲線進行對比，見圖6和圖7，可發現，變頻液壓舵機在幅值衰減和相位滯后方面都有較大優勢。

圖6 變頻液壓舵機響應曲線

與此同時，相對于傳統閥控或泵控液壓舵機，變頻液壓舵機在噪聲及系統效率方面具有突出優勢。由于舵機是間歇性工作設備，變頻調速系統通過電機正反轉及轉速控制液壓系統供油方向及排量，在怠機時，其噪聲理論上可忽略。而傳統閥控液壓舵機（本文以比例閥控液壓舵機為參考）在怠機時，其主泵及輔泵機構為恒運行狀態。在轉舵時，噪聲也遠低于傳統閥控制液壓舵機，具體對比見表6。

表6 變頻液壓舵機噪聲與比例閥控制液壓舵機比較

由表6可知，變頻液壓舵機在工作效率、能耗及噪聲方面具備突出優勢。

4 結論

綜上所述，本文完成了變頻驅動液壓舵機的設計、仿真和驗證，變頻調速系統在舵機這種大慣量、強非線性、時滯的應用中具有較大優勢，設計不僅滿足了動態性能要求，且在工作效率、能耗及噪聲方面具備突出優勢。