CN107757857B - 一种全回转舵桨的转舵控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全回转舵桨的转舵控制方法，属于舵角控制技术领域。转舵控制方法包括：获取全回转舵桨的当前舵角值f；获取全回转舵桨的目标舵角值C；获取柴油机的实时转速值N；确定转舵角度E，确定变量泵的排量参数M，控制全回转舵桨进行转舵。本发明通过在变量泵的排量参数M中引入柴油机转速，使得变量泵的排量可根据柴油机的转速而变化，提高了低转速时舵桨的响应速度以及船舶操纵的灵活性。且当需要转过的角度较大时，变量泵的排量参数M也较大，变量泵的排量也大，当需要转过的角度较小时，变量泵的排量参数M也较小，变量泵的排量也小，保证实际转舵的角度不会超过目标舵角值，提高了控制精度。

Description

一种全回转舵桨的转舵控制方法及系统

技术领域

本发明涉及舵角控制技术领域，特别涉及一种全回转舵桨的转舵控制方法及系统。

背景技术

全回转舵桨是一种将舵的功能与螺旋桨的功能相结合的一种推进器。全回转舵桨的液压控制系统包括液压马达和变量泵。其中变量泵由驱动螺旋桨的柴油机带动，变量泵用于向液压马达输送液压油，使液压马达旋转。液压马达则通过减速机等机构驱动全回转舵桨回转，全回转舵桨的回转方向以及回转速度可以通过液压马达的转向控制。

目前全回转舵桨在需要进行转舵时通常是先增大液压控制系统的变量泵的排量至一定值后，通过变量泵输送液压油，从而由液压马达驱动全回转舵桨回转至目标角度位置，当全回转舵桨回转至目标角度位置后，将变量泵的排量降低为零，从而停止回转。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

由于柴油机的转速不是恒定不变的，当变量泵排量不变，柴油机转速高时，变量泵每分钟提供的液压油流量大，全回转舵桨回转速度快，可能会出现控制全回转舵桨回转后，全回转舵桨的位置超过目标舵角位置的问题。当柴油机转速低时，又会出现液压油流量小，舵桨回转动作缓慢的问题。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种以机带变量泵为控制对象的舵角闭环控制方法及系统，使得变量泵的排量可根据柴油机的转速而变化，并保证操作的平稳性和精确性，且舵角控制无超调。技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种全回转舵桨的转舵控制方法，所述转舵控制方法包括：

获取全回转舵桨的当前舵角值f，f∈[0，360)；

获取所述全回转舵桨的目标舵角值C，C∈[0，360)；

获取柴油机的实时转速值N；

确定转舵角度E，

其中，当|C-f|≤180时，E＝|C-f|，

当|C-f|＞180时，E＝|360-(C-f)|；

确定变量泵的排量参数M，

其中，当E＞15时，

当5≤E≤15时，

当1≤E＜5时，M＝M_S，

当E＜1时，M＝0，

其中，N_i为柴油机的怠速转速值，M_L∈[70，90]，M_S∈[25，40]；

控制所述全回转舵桨进行转舵，转舵过程中所述变量泵的排量P满足以下等式：

其中，P_m为所述变量泵的最大排量。

进一步地，所述控制所述全回转舵桨进行转舵包括：

当0＜C-f≤180或f-C＞180时，控制所述全回转舵桨正转；

当0＜f-C≤180或C-f＞180时，控制所述全回转舵桨反转。

进一步地，所述控制所述全回转舵桨进行转舵包括：

生成所述变量泵的排量调节信号；

根据所述排量调节信号调节所述变量泵的排量，

其中，所述排量调节信号为强度与P呈正比的电流信号。

进一步地，M_L＝80。

另一方面，本发明实施例提供了一种全回转舵桨的转舵控制系统，所述控制系统包括：

舵角检测模块，用于获取全回转舵桨的当前舵角值f，f∈[0，360)；

舵角设定模块，用于获取所述全回转舵桨的目标舵角值C，C∈[0，360)；

转速检测模块，用于获取柴油机的实时转速值N；

逻辑模块，用于确定转舵角度E和变量泵的排量参数M，

其中，当|C-f|≤180时，E＝|C-f|，

当|C-f|＞180时，E＝|360-(C-f)|；

当E＞15时，

当5≤E≤15时，

当1≤E＜5时，M＝M_S，

当E＜1时，M＝0，

其中，N_i为柴油机的怠速转速值，M_L∈[70，90]，M_S∈[25，40]；

控制模块，用于控制所述全回转舵桨进行转舵，转舵过程中所述变量泵的排量P满足以下等式：

其中，P_m为所述变量泵的最大排量。

进一步地，所述控制模块还用于，

当0＜C-f≤180或f-C＞180时，控制所述全回转舵桨正转；

当0＜f-C≤180或C-f＞180时，控制所述全回转舵桨反转。

进一步地，所述逻辑模块还用于生成所述变量泵的排量调节信号；所述控制模块还用于根据所述排量调节信号调节所述变量泵的排量，其中，所述排量调节信号为强度与P呈正比的电流信号。

进一步地，M_L＝80。

进一步地，所述舵角检测模块为角度传感器。

进一步地，所述舵角设定模块为全回转舵桨控制手柄。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过获取全回转舵桨的当前舵角值f、全回转舵桨的目标舵角值C和柴油机的实时转速值N，并在转舵过程中，根据各数值确定出变量泵的排量参数M，再根据排量参数M确定出转舵过程中的变量泵的排量P，由于P正比于M，同时M与任意时刻的当前舵角值f和目标舵角值C以及柴油机的实时转速值N相关，使得变量泵的排量可根据柴油机的转速而变化，提高了低转速时舵桨的响应速度，提高了船舶操纵的灵活性。且当需要转过的角度较大时，变量泵的排量参数M也较大，变量泵的排量也大，当需要转过的角度较小时，变量泵的排量参数M也较小，变量泵的排量也小，保证实际转舵的角度不会超过目标舵角值，提高了控制精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种现有的全回转舵桨的结构示意图；

图2是本发明提供的一种全回转舵桨的转舵控制方法的方法流程图；

图3是本发明提供的一种全回转舵桨的转舵控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了更好的理解本发明，以下对全回转舵桨进行简单说明：

图1是一种现有的全回转舵桨的结构示意图，如图1所示，该全回转舵桨包括螺旋桨100、液压控制系统和全回转舵桨本体400，全回转舵桨本体400呈圆柱状，螺旋桨100设置在全回转舵桨本体400的一端。液压控制系统包括液压马达200和变量泵300，变量泵300向液压马达200输送液压油，使液压马达200旋转。液压马达200驱动全回转舵桨本体400回转，全回转舵桨本体400的回转方向可以通过液压马达200的转向控制，全回转舵桨本体400的回转速度可以通过液压马达200的转速控制。全回转舵桨本体400可以带动螺旋桨100绕全回转舵桨本体400的轴线360°回转，当船舶向前直行时，全回转舵桨的位置定义为0°舵角，当船舶向正后方直行时，全回转舵桨的位置定义为180°舵角。其中，当全回转舵桨向舵角值增大的方向转动时为正转，全回转舵桨向舵角值减小的方向转动时为反转。

图2是本发明提供的一种全回转舵桨的转舵控制方法的方法流程图，如图2所示，该转舵控制方法包括：

步骤101：获取全回转舵桨的当前舵角值f，f∈[0，360)。

步骤102：获取全回转舵桨的目标舵角值C，C∈[0，360)。

其中，当前舵角值f和目标舵角值C的取值均为0～360，对应全回转舵桨回转一周的舵角变化范围，其中0°与360°是重合的，当全回转舵桨位于0°舵角时，表示船舶向前直行。

步骤103：获取柴油机的实时转速值N。

柴油机的实时转速值N可由柴油机直接提供，或者在柴油机上设置检测装置检测得到，其中0≤N≤N_r，其中N_r为柴油机的额定转速值。

步骤104、确定转舵角度E。

其中，当|C-f|≤180时，E＝|C-f|；

当|C-f|＞180时，E＝|360-(C-f)|。

步骤105：确定变量泵的排量参数M。

具体地，当E＞15时，

当5≤E≤15时，

当1≤E＜5时，M＝M_S；

当E＜1时，M＝0。

其中，N_i为柴油机的怠速转速值，M_L∈[70，90]，M_S∈[25，40]。

优选地，M_L＝80，由于变量泵的排量参数M与M_L有关，而全回转舵桨的回转速度又与变量泵的排量参数M有关，若M_L过小，使得变量泵的排量参数M过小，可能会导致全回转舵桨的回转速度过慢，若M_L过大，使得变量泵的排量参数M过大，可能会导致全回转舵桨的回转速度过快，容易出现控制全回转舵桨回转后，全回转舵桨的位置超过目标舵角位置的问题。

具体地，根据柴油机类型的不同，柴油机的怠速参数N_i与额定转速值N_r不同，不同的柴油机其怠速转速值和额定转速值也可能不同，怠速转速值可以根据从柴油机的铭牌上查取，对于一般中速柴油机而言，柴油机额定转速值N_r的取值大小在1000转速左右，柴油机怠速转速值N_i的取值大小在450～550转速左右。

步骤106：控制全回转舵桨进行转舵。

具体地，转舵过程中变量泵的排量P满足以下等式：

其中，P_m为变量泵的最大排量。

进一步地，步骤106还包括，控制全回转舵桨的转向。

具体地，当0＜C-f≤180或f-C＞180时，控制全回转舵桨正转；

当0＜f-C≤180或C-f＞180时，控制全回转舵桨反转。

全回转舵桨在正转时，全回转舵桨向舵角值增大的方向转动，全回转舵桨在反转时，全回转舵桨向舵角值减小的方向转动。

在控制全回转舵桨进行转舵时，可以通过排量调节信号调节变量泵的排量。具体可以包括：

生成变量泵的排量调节信号。

根据排量调节信号调节变量泵的排量。

其中，排量调节信号可以为强度与排量P呈正比的电流信号。

在具体实现时，排量调节信号可以是大小为4mA～20mA的电流信号，电流信号越强，则排量P越大，反之电流信号越弱，则排量P越小。

此外，还可以根据排量调节信号的正负控制全回转舵桨转动的方向，例如，当排量调节信号为+10mA时，表示转舵过程中，变量泵以10mA的电流信号对应的排量P运转，控制全回转舵桨正转，而当排量调节信号为-10mA时，则变量泵以相等大小的排量控制全回转舵桨反转。

在本实施例中，当电流信号为+20mA时，变量泵的排量P＝P_m，且全回转舵桨正转；

当电流信号为+4mA～+20mA时，变量泵的排量0≤P≤P_m，且全回转舵桨正转，电流信号的大小与排量P成线性关系；

当电流信号为-4mA～-20mA时，变量泵的排量0≤P≤P_m，且全回转舵桨反转；

当电流信号为-20mA时，变量泵的排量P＝P_m，且全回转舵桨反转。

以上描述中，电流信号的正负表示电流的方向，当电流信号为正时，变量泵驱动全回转舵桨正转，当电流信号为负时，变量泵驱动全回转舵桨反转。

此外，当电流信号在-4mA～+4mA时，变量泵的排量P都为0，这样可以在不需要进行转舵时，避免电流信号断线(0mA)或者电流信号出现波动而引起全回转舵桨发生回转，有利于使全回转舵桨保持在某一舵角位置。

本发明实施例通过获取全回转舵桨的当前舵角值f、全回转舵桨的目标舵角值C和柴油机的实时转速值N，并在转舵过程中，根据各数值确定出变量泵的排量参数M，再根据排量参数M确定出转舵过程中的变量泵的排量P，由于P正比于M，同时M与任意时刻的当前舵角值f和目标舵角值C以及柴油机的实时转速值N相关，使得变量泵的排量可根据柴油机的转速而变化，提高了低转速时舵桨的响应速度，提高了船舶操纵的灵活性。且当需要转过的角度较大时，变量泵的排量参数M也较大，变量泵的排量也大，当需要转过的角度较小时，变量泵的排量参数M也较小，变量泵的排量也小，保证实际转舵的角度不会超过目标舵角值，提高了控制精度。

图3是本发明提供的一种全回转舵桨的转舵控制系统的结构示意图，如图3所示，该控制系统包括舵角检测模块201、舵角设定模块202、转速检测模块203、逻辑模块204和控制模块205。

舵角检测模块201用于获取全回转舵桨的当前舵角值f，f∈[0，360)。舵角设定模块202用于获取全回转舵桨的目标舵角值C，C∈[0，360)。转速检测模块203用于获取柴油机的实时转速值N。

逻辑模块204用于确定转舵角度E和变量泵300的排量参数M。

其中，当|C-f|≤180时，转舵角度E＝|C-f|，

当|C-f|＞180时，转舵角度E＝|360-(C-f)|。

进一步地，逻辑模块204与转速检测模块203相连接，获取柴油机的实时转速值N，用于计算变量泵300的排量参数M，

当E＞15时，

当5≤E≤15时，

当1≤E＜5时，M＝M_S，

当E＜1时，M＝0，

其中，N_i为柴油机的怠速转速值，M_L∈[70，90]，M_S∈[25，40]。

优选地，M_L＝80，由于变量泵的排量参数M与M_L有关，而全回转舵桨的回转速度又与变量泵的排量参数M有关，若M_L过小，使得变量泵的排量参数M过小，可能会导致全回转舵桨的回转速度过慢，若M_L过大，使得变量泵的排量参数M过大，可能会导致全回转舵桨的回转速度过快，容易出现控制全回转舵桨回转后，全回转舵桨的位置超过目标舵角位置的问题。

具体地，根据柴油机类型的不同，柴油机的怠速参数N_i与额定转速值N_r不同，不同的柴油机其怠速转速值和额定转速值也可能不同，怠速转速值可以根据从柴油机的铭牌上查取，对于一般中速柴油机而言，柴油机额定转速值N_r的取值大小在1000转速左右，柴油机怠速转速值N_i的取值大小在450～550转速左右。

控制模块205用于控制全回转舵桨进行转舵，转舵过程中变量泵300的排量P满足以下等式：

实现时，控制模块205还用于控制全回转舵桨的转向。

具体地，当0＜C-f≤180或f-C＞180时，控制全回转舵桨正转；当0＜f-C≤180或C-f＞180时，控制全回转舵桨反转。

全回转舵桨在正转时，全回转舵桨向舵角值增大的方向转动，全回转舵桨在反转时，全回转舵桨向舵角值减小的方向转动。

逻辑模块204还用于生成变量泵的排量调节信号，控制模块205还用于根据排量调节信号调节变量泵的排量，其中，排量调节信号为强度与排量P呈正比的电流信号。排量调节信号与排量P的具体关系可以参见前述的方法实施例，此处不再详述。

具体地，该舵角检测模块201可以为角度传感器，角度传感器一般安装在全回转舵桨本体上，通过角度传感器上的齿轮与全回转舵桨的回转支撑的齿轮啮合，全回转舵桨上的回转支承在转动时，带动角度传感器上的齿轮转动，角度传感器通过检测角度传感器上的齿轮转动的圈数，计算出回转支承转动的角度，从而得到舵角值。角度传感器可以根据舵角值的大小产生不同大小的电流信号或是电压信号，例如，当全回转舵桨处在舵角为0°的位置时，角度传感器产生4mA的电流信号，当全回转舵桨处在舵角为359.9°的位置时，角度传感器产生20mA的电流信号，从而可以根据电流信号的大小确定全回转舵桨所处位置的舵角值。当角度传感器产生的是电压信号时，电压信号的范围可以是0～10V。

舵角设定模块202可以为全回转舵桨控制手柄。全回转舵桨控制手柄一般安装在船舶的驾驶室，全回转舵桨控制手柄可以在360°范围内转动，通过旋转全回转舵桨控制手柄至某一角度位置，则可以控制全回转舵桨回转至对应舵角的位置。例如当全回转舵桨控制手柄处在0°位置时，全回转舵桨也相应地处在0°舵角的位置，当全回转舵桨控制手柄处在90°位置时，全回转舵桨也相应地处在90°舵角的位置。当全回转舵桨控制手柄旋转时，会产生4～20mA的电流控制信号，例如将全回转舵桨控制手柄旋转到0°位置时，全回转舵桨控制手柄会产生4mA的电流控制信号，将全回转舵桨控制手柄旋转到359.9°位置时，全回转舵桨控制手柄会产生20mA的电流控制信号，从而可以根据电流控制信号的大小确定全回转舵桨控制手柄所旋转到的位置，由于全回转舵桨控制手柄处的角度位置与全回转舵桨处的舵角位置相同，因此确定出全回转舵桨控制手柄所旋转到的位置即确定了目标舵角值。

需要说明的是，全回转舵桨控制手柄也可以产生的是电压控制信号，例如将全回转舵桨控制手柄旋转到0°位置时，全回转舵桨控制手柄会产生0V的电压控制信号，将全回转舵桨控制手柄旋转到359.9°位置时，全回转舵桨控制手柄会产生10V的电压控制信号。

该转速检测模块203可以为转速传感器，用于实时检测柴油机的转速，转速传感器可以设置在驱动全回转舵桨的柴油机上。

具体地，0≤N≤N_r，其中N_r为柴油机的额定转速值。

具体地，逻辑模块204可以为PLC(英文：Programmable Logic Controller，中文：可编程逻辑控制器)，舵角检测模块201、舵角设定模块202和转速检测模块203均可以与逻辑模块204电连接，以将当前舵角值f、目标舵角值C以及柴油机的实时转速值N输入到PLC中，PLC编程简单，易于操作。

本发明通过获取全回转舵桨的当前舵角值f、全回转舵桨的目标舵角值C和柴油机的实时转速值N，并在转舵过程中，根据各数值确定出变量泵的排量参数M，再根据排量参数M确定出转舵过程中的变量泵的排量P，由于P正比于M，同时M与任意时刻的当前舵角值f和目标舵角值C以及柴油机的实时转速值N相关，使得变量泵的排量可根据柴油机的转速而变化，提高了低转速时舵桨的响应速度，提高了船舶操纵的灵活性。且当需要转过的角度较大时，变量泵的排量参数M也较大，变量泵的排量也大，当需要转过的角度较小时，变量泵的排量参数M也较小，变量泵的排量也小，保证实际转舵的角度不会超过目标舵角值，提高了控制精度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全回转舵桨的转舵控制方法，其特征在于，所述转舵控制方法包括：

获取全回转舵桨的当前舵角值f，f∈[0，360)；

获取所述全回转舵桨的目标舵角值C，C∈[0，360)；

获取柴油机的实时转速值N；

确定转舵角度E，

其中，当|C-f|≤180时，E＝|C-f|，

当|C-f|＞180时，E＝|360-(C-f)|；

确定变量泵的排量参数M，

其中，当E＞15时，

当5≤E≤15时，

当1≤E＜5时，M＝M_S，

当E＜1时，M＝0，

其中，N_i为柴油机的怠速转速值，M_L∈[70，90]，M_S∈[25，40]；

控制所述全回转舵桨进行转舵，转舵过程中所述变量泵的排量P满足以下等式：

其中，P_m为所述变量泵的最大排量。

2.根据权利要求1所述的转舵控制方法，其特征在于，所述控制所述全回转舵桨进行转舵包括：

当0＜C-f≤180或f-C＞180时，控制所述全回转舵桨正转；

当0＜f-C≤180或C-f＞180时，控制所述全回转舵桨反转。

3.根据权利要求1所述的转舵控制方法，其特征在于，所述控制全回转舵桨进行转舵包括：

生成所述变量泵的排量调节信号；

根据所述排量调节信号调节所述变量泵的排量，

其中，所述排量调节信号为强度与P呈正比的电流信号。

4.根据权利要求1～3任一项所述的转舵控制方法，其特征在于，M_L＝80。

5.一种全回转舵桨的转舵控制系统，其特征在于，所述转舵控制系统包括：

舵角检测模块，用于获取全回转舵桨的当前舵角值f，f∈[0，360)；

舵角设定模块，用于获取所述全回转舵桨的目标舵角值C，C∈[0，360)；

转速检测模块，用于获取柴油机的实时转速值N；

逻辑模块，用于确定转舵角度E和变量泵的排量参数M，

其中，当|C-f|≤180时，E＝|C-f|，

当|C-f|＞180时，E＝|360-(C-f)|；

当E＞15时，

当5≤E≤15时，

当1≤E＜5时，M＝M_S，

当E＜1时，M＝0，

其中，N_i为柴油机的怠速转速值，M_L∈[70，90]，M_S∈[25，40]；

控制模块，用于控制所述全回转舵桨进行转舵，转舵过程中所述变量泵的排量P满足以下等式：

其中，P_m为所述变量泵的最大排量。

6.根据权利要求5所述的转舵控制系统，其特征在于，所述控制模块还用于，

当0＜C-f≤180或f-C＞180时，控制所述全回转舵桨正转；

当0＜f-C≤180或C-f＞180时，控制所述全回转舵桨反转。

7.根据权利要求5所述的转舵控制系统，其特征在于，所述逻辑模块还用于生成所述变量泵的排量调节信号；所述控制模块还用于根据所述排量调节信号调节所述变量泵的排量，其中，所述排量调节信号为强度与P呈正比的电流信号。

8.根据权利要求5～7任一项所述的转舵控制系统，其特征在于，M_L＝80。

9.根据权利要求5～7任一项所述的转舵控制系统，其特征在于，所述舵角检测模块为角度传感器。

10.根据权利要求5～7任一项所述的转舵控制系统，其特征在于，所述舵角设定模块为全回转舵桨控制手柄。