CN106812733A - 一种船用舵机水动力负载模拟装置的液压控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种船用舵机水动力负载模拟装置的液压控制系统，主要由加载回路和补油回路两个回路组成。在采用闭环比例控制的基础上，加入了前馈控制来提高系统的响应速度，能够真实地模拟舵机工作时所受到的水动力负载，达到了使用方的工作需要。

Description

一种船用舵机水动力负载模拟装置的液压控制系统
技术领域
本发明涉及一种船用舵机水动力负载模拟装置的液压控制系统，适用于机械领域。
背景技术
船舶舵机负载模拟器是一种地面半实物仿真设备，用于在实验室条件下模拟舵机所受的外部载荷。舵机在水下所受负载较复杂，有水动力、摩擦力、惯性力等。用于模拟此类负载的加载系统一般都具有惯量大、负载流量大、所需出力大的特点。国内对此类被动加载的问题有过一些研究，例如利用双阀并联控制来解决大流量和加载中多余力的问题；再如采用液压惯性系统来模拟舵面大惯量负载。上述两种方法采用了液压缸驱动液压马达作为惯性负载来模拟打舵时的惯性力，有效地解决了加载时负载大流量引起的干扰和多余力的问题，但存在着液压传动和控制结构复杂的不足。还有采用液压伺服阀和差动缸的方法实现舵机动态加载的系统。由于上述系统均采用大流量的电液伺服阀，系统的成本较高，并且耐污染程度较低。
发明内容
本发明提出了一种船用舵机水动力负载模拟装置的液压控制系统，在采用闭环比例控制的基础上，加入了前馈控制来提高系统的响应速度，能够真实地模拟舵机工作时所受到的水动力负载，达到了使用方的工作需要。
本发明所采用的技术方案是：所述液压系统主要由加载回路和补油回路两个回路组成，加载回路由恒压变量泵、单向阀、精密过滤器、溢流阀、节流阀、蓄能器、比例溢流阀、液动换向阀、旁通球阀、溢流阀以及加载缸组成。当舵机液压缸驱动舵轴转动时，加载缸通过连接机构提供阻力模拟水动力负载，连接机构上装有转动惯量盘来模拟惯性负载。通过控制比例溢流阀的溢流压力来控制加载液压缸被拖动时的背压，从而控制了主动缸运动时的负载力。恒压变量泵的作用是当舵机停止转动时，经过节流阀向比例溢流阀提供所需要的最低工作流量。所以，变量泵选用高压小排量的恒压变量泵，变量泵的设定压力为21 MPa。补油回路由低压大排量叶片泵、精密过滤器、溢流阀以及单向阀组成。补油回路的作用是当加载液压缸被动运动时，为体积增大的一腔补油。故补油回路中的叶片泵为低压大流量压力源，溢流阀的设定压力为0.5 MPa。
所述液压系统采用高压小排量泵和低压大排量泵构成液压动力源，具有功耗低、效率高的特点。同时，系统避免了复杂的液压惯性系统的存在和成本较高的电液伺服阀的使用，结构更加简单，容易实现。
所述控制系统实际为一个电液力控制系统。对于电液力控制系统，要保持一定的输出力就要求电液阀有一定的控制电压，因此该系统是一个零型有差系统H1。比例溢流阀的溢流压力与输入电压信号近似呈比例关系，要保持一定的负载力必须要有一定的输入电压。若用普通的PID控制，要维持系统的输出力，误差的积分必须始终存在，并起主要作用。由控制理论知道，积分环节虽然可以消除系统静差，但它将使系统的动态过程变慢，而且过强的积分作用使系统的稳定性变坏。为了能够消除较大的跟随误差，同时为了避免过大的积分造成的不利影响，本系统采用速度前馈加闭环比例控制的方法。
本发明的有益效果是：采用液压传动和计算机控制技术来实现牵引床的牵引治疗，操作过程平稳舒适，牵引力的平稳性和可控性增强，减少了牵引误差和工作噪声，有效改善了治疗效果。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的加载装置液压原理图。
图2是本发明的控制系统原理图。
图3是本发明的前馈控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1，液压系统主要由加载回路和补油回路两个回路组成，加载回路由恒压变量泵2、单向阀9、精密过滤器10、溢流阀11、节流阀12、蓄能器17、比例溢流阀14、液动换向阀18、旁通球阀20、溢流阀21以及加载缸22组成。当舵机液压缸24驱动舵轴转动时，加载缸22通过连接机构23提供阻力模拟水动力负载，连接机构上装有转动惯量盘来模拟惯性负载。通过控制比例溢流阀14的溢流压力来控制加载液压缸被拖动时的背压，从而控制了主动缸运动时的负载力。恒压变量泵的作用是当舵机停止转动时，经过节流阀12向比例溢流阀提供所需要的最低工作流量。所以，变量泵2选用高压小排量的恒压变量泵，变量泵的设定压力为21 MPa。补油回路由低压大排量叶片泵6、精密过滤器16、溢流阀15以及单向阀19组成。补油回路的作用是当加载液压缸被动运动时，为体积增大的一腔补油。故补油回路中的叶片泵为低压大流量压力源，溢流阀15的设定压力为0.5 MPa。
如图2，液压系统采用高压小排量泵和低压大排量泵构成液压动力源，具有功耗低、效率高的特点。同时，系统避免了复杂的液压惯性系统的存在和成本较高的电液伺服阀的使用，结构更加简单，容易实现。
如图3，根据舵机液压缸活塞杆的位移量和舵机的几何关系，可以计算出舵角的大小。函数发生器是根据舵角的大小，得到舵轴在该位置所受到的水动力负载的信号发生器。系统工作时，将实测的舵角——水动力负载的对应值，以合适的间隔添加到函数发生器中，得到一个不同舵角对应不同水动力负载的表格。当函数发生器通过数据采集系统获得舵轴的当前舵角后，通过查表或线性插值得到水动力负载的值。舰船实际航行时，在不同的速度下，有不同的舵角——水动力负载关系曲线。因此，函数发生器可以发生多个航速下不同舵角对应的水动力负载值信号。同时，为了满足“舵机回中转动时不加载”的工作要求，函数发生器还需要对液压缸的位置变化进行判断。当函数发生器判断舵轴向靠近中位的方向运动时，函数发生器的水动力负载的理论值直接输出零。若是判断为远离中位方向，则函数发生器输出正常值。
控制系统实际为一个电液力控制系统。对于电液力控制系统，要保持一定的输出力就要求电液阀有一定的控制电压，因此该系统是一个零型有差系统H1。比例溢流阀的溢流压力与输入电压信号近似呈比例关系，要保持一定的负载力必须要有一定的输入电压。若用普通的PID控制，要维持系统的输出力，误差的积分必须始终存在，并起主要作用。由控制理论知道，积分环节虽然可以消除系统静差，但它将使系统的动态过程变慢，而且过强的积分作用使系统的稳定性变坏。为了能够消除较大的跟随误差，同时为了避免过大的积分造成的不利影响，本系统采用速度前馈加闭环比例控制的方法。前馈控制电压U 2在动态跟随中起主要作用；闭环控制电压U 1起微调的作用，相当于PID控制器用误差消除误差的原理。因此，比例溢流阀输入电压与溢流压力之间的关系准确与否，决定实际控制效果的好坏。

Claims (5)

1.一种船用舵机水动力负载模拟装置的液压控制系统，其特征是：所述液压系统主要由加载回路和补油回路两个回路组成。
2.根据权利要求1所述的一种船用舵机水动力负载模拟装置的液压控制系统，其特征是：所述加载回路由恒压变量泵、单向阀、精密过滤器、溢流阀、节流阀、蓄能器、比例溢流阀、液动换向阀、旁通球阀、溢流阀以及加载缸组成。
3.根据权利要求1所述的一种船用舵机水动力负载模拟装置的液压控制系统，其特征是：所述补油回路由低压大排量叶片泵、精密过滤器、溢流阀以及单向阀组成；补油回路的作用是当加载液压缸被动运动时，为体积增大的一腔补油；故补油回路中的叶片泵为低压大流量压力源，溢流阀的设定压力为0.5 MPa。
4.根据权利要求1所述的一种船用舵机水动力负载模拟装置的液压控制系统，其特征是：所述液压系统采用高压小排量泵和低压大排量泵构成液压动力源，具有功耗低、效率高的特点；同时，系统避免了复杂的液压惯性系统的存在和成本较高的电液伺服阀的使用，结构更加简单，容易实现。
5.根据权利要求1所述的一种船用舵机水动力负载模拟装置的液压控制系统，其特征是：所述控制系统采用速度前馈加闭环比例控制的方法，能够消除较大的跟随误差，同时避免过大的积分造成的不利影响。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110671373A (zh) * 2019-10-16 2020-01-10 哈尔滨理工大学 一种双阀并联控制液压缸的电液力控制系统

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