基于电液比例技术的内河船舶液压舵机改造

杨耕新

(江苏海事职业技术学院,江苏南京 211170)

1 人工舵机操作原理

我国内河航运的发展迅速,但内河船舶液压舵机发展严重滞后,多为人工舵,主要依靠操舵人员的经验,根据舵角指示仪反馈舵角与航向的偏差决定换向阀的动作,进而控制舵角并不断地修正,操舵人员劳动强度大,航行安全存在隐患,操舵频率过高,航向保持精度差,为开式系统。随着江海直达船型的快速发展,改造内河船舶操舵设备,提高船舶航向控制性能,成为内河船型标准化的发展趋势之一。人工舵控制图如图 1所示。

图1 人工舵控制示意图

2 系统的改造

近年来电液比例技术发展迅速,在液压系统控制中具有操作方便,容易实现遥控,容易实现编程控制,工作平稳,控制精度较高,对污染不敏感等特点,针对内河船舶液压舵机的不足加以改造,大有可为。

2.1 改造系统的组成

2.1.1 电液比例阀[1]

电液比例阀是电液比例控制技术的核心和功率放大元件,代表了流体控制技术的发展方向。它以传统的工业用液压控制阀为基础,采用电—机械转换装置,将电信号转换为位移信号,按输入电信号指令连续、成比例地控制液压系统的压力、流量或方向等参数。

电液比例阀可以同时实现流量、压力、方向等多参数的复合控制,主要分成比例放大器、比例电磁铁、液控主阀。通过比例电磁铁推动阀芯,经闭环控制,准确定位阀芯位置,改变动态液阻,既能实现换向功能来改变液流方向,又可以使得液流的流量得到精确控制。电液比例阀控制示意图如图 2所示。

图2 电液比例阀控制示意图

2.1.2 可编程控制器(PLC)

可编程序逻辑控制器(PLC)是专为工业环境下应用而设计的工业计算机,可在恶劣的工业现场工作,能够完成顺序控制、位置控制、数据处理、在线监控等功能。特别具有过程控制功能,控制算法(PID)控制模块的提供使PLC具有了闭环控制的功能,控制过程中变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。

2.2 液压系统的改造

液压系统的改造如图 3所示。舵机设置 1个主操舵装置和1个辅助操舵装置[2]。主操舵装置和辅助操舵装置的布置,满足当它们中的 1个失效时应不致使另 1个也失灵。主操舵装置采用电液比例换向阀作为线性受控单元,比例放大器首先接受来自PLC的模拟量信号,通过前置放大、功率放大、反馈校正、PID调节等处理,产生与指令要求相适应的精确电信号传给比例电磁铁;比例电磁铁会生成相应的电磁力,推动阀芯产生一定的位移,阀芯形成一定的开度,起到阻尼作用,其流出、到达油量就成为可控、可调的了。随着比例放大器对信号处理的不断修正,液阻随之动态变化,输出的流量、压力和方向也就随之变化,实现动态控制。

图3 液压系统改造图

辅助操舵装置作为主操舵装置不能正常工作下的应急操舵,采用手动操舵,通过按钮操控电液换向阀电磁铁的通电与断电,使油路的方向转换,实现手扳舵转,复位舵停,左舵左扳,右舵右扳的直接控制。

2.3 控制系统的改造

2.3.1 系统的控制算法

在工程实际中,应用最广泛的是 PID控制器。PID舵调节规律是以船舶偏航角 ΔΨ、偏航角速度和偏航角角积分给出舵角 β,其表达式为:

式中:Kp,Ki,Kd为PID型自动舵的设计参数。比例系数Kp决定控制作用的强弱;积分系数Ki消除系统静差;微分系数Kd有助于减小系统的超调,克服振荡,使系统趋于稳定,加快响应。

在可编程控制器 PID控制中,使用的是数字PID[4]控制器,采用的是增量式PID控制算法,根据采样时刻的偏差计算控制量,通过软件实现增量控制。西门子S7-200系列PLC提供了用于闭环控制PID运算指令,用户只需在PLC的内存中填写一张PID控制参数表,再执行相应的指令,即可完成PID运算,改变国内模拟PID舵线路繁杂、稳定性和操控性较差等方面的不足。

2.3.2 设计方框图

PID自动舵设计方框图如图4所示。

图4 PID自动舵设计方框图

图4中,当系统设定航向,首先传送至 PLC,经D/A转换变成模拟量指令,作为比例放大器输入信号,比例放大器相应输出模拟量提供给比例电磁铁,产生对应的力或位移,作用在电液比例方向阀,从而得到相应的流量、压力以驱动液压缸,进而形成一定的速度或力来驱动舵叶,改变船舶的航向。运用相应的检测元件将船舶航向反馈信号再传回进行比较,以便动态地调整舵角,使最终的船舶实际航向与设定航向相一致。

3 系统的软件设计

PLC是采用软件编制程序来实现控制要求的,就是用户根据控制对象的要求,利用 PLC厂家提供的编制语言,将控制过程编制相应的程序。PID自动舵控制系统的软件部分主要由手动、随动和自动三部分组成,由控制面板相应的开关进行选择,如图 5所示,其系统控制流程图如图 6所示。

图5 控制面板(省略舵轮)

4 结语

本系统将电液比例技术、PLC和数字PID控制进行有机结合,在软、硬件方面进行了改进,实现了在不同的航行状况采用不同的操舵方式,有效地解决了内河船舶航向控制问题。系统可靠,成本低,符合中国船级社内河船舶建造规范相关要求,应用在内河船舶液压舵机改造上,前景广阔。

图6 系统控制流程图

[1] 许益民.电液比例控制系统分析与设计[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2] 钢质内河船舶建造规范 2009[S].北京:人民交通出版社, 2009.

[3] 马晓宏.电液比例阀控缸位置控制系统的研究与应用[D].上海:东华大学,2008.

[4] 刘晓晨.基于PLC的船舶航向控制系统的研究及实现[J].机电设备,2007,24(4):17-20.