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重庆大学硕士学位论文船舶液压舵机系统设计研究姓名：王月申请学位级别：硕士专业：机械设计与自动化指导教师：陈波2012-06重庆大学硕士学位论文中文摘要I摘要我国改革开放后与国外贸易量逐年增大，尤其是加入WTO后进入了快速发展阶段，海运事业随着世界贸易的增长而快速发展，船舶行业随之迎来了黄金时期。但我国船舶配套设备制造能力一直滞后船舶主体制造能力，现已成为船舶行业快速发展的瓶颈。舵机是控制船舶航向的重要设备，其性能的好坏对于船舶运动的控制起着非常关键的作用。但目前国内对于船舶舵机的研究大多集中于船舶航向及舵迹控制方面，对于舵机本身的运动转换机构、液压传动及电气控制方面研究却相对较少。因此，研究开发高性能船舶舵机并实现量产，对于我国船舶行业配套能力的加强、竞争力的提高具有重要意义。本文通过分析研究船舶舵机作用原理及目前常用转舵机构，提出采用滚珠逆螺旋机构作为转舵机构，构建新式舵机。根据船舶对舵机要求及螺旋作动器实际需要，进行深入分析比较后，设计了舵机液压传动原理图，确定了电气控制方案。对舵机液压系统进行必要的简化后，分别建立了比例阀环节，阀控缸环节及角度传感器等环节的数学模型，经适当变换最终得到了舵机的数学模型，并对舵机系统的稳定性进行了分析。由于舵机闭环时域响应缓慢，且船舶在航行过程中受风、海浪等不确定因素影响，所以采用了不依赖对象模型的模糊PID校正，设计了模糊PID控制器。运用MATLAB软件中的Simulink工具箱建立了系统动态仿真模型，并对系统进行了仿真分析。根据船舶舵机需远距离传送信号且干扰源多的情况，采取了操作室与舵机室分散控制，通过CAN总线连接通信的控制方式，有效提高了控制及反馈信号传送的速率与质量。设计了主电路图、CANopen主站控制原理图、CANopen从站控制原理图。本文设计的船舶舵机系统，采用了新型转舵机构，有效减小了舵机体积及重量；采用了电液比例控制，能有效提高船舶航行时舵角的定位精度，降低航行能耗，减小换向冲击及噪声；将传统的PID校正与先进的模糊控制相结合，提高了舵机的动态性能，增强舵机自适应能力；采用现场总线传输信号，提高了数据传输速度及可靠性。对高性能船舶舵机的设计据有一定的指导意义。关键词：船舶舵机，建模，模糊PID，仿真分析，PLC控制重庆大学硕士学位论文英文摘要IIABSTRACTChineseforeigntradevolumeincreasingyearbyyearbyreformandopeningup,inparticularafteraccessiontoWTOforeigntradehasenteredastageofrapiddevelopment.Theshipbuildingindustryhasalsoenteredingoldenagealongwithfastdevelopmentofshippingindustry,butChineseshipauxiliaryequipmentmanufacturingcapacityislaggingfarbehindthemainvessel.Ithasbecomeabottleneckintherapiddevelopmentofshipbuildingindustry.Steeringgearisoneofthemostimportantequipmentforcontrollingships.Itsgoodorbadperformanceplaysakeyroleforshipmotioncontrol.Butuptonowdomesticresearchersforthesteeringgearstudiesarefocusedonhowtocontroltheshipheadingandruddertrack.Thereisalackofresearchinghydraulicandelectricalcontrolaboutthesteeringgear.Therefore,researchanddevelopmenthigh-performancesteeringgearandachievethemassproductionfinally.IthasgreatsignificanceforstrengtheningcompetitivenessofChineseshipbuildingindustry.Principleandcurrentconditionofmarinesteeringgearwereanalyzedinthispaper.First,introducedstructureofmarinesteeringgearswhichwereusedcommonly,choosedballrotary-oscillatingactuatorasthenewsteeringgear.Accordingtorequirementsandactualneeds,designedtheschematicoffluiddriveandtheelectricalcontrolprogramafteranalyzedandcomparedthesystemseriously.Thehydraulicsystemofsteeringgearwassimplified.Correspondingmathematicalmodelsofproportionalvalve,valvecontrolcylinder,anglesensorareasandothersectorswereestablished.Mathematicalmodelofthecontrolsystemwasultimatelymadeoutandanalyzedstabilityofsteeringgearsystem.Astimedomainresponseisslowoftheservoloopandtheshipaffectedbythewind,wavesandotheruncertainfactorsduringvoyaging.SousedthefuzzyPIDcontrolanddesignedafuzzyPIDcontrollerforthissystem.DynamicmodelwasestablishedbyusingtheSimulinktoolboxinMATLABsoftware.Finally,usedMATLABsoftwaretocarrythroughdynamicsimulationandanalyzeddynamiccharacteristics.Becausesteeringsignalisremotetransmissionintheship.Soadoptedtheoperatingroomandsteeringgearroomweredecentralizedcontrol.TheroomswereconnectedviaCAN-bus.ThecontrolandfeedbacksignalstransmissionspeedandqualityeffectivelywereimprovedbyCAN-bus.Themaincircuit,CANopenmastercontroldiagramandCANopenslavecontrolprincipleweredesigned.重庆大学硕士学位论文英文摘要IIIInthispapersteeringgearwasdesigned.Usingelectro-hydraulicproportionalcontrol,itcanimprovethepositioningaccuracywhentheshipvoyaging,andreduceimpactandnoise.ApplyingfuzzyPIDcontrolstrategy,itcanimprovethedynamicperformanceofsteeringgearandenhanceadaptivecapacityofsteeringgear.Usingfieldbus,itcanincreasedatatransmissionspeedandreliability.Thispaperhasguidingsignificanceforthedesignofsmallandmediumsteeringgear.Keyword：ShipSteeringGear,Modeling,FuzzyPID,Simulation,PLCControl重庆大学硕士学位论文1绪论11绪论1.1船舶舵机介绍1.1.1舵机作用原理舵机是船舶上的一种大甲板机械，是船舶最重要的辅机之一，用于控制船舶航向。其对船舶的作用原理如图1.1所示图1.1舵作用原理Fig.1.1Actionprincipleofsteeringgear舵叶在水中的受力如图1.1所示。图中NF—舵叶两侧水压力（舵压力）；rF—摩擦力；LF—升力；DF—阻力。在正舵位置，即舵转角0α=时。舵叶两侧所受的水作用力相等，对船的运动方向不产生影响。当舵叶偏转任一角度α，两侧水流如图1.1（a）所示。水流绕流舵叶时的流程在背水面就要比迎水面长，背水面的流速也就较迎水面大，而其上的静压力也就较迎水面要小。舵叶两侧所受水压力的合力称为舵压力，NF将垂直于舵叶，作用于舵叶的压力中心o，并指向舵叶的背水面。除NF外，水流对舵叶还会产生与舵叶中线方向一致的摩擦力rF。当舵叶偏转舵角α后，在舵叶的压力中心o上，就会产生一个大小等于NF与rF合力的水作用力F。F可分解为与水流方向垂直的升力LF和与水流方向平行的阻力DF：212LLFCAvρ=（1.1）212DDFCAvρ=（1.2）xxCb=（1.3）式中：LC，DC，xC分别为升力、阻力、压力中心系数，其大小随舵角而变，与舵叶几何形状有关，由模型试验测定；ρ—水的密度；A—舵叶的单侧浸水面积；重庆大学硕士学位论文1绪论2v—舵叶处的水流速度；b—舵叶平均宽度。在图1.1（b）中，我们假设在船舶重心G处加上一对方向相反而数值均等于F的力1F、2F。那么水作用力F对船体的作用，可用水作用力对船舶重心所产生的力矩sM和2F的作用来代替。由F和1F形成的力矩sM迫使船舶绕其重心向偏舵方向回转，称为转船力矩(sM)。21()sin2sLcDcLLMFlXconFXFlCAvlααρ=++≈=（1.4）式中：l—舵杆轴线至船舶重心的距离；cX—舵压力中心至舵杆轴线的距离。由式（1.4）可知：转船力矩sM随舵角α的增大而增大，并在达到某一舵角时出现极大值maxM；sM出现极大值时的舵角数值与舵叶的几何形状有关，并主要取决于舵叶的展弦比λ(λ=舵叶高度A／舵叶平均宽度b)。λ越小，绕流的影响就越大，即在同样舵角上所产生的舵压力越小，而达到最大转船力矩时的舵角就越大。舵叶的展弦比值受到船舶吃水及船尾形状等条件限制。海船(λ=2～2.5)，maxM的舵角多介于30~35oo之间，规定35o；河船(λ=1.0～2.0)，maxM出现在35~45oo舵角之间。2F则可分解为R和T两个分力，纵向分力2sinRFα=，增加了船舶前进的阻力；横向分力2cosTFα=，使船向偏舵的相反方向漂移。由于水作用力F一般与船舶的重心G并不在同一水平面上，所以船在转向的同时，还存在着横倾与纵倾力矩。在舵匀速转动时，需要的转舵扭矩M（操舵装置对舵杆施加的力矩）即应等于舵的水动力矩aM和舵各支承处的总摩擦扭矩fM的代数和，即：afMMM=+（1.5）aM表示舵压力NF对舵杆轴线所产生的力矩（称为舵的水动力矩），对于普通平衡舵(0.15~0.2)faMM=在舵机设计时，确定舵机结构尺寸和工作参数的基本依据是公称转舵扭矩。公称转舵扭矩指在规定的最大舵角时所能输出的最大扭矩，是根据船舶在最深航海吃水和以最大营运航速前进时，将舵转到最大舵角所需要的扭矩来