胥文清

(中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

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一種船舶姿態(tài)控制系統(tǒng)樣機方案設計*

胥文清

(中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

船舶在高速航行狀態(tài)下的耐波性易受到波浪影響,姿態(tài)控制系統(tǒng)是提高船體在高速航行狀態(tài)下耐波性的重要手段,論文提出一種穿浪雙體船姿態(tài)控制系統(tǒng)樣機設計方案,該系統(tǒng)的控制附體包括T型水翼和兩個壓浪板,控制附體均采用液壓方式進行控制,并實現(xiàn)了樣機研制,驗證了方案的可行性,為船舶姿態(tài)控制系統(tǒng)研制提供參考。

姿態(tài)控制; 控制附體; 液壓控制

Class Number U666

1 引言

船舶在高速航行狀態(tài)下的耐波性易受到波浪影響,高性能船舶如穿浪船是近年來國際上應用越來越一種新船型,由于穿浪船艏部的特殊線型,其具有較好的適航性,但是在不斷使用過程中,其耐波性在短波峰,尤其在波長與船長之比為1～1.5左右的波峰中航行時,耐波性難以令人滿意[1～3]。改善穿浪雙體船的耐波性顯得尤為重要,目前采用T型翼,壓浪板,艉插板等附體來[4～5]解決高速船問題。國外對于姿態(tài)控制系統(tǒng)的研究和應用開展大量的工作并在工程應用,如瑞士HUMPHREE公司開發(fā)姿態(tài)控制系統(tǒng)(Trim and stabilization systems),由組合式艉插板、執(zhí)行電機、姿態(tài)傳感器等組成,能改善船舶的耐波性能,國內(nèi)關于姿態(tài)控制系統(tǒng)[6]的研究尚處于起步階段,本文提出了一種穿浪雙體船姿態(tài)控制系統(tǒng)樣機設計方案,該方案的控制附體包括T型水翼和壓浪板,控制附體均采用液壓方式進行控制,本文給出了系統(tǒng)及各組成部分的方案,并實現(xiàn)了樣機研制,驗證了方案的可行性,為船舶姿態(tài)控制系統(tǒng)研制提供參考。

2 系統(tǒng)總體方案

姿態(tài)控制系統(tǒng)樣機主要由姿態(tài)傳感器、航行控制器、顯示控制單元、液壓系統(tǒng)、T型水翼和兩套壓浪板以及電源輔助設備等組成。其中姿態(tài)傳感器用于測量船舶縱搖、橫搖、加速度等運動姿態(tài)信息。航行控制器用于實時接收姿態(tài)傳感器測量的姿態(tài)信息及液壓系統(tǒng)反饋的T型水翼和壓浪板的角度、位置及系統(tǒng)狀態(tài)信息,同時執(zhí)行運動控制計算,輸出運動控制指令給液壓系統(tǒng)。顯示控制單元用于實時顯示傳感器姿態(tài),執(zhí)行機構位置狀態(tài)以及系統(tǒng)狀態(tài)信息,同時實現(xiàn)對T型水翼和壓浪板的收放控制。液壓系統(tǒng)由電控箱和液壓泵組構成,接收航行控制器的運動控制指令,驅動T型水翼和壓浪板運動。T型水翼布置在船的艏部中央位置,包括固定水翼和活動尾翼,壓浪板用于布置穿浪雙體船的艉部兩側。同時為了驗證樣機工作正確性,本系統(tǒng)另外配置了一套三自由度轉臺,傳感器固定在三自由度轉臺上,姿態(tài)控制系統(tǒng)樣機組成如圖1所示。

①:姿態(tài)傳感器;②:航行控制器;③:三自由度轉臺;④:壓浪板(左、右各1);⑤T型水翼圖1 姿態(tài)控制系統(tǒng)組成框圖

3 航行控制器

航行控制器作為樣機重要組成部分,航行控制器控制處理模塊為一塊集成有控制軟件的功能板卡,主要實現(xiàn)對姿態(tài)傳感器、液壓系統(tǒng)傳感器信號的采集,通過采集獲得姿態(tài)傳感器的俯仰、橫搖、航向角、三軸加速度和角速度信號和內(nèi)部集成的控制算法,計算得到T型翼和壓浪板的控制信號,輸出T型翼轉角控制信號和左、右壓浪板轉角控制信號。航行控制器與姿態(tài)傳感器和液壓系統(tǒng)通過電氣連接。

航行控制器主要由微處理器模塊、RS232通信模塊、電源模塊、電流輸入調理模塊、模數(shù)轉換模塊、數(shù)模轉換模塊、電流輸出模塊等組成。航行控制器信號流程如圖2所示。

4 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)[7]主要實現(xiàn)T型翼和壓浪板角度的跟隨控制,液壓控制系統(tǒng)主要由電動機、液壓泵組、伺服控制器、伺服放大器、液壓缸、電磁閥、傳感器以及液壓管路[8]等組成。T型翼和壓浪板控制系統(tǒng)分為兩個獨立的閉環(huán)系統(tǒng),伺服控制器采用PLC為處理器的控制方式,選用西門子CPU315系列的處理器,其最快處理浮點數(shù)指令可達3μs,接收航行控制器發(fā)送的T型翼和壓浪板動作的角度信號,通過安裝在T型翼和壓浪板執(zhí)行器角度傳感器檢測實際的角度值,伺服控制器通過對給定角度值和測量角度值的比較通過一定的算法來控制電液伺服閥的驅動電流的大小,電液伺服閥根據(jù)電流的大小來控制油的流量,推動液壓缸進行伸縮動作,從而推動T型翼襟翼和壓浪板的擺動。本方案中T型翼具備回收功能,通過兩個電磁閥推動兩個液壓缸來實現(xiàn)收放,液壓控制系統(tǒng)由T型翼和壓浪板控制功能框圖分別如圖3和圖4所示。

圖2 航行控制器信號流程框圖

圖3 T型水翼液壓控制框圖

圖4 壓浪板液壓控制框圖

液壓控制系統(tǒng)采用PID控制算法[9～10],通過將給定值與檢測值測量的跟隨曲線來調整響應參數(shù)的整定值PID控制算法主要用軟件中SFB41功能塊實現(xiàn),SFB41模塊用于連續(xù)系統(tǒng)的PID控制,只需設置相關的參數(shù)即可,實現(xiàn)非常簡單,液壓控制系統(tǒng)PID控制流程如圖5所示。

圖5 液壓控制程序流程圖

5 結構設計

5.1 T型翼結構設計

T型翼是由襟翼、固定翼、垂直翼、傳動桿、角度傳感器、兩臺液壓缸、伺服缸、回收機構以及框架等部件組成,伺服缸上裝有電液伺服閥,T型翼通過傳動軸與吊架形成轉動環(huán)節(jié),伺服缸活塞推動傳動感,而在與襟翼相固接的傳動軸上裝有鉸鏈,襟翼上的傳動軸與T翼下部的軸孔形成回轉。當襟翼工作時,垂直翼處于垂直位置,上部兩臺液壓缸分別由兩只液壓鎖鎖緊,使T型翼保持垂直位置不變。當向電液伺服閥輸入正向電流時,伺服缸中的活塞桿帶動傳動感向上運動,使襟翼向下擺動,其擺動角度由角度傳感器檢測,并由電氣控制系統(tǒng)組成閉環(huán)控制,使襟翼的擺動角度隨輸入信號相適應。當向電液伺服閥輸入反向電流時,襟翼便向上擺動,其角度控制方式與上述相同。當襟翼的擺動工作完成后,首先是T翼左端液壓缸活塞桿完全伸出,T翼通過其上部回轉軸,使其向右側收回一定的角度;然后T翼右端液壓缸活塞桿伸出,使T翼進一步收回;當T翼收至水平位置時,安裝在T翼上部回轉軸上的壓桿,觸動行程開關,使T翼右端液壓缸活塞桿停止運動,并由液壓鎖鎖緊。T型翼結構示意圖如圖6所示。

5.2 壓浪板結構設計

壓浪板是由壓浪板體、傳動軸、支座、伺服缸、電液伺服閥以及角度傳感器等部件組成,壓浪板體通過傳動軸安裝在支座上,構成轉動環(huán)節(jié),在傳動軸的一端安裝有角度傳感器;伺服缸上裝有電液伺服閥。當向電液伺服閥輸入正向電流時,伺服缸中的活塞桿帶動壓浪板向上擺動,其擺動角度由角度傳感器檢測,并由電氣控制系統(tǒng)組成閉環(huán)控制,使壓浪板體的擺動角度與輸入信號相適應。當向電液伺服閥輸入反向電流時,壓浪板體便向下擺動。壓浪板結構圖如圖8所示。

圖6 T型翼放下狀態(tài)

圖7 T型翼回收狀態(tài)

圖8 壓浪板結構圖

6 結語

針對穿浪雙體船在高速航行狀態(tài)下的耐波性易受到波浪影響問題,本文提出了一種穿浪雙體船姿態(tài)控制系統(tǒng)樣機設計方案,姿態(tài)控制系統(tǒng)樣機主要有姿態(tài)傳感器、航行控制器、顯示控制單元、液壓系統(tǒng)、T型水翼和兩套壓浪板組成,本文給出了系統(tǒng)及各組成部分的方案,并實現(xiàn)了樣機研制,驗證了該方案的可行性,為船舶姿態(tài)控制系統(tǒng)研制提供參考。

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Scheme Design of A Ship Ride Automatic Control System

XU Wenqing

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

As the ship seakeeping characteristics is easily affected by storm at high speed, and ride automatic control system is an important device for improving the ship seakeeping characteristics, the paper proposes a scheme of ride automatic control system. The control appendage of the system comprises one T-foil and two trim-tab, using hydraulic control mode. The paper implements the system manufacture, validating the feasibility of the scheme, providing a reference for study or manufacture for ride automatic control system.

ride automatic control, control appendage, hydraulic control

2014年12月1日,

2015年1月17日

胥文清,碩士,工程師,研究方向:艦船電子信息,自動控制。

U666

10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.039