CN109436277A - 襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置及其控制方法。本发明所述的齿轮传动装置包括主舵轴、翼舵轴和安装于船舱内部的驱动电机、ECU控制单元、齿轮传动机构及制动系统，驱动电机通过齿轮传动机构可以调整襟翼舵角度，而制动系统则可以使其角度不变。本发明的控制方法是，首先建立船舶航行运动模型，将转船力矩和等效舵角两个目标函数转换成单目标函数，基于人工鱼群算法开发上层控制器和基于backstepping控制理论开发下层控制器，可以实时在线优化襟翼舵角度并进行鲁棒控制。本装置安放在船舱内部，结构简单、紧凑、易于控制，本控制方法通过船舶航向、速度、海风等数据自动计算并控制最佳襟舵角和翼舵角航行，提升船舶航行的操纵稳定性和灵活性。

Description

襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种襟翼舵转角传动装置及其控制方法，特别是涉及一种襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置及其控制方法。

背景技术

在船舶姿态控制中，航向控制主要是通过操舵运动来实现的。为了转向灵活，要求舵尽可能的将螺旋桨的推力转变为船舶运动的横向力，即产生尽可能大转舵力矩以此来提高舵效。襟翼舵是将舵叶按一定的比例分为主舵叶和翼舵叶两个部分，转舵时通过传动装置使主舵角与翼舵角不相等，实际上将具有流线型的舵叶变成一个具有拱度的舵页。目前工程实践常见的襟翼舵，主舵与翼舵之间多用滑槽式、导杆式、铰链式等传动方式。这些传动装置的普遍特点就是主舵与翼舵之间的转角比是一个定值，即主舵与翼舵的转动角度成固定比例。这种襟翼舵相比传统对称剖面舵，提高了控制性能，但由于转角比固定，使得进一步提升船舶操纵性能受到了限制。

国内外对转角比无级可调的襟翼舵进行了相关研究。在中国发明专利说明书CN101112913A中公开了一种船舶舵/翼舵任意转角比传动装置，这种传动装置“在舵上面增加一个相对独立的控制面，改善舵的航向控制性能”，但是其传动机构相对复杂，结构臃肿，不能完全适用于提高船舶的水动力性能。在中国发明专利说明书CN101519118B中公开了一种滑块式船舶襟翼舵任意转角比传动装置，这种装置利用滑块机构实现翼舵转动，但其传动装置安放在船舱外部，导致船体结构不规则，影响船体的水动力性能，而且长期置于水中，亦不利于装置的维护保养。

发明内容

发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种主舵角/襟翼舵角比可调的齿轮传动装置及其控制方法。本装置安放在船舱内部，结构简单、紧凑、易于控制，应用于本装置的控制方法可以通过船舶航向、速度、海风、海流、海浪等数据自动计算并控制最佳襟舵角和翼舵角航行，提升船舶航行的操纵稳定性和灵活性。

技术方案：本发明公开一种襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置，包括主舵轴、翼舵轴、ECU控制单元以及安装于船舱内部的驱动电机、齿轮传动机构和制动系统。所述的齿轮传动机构包括连接在主舵轴上的太阳齿轮和连接在翼舵轴上的翼舵齿轮，太阳齿轮和翼舵齿轮在驱动电机的带动下旋转，所述的制动系统可以同时或者分别制动太阳齿轮和翼舵齿轮，所述的ECU控制单元控制驱动电机和制动系统。

具体的，所述的齿轮传动机构还包括主动齿轮、从动齿轮、行星架、行星齿轮、齿圈，主动齿轮连接驱动电机，从动齿轮与行星架依次安装于主舵轴上端部，主动齿轮与从动齿轮外啮合，行星齿轮位于行星架下方，分别与太阳齿轮和齿圈啮合，从动齿轮可以带动行星齿轮旋转，齿圈内外都有锯齿，翼舵齿轮与齿圈外啮合。

具体的，所述的制动系统由充放气控制单元、电磁阀1、电磁阀2、气路导管、太阳轮制动盘、外圈制动盘、第一复位弹簧、第二复位弹簧、太阳轮制动气缸和外圈制动气缸构成，充放气控制单元通过气路导管与太阳轮制动气缸、外圈制动气缸相连通，太阳轮制动盘与太阳轮制动气缸通过第一复位弹簧连接，外圈制动盘与外圈制动气缸通过第二复位弹簧连接。

本发明所述的齿轮传动装置控制方法，包括以下步骤：

(1)建立船舶航向运动数学模型和海风、海流、海浪干扰数学模型，并在MATLAB/Simulink软件中建立航向运动仿真模型，比较仿真结果与试验结果，以此修正模型并验证其正确性；

(2)船舶航向运动转弯过程中的舵效以转船力矩和操舵时间来表征，通过去单位化和线性加权法，将船舶航向转弯运动过程中的转船力矩和等效舵角两个目标函数转换成单目标函数，目标函数J为：

式中

γ＝k_αα+k_ββ，

其中k₁、k₂为加权系数，且k₁+k₂＝1；ρ为海水密度；S₁为主舵面积；S₂为翼舵面积；M_max为以转船力矩为单目标优化时的最大转船力矩；ν为来流流速；C_L为主舵和襟翼舵的等效升力系数；α和β分别为主舵、翼舵转角；k_α、k_β分别为与所述齿轮传动机构结构相关的主舵、翼舵转角系数；l为船重心到主舵转轴中心的距离；

(3)基于人工智能鱼群算法开发上层控制器，将初始化主舵转角α和翼舵转角β视为初始化鱼群，将步骤(2)中的目标函数J视为人工鱼群当前位置的食物浓度，根据海风、海流、海浪风等输入的干扰项，经过人工智能鱼群算法计算出主舵角和翼舵角最优的目标值[α，β]^T；

(4)基于Backstepping控制理论开发下层控制器，接收步骤(3)中得到的目标转角[α，β]^T，通过控制所述驱动电机、充放气控制单元、电磁阀1和电磁阀2，使得主舵和翼舵转到最优的角度，从而使船舶能够稳定快速转向。

(5)进入下一个采样周期，获得船舶行驶的航向角度、海流数据、海风数据、海浪数据等信号，进入步骤(2)循环计算控制，直至船舶停航。

进一步地，所述的上层控制器结合船舶航向运动仿真模型，通过聚群行为和追尾行为对不同的襟翼舵角进行评价计算得出相应的目标值，记录两种行为下目标值的较大者为当前解，通过反复迭代，直到迭代次数达到目标次数时，输出主舵角和翼舵角[α，β]^T。

进一步地，所述的下层控制器包括以下步骤：

(1)将所述上层控制器输出角[α，β]^T设定为目标值；

(2)定义主舵角和翼舵角的偏差量，再选取相应的Lyapunov函数，并引入相应的虚拟控制，直至系统实现无差跟踪，得到驱动电机控制电压控制律；

(3)控制驱动电机、充放气控制单元、电磁阀1和电磁阀2等执行机构，使得主舵角和翼舵角调整到目标值。

有益效果：与现有的襟翼舵传动装置相比，本发明公开的齿轮传动装置有以下特点：

(1)用包含行星齿轮组和气动制动结构的齿轮传动装置，实现结构简单、紧凑、易于安装和控制；

(2)整个传动机构置于船舱内部，易于维护保养，保证了船体结构的流线型设计，特别是在海洋环境中传动机构不易受到海水腐蚀；

(3)根据不同水域环境和船舶航行信号，可以实时在线调控翼舵角和主舵角，从而使得船舶能够稳定快速转向，适应性好。

附图说明

图1是本发明的齿轮传动装置结构示意图；

图2是齿轮传动装置气动制动系统三维结构图；

图3是本发明的控制方法流程图；

图4是上层控制器和下层控制器处理流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置包括齿轮传动系统和制动系统、驱动电机208、ECU控制单元301、主舵叶、主舵轴、翼舵叶、翼舵轴。其中，齿轮传动系统和制动系统、驱动电机208及ECU控制单元301安装于船舱内部，主舵轴通过船底密封穿过船底壳，主舵叶安装与主舵轴上，翼舵叶安装于翼舵轴上，齿轮传动系统由主动齿轮207、从动齿轮206、行星架201、行星齿轮203、太阳齿轮202、齿圈204和翼舵齿轮205构成，主动齿轮207受驱动电机208控制，从动齿轮206与行星架201依次安装于主舵轴上端部，主动齿轮207与从动齿轮206外啮合，行星齿轮203位于行星架201下方，分别与太阳齿轮202和齿圈204啮合，从动齿轮206可以带动行星齿轮203旋转，齿圈204内外表面都有锯齿，翼舵齿轮205与齿圈204外啮合。

如图1和图2所示，制动系统由充放气控制单元101、电磁阀1(102)、电磁阀2(103)、气路导管104、太阳轮制动盘106、外圈制动盘109、第一复位弹簧105、第二复位弹簧107、太阳轮制动气缸110和外圈制动气缸108构成，充放气控制单元101通过气路导管104与太阳轮制动气缸110、外圈制动气缸108相连通，太阳轮制动盘106与太阳轮制动气缸110通过第一复位弹簧105连接，外圈制动盘109与外圈制动气缸108通过第二复位弹簧107连接。太阳轮制动盘106上端的圆柱与太阳轮制动气缸110通过滑槽接触以防止太阳轮制动盘106跟随太阳齿轮202转动，外圈制动盘109上端与外圈制动气缸108通过滑槽接触以防止外圈制动盘109跟随齿圈204转动，且齿圈204安装在船底上端，由船体支撑。行星架201嵌套于太阳轮制动气缸110上的圆轴上，其下端也由太阳轮制动气缸110支撑。齿轮传动系统、制动系统和驱动电机208在ECU控制单元301调控下相互配合实现襟翼舵转角的调节。首先关闭电磁阀(2)103并打开电磁阀1(102)，充放气控制单元101向外圈制动气缸108充气，使外圈制动盘109与齿圈204紧密接触，从而限定齿圈204并使其固定，然后关闭电磁阀1(102)，此时给驱动电机208通电，依次带动主动齿轮207、从动齿轮206、行星架201、行星齿轮203转动，因为齿圈204固定不动，所以太阳齿轮202在行星齿轮203的带动下转动，最终带动主舵轴旋转使得主舵叶旋转，在主舵旋转达到目标角度后关闭驱动电机208，打开电磁阀1(102)放气，使得外圈制动盘109在第二复位弹簧107拉力下恢复，然后关闭电磁阀1(102)，打开电磁阀2(103)，充放气控制单元101向太阳轮制动气缸110充气，使太阳轮制动盘106与太阳齿轮202紧密接触，从而限定太阳齿轮202并使其固定，此时再给驱动电机208通电，驱动电机208旋转并依次带动主动齿轮207、从动齿轮206、行星架201及行星齿轮203转动，因为太阳齿轮202固定不动，从而行星齿轮203带动齿圈204转动，再带动翼舵齿轮205的转动，最终带动翼舵轴旋转使得翼舵叶旋转，在翼舵达到目标角度之后关闭驱动电机，最终实现襟翼舵转角比的调节。

如图3所示，本发明基于上述齿轮传动装置的控制方法，主要包括以下步骤：

(1)建立船舶航向运动数学模型和海风、海流、海浪干扰数学模型，并在MATLAB/Simulink软件中建立航向运动仿真模型，比较仿真结果与试验结果，以此修正模型并验证其正确性；

(2)船舶航向运动转弯过程中的舵效以转船力矩和操舵时间来表征，通过去单位化和线性加权法，将船舶航向转弯运动过程中的转船力矩M_s和等效舵角γ两个目标函数转换成单目标函数，且目标函数J为：

式中

γ＝k_αα+k_ββ，

其中k₁，k₂为加权系数，且k₁+k₂＝1；ρ为海水密度；S₁为主舵面积；S₂为翼舵面积；M_max为以转船力矩为单目标优化时的最大转船力矩；ν为来流流速；C_L为主舵和襟翼舵的等效升力系数；α和β分别为主舵、翼舵转角；k_α、k_β分别为主舵、襟翼舵转角系数；l为船重心到主舵转轴中心的距离。

(3)如图4所示，基于人工智能鱼群算法分层控制的Backstepping控制系统。上层控制器应用人工智能鱼群算法优化出主舵角和翼舵角，下层控制器则控制驱动电机、充放气控制单元及电磁阀等执行机构，以此使得襟翼舵达到最佳目标角度。其中，上层控制器采用人工智能鱼群优化算法，优化变量为主舵角和翼舵角为[α，β]^T，对应初始化鱼群，目标函数为J，对应人工鱼的当前位置的食物浓度，然后根据上层控制器的输入即海风、海流、海浪风等干扰下，结合船舶航向运动仿真模型，通过聚群行为和追尾行为对不同的转角值进行评价计算得出相应的目标值，记录两种行为下目标值的较大者为当前转角值，通过反复迭代，迭代次数达到目标次数时，输出主舵和翼舵最优的目标转角[α，β]^T。下层控制器采用Backstepping控制策略，下层控制器的控制目标是控制驱动电机带动传动装置，使襟翼舵角度达到期望值；在设计下层控制器时，首先将所述上层控制器计算出的目标转角[α，β]^T设定为目标值，再定义主舵转角和翼舵转角的偏差量，再选取相应的Lyapunov函数，并引入相应的虚拟控制，直至系统实现无差跟踪，得到驱动电机控制电压控制律，调控驱动电机208、充放气控制单元101、电磁阀1(102)和电磁阀2(103)等执行机构，使得主舵角和翼舵角跟踪目标角变化。

(4)实时采集船舶行驶的航向方向和海流、海风、海浪等信号，上层控制器不断根据采集的信号优化出最优襟翼舵角，下层控制器根据襟翼舵角度偏差量不停地驱动电机208，并通过控制制动系统来配合襟翼舵角度的调控。一个调控周期结束后，进入下一个周期，以此循环控制，直到船舶停航为止。

通过计算机C语言将船舶航向运动动力学模型、船舶参数、人工智能鱼群算法及Backstepping控制器编写成控制程序，应用编译器将控制程序编译成可执行程序，调试成功后烧录到襟翼舵控制器存储器中。

Claims (6)

1.一种襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置，包括主舵轴和翼舵轴，其特征在于：还包括了安装于船舱内部的驱动电机(208)、ECU控制单元(301)、齿轮传动机构和制动系统；所述的齿轮传动机构包括固定于主舵轴的太阳齿轮(202)和固定于翼舵轴的翼舵齿轮(205)，驱动电机(208)带动太阳齿轮(202)旋转并驱使翼舵齿轮(205)转动，所述的制动系统可以同时或者分别制动太阳齿轮(202)和翼舵齿轮(205)，所述的ECU控制单元(301)控制驱动电机(208)和制动系统。

2.根据权利要求1所述的襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置，其特征在于：所述的齿轮传动机构还包括主动齿轮(207)、从动齿轮(206)、行星架(201)、行星齿轮(203)及齿圈(204)，主动齿轮(207)受驱动电机(208)控制，从动齿轮(206)与行星架(201)依次安装于主舵轴上端部，主动齿轮(207)与从动齿轮(206)外啮合，行星齿轮(203)位于行星架(201)下方，分别与太阳齿轮(202)和齿圈(204)啮合，从动齿轮(206)可以带动行星齿轮(203)旋转，齿圈(204)内外都有锯齿，翼舵齿轮(205)与齿圈(204)外啮合。

3.根据权利要求1所述的襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置，其特征在于：所述的制动系统包括了充放气控制单元(101)、电磁阀1(102)、电磁阀2(103)、气路导管(104)、太阳轮制动盘(106)、外圈制动盘(109)、第一复位弹簧(105)、第二复位弹簧(107)、太阳轮制动气缸(110)和外圈制动气缸(108)，充放气控制单元(101)通过气路导管(104)与太阳轮制动气缸(110)、外圈制动气缸(108)相连通，太阳轮制动盘(106)与太阳轮制动气缸(110)通过第一复位弹簧(105)连接，外圈制动盘(109)与外圈制动气缸(108)通过第二复位弹簧(107)连接。

4.一种应用于权利要求1所述的襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)建立船舶航向运动数学模型和海风、海流、海浪干扰数学模型，并在MATLAB/Simulink软件中建立航向运动仿真模型，比较仿真结果与试验结果，以此修正模型并验证其正确性；

(2)船舶航向运动转弯过程中的舵效以转船力矩和操舵时间来表征，采用去单位化和线性加权法，将船舶航向转弯运动过程中的转船力矩和等效舵角两个目标优化问题转换成单目标优化问题，目标函数J为：

且

γ＝k_αα+k_ββ，

其中k₁、k₂为加权系数，且满足k₁+k₂＝1，ρ为海水密度，S₁为主舵面积，S₂为翼舵面积，M_max为以转船力矩为单目标优化时的最大转船力矩，ν为来流流速，C_L为主舵和襟翼舵的等效升力系数，α和β分别为主舵、翼舵转角，k_α、k_β分别为与所述齿轮传动机构结构相关的主舵、翼舵转角系数，l为船重心到主舵转轴中心的距离；

(3)基于人工智能鱼群优化算法开发上层控制器，将初始化主舵转角α和翼舵转角β视为初始化鱼群，将步骤(2)中的目标函数J对应人工鱼群当前位置的食物浓度，根据海风、海流、海浪风等输入的干扰项，经过人工智能鱼群算法优化出主舵和翼舵最优的目标角度[α，β]^T；

(4)基于Backstepping控制理论开发下层控制器，接收步骤(3)中得到的目标转角[α，β]^T，通过控制所述驱动电机(208)、充放气控制单元(101)、电磁阀1(102)和电磁阀2(103)，使得主舵角和翼舵角为目标角度为止；

(5)进入下一采样周期，获得船舶行驶的航向角度、海流信号、海风信号及海浪信号，返回步骤(2)中进行循环计算控制，直至船舶停航。

5.根据权利要求4所述的襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置的控制方法，其特征在于：所述的上层控制器结合船舶航向运动仿真模型，通过聚群行为和追尾行为对不同的主舵角和翼舵角进行评价，计算得出相应的目标值，记录两种行为下目标值，以较大者为当下解，经过反复迭代，迭代次数达到目标次数时，输出主舵和翼舵最优的目标角度[α，β]^T。

6.根据权利要求4所述的襟翼舵转角比可调的齿轮传动装置的控制方法，其特征在于所述的下层控制器包括以下步骤：

(1)将所述上层控制器计算出的目标转角[α，β]^T设定为襟翼舵参考角度；

(2)定义出主舵角和翼舵角的偏差量，再选取相应的Lyapunov函数，并引入相应的虚拟控制，直至系统实现无差跟踪，得到驱动电机控制电压控制律；

(3)根据控制指令，驱动电机(208)、充放气控制单元(101)、电磁阀1(102)和电磁阀2(103)各自进入调控状态，直到主舵角和翼舵角达到要求为止。