CN109625231B - 一种翼舵和主舵转角比无级可调的传动装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种翼舵和主舵转角比无级可调的传动装置及控制方法，第一圆台在两个水平位置调节机构和竖直位置调节机构的共同作用下，可与翼舵杆上第二圆台的不同位置接触，进而实现翼舵与主舵转角比的无级可调。同时设计了基于区间—人工免疫算法的上层控制器和基于自适应Backstepping控制策略的下层控制器。上层控制器优化出所需主、翼舵转角，下层控制器控制液压装置，以此来提高船舶运动的综合性能。

Description

一种翼舵和主舵转角比无级可调的传动装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种船舶的操舵技术，具体地说是一种翼舵和主舵转角比无级可调的传动装置及控制方法。

背景技术

在船舶运动操纵控制中，主要是通过操纵舵与螺旋桨耦合作用来实现的。为了提高船舶操纵灵活性，要求舵尽可能的将前进的推力转变为船舶运动的横向力，即产生尽可能大回转舵力矩。而襟翼舵是将舵按一定的比例分为主舵和翼舵两个部分，通过传动装置使主舵与翼舵之间产生一个夹角，将具有流线型舵叶变成一个具有拱度舵叶，比普通的舵能产生更大的横向力及力矩。

目前工程应用常见的襟翼舵，主舵与翼舵之间多用齿轮、导杆传动、铰链式等传动方式。这些传动装置的共同特点就是主舵与翼舵之间的转角比是为定值，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，使得船舶控制性能受到了限制。

转角比无级可调的襟翼舵比普通的襟翼舵具有更高的控制自由度，使得船舶航向运动控制具有更大的灵活性。因此，引起了国内外专家学者及工程师的广泛关注。也获得一些研究成果。例如，专利申请号200710072690.1，名称为“船舶舵/翼舵任意转角比传动装置”的专利申请文件中公开了一种“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”的技术方案。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。专利申请号200910071806.9，名称为“滑块式船舶襟翼舵任意转角比传动装置”的专利申请文件中公开了一种“利用滑块机构实现翼舵转动”的技术方案。但其传动装置安放在船体外部，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：本发明的目的在于公开一种结构简单、易于控制的翼舵和主舵转角比无级可调的传动装置及控制方法。

技术方案：本发明的一种翼舵和主舵转角比无级可调的传动装置，包括封装壳体、安装于封装壳体下方的主舵及主舵杆和翼舵及翼舵杆，封装壳体中设有上下水平平行放置的第一水平导轨和第二水平导轨，且第一水平导轨和第二水平导轨在同一垂直平面内，第一水平导轨和第二水平导轨两端之间分别竖直连接于传动轴和花键轴，第一水平导轨和第二水平导轨还分别设有对应的第一水平位置调节机构和第二水平位置调节机构，第一水平位置调节机构和第二水平位置调节机构之间安装有竖直位置调节机构；传动轴与主舵杆之间平行设置且通过齿轮啮合，花键轴上设有第一圆台，该第一圆台与翼舵杆上的第二圆台相适配，翼舵杆上底部设有翼舵杆夹紧机构；其中，第一水平位置调节机构和第二水平位置调节机构分别可沿第一水平导轨和第二水平导轨花键轴上的第一圆台在竖直位置调节机构的作用下上下移动；两个水平位置调节机构与竖直位置调节机构共同作用下实现第一圆台在主舵面内移动与定位。

上述的两个水平位置调节机构与对应的水平导轨相配合，能够使得四连杆机构沿水平导轨方向延伸和缩短；通过竖直位置调节机构、第一圆台以及第二圆台等部件配合，第一圆台能够沿竖直方向上下移动。

进一步，所述第一水平位置调节机构和第二水平位置调节机构均包括一个四连杆机构和对应的水平液压杆，所述四连杆机构包括四根通过铰链相连的连接杆，每相邻两个连接杆的连接处均设置一个皮带轮，四个皮带轮之间依次通过皮带连接；所述传动轴和花键轴分别穿过一组相对的皮带轮，且这两个皮带轮之间连接水平液压杆。

进一步，所述竖直位置调节机构包括复位弹簧和两个竖直液压杆，所述复位弹簧套于花键轴，且其一端固定于第一圆台下端面，另一端固定于第二水平位置调节机构皮带轮上；所述两个竖直液压杆关于花键轴对称设置，且两个竖直液压杆均是一端固定于第一圆台上端面，另一端固定于第一水平位置调节机构皮带轮上的凸台上；且所述两个竖直液压杆均处于与主舵平面垂直的平面内。

进一步，所述第一圆台与第二圆台均由硬质刚性材料制成，且两者各自的的母线与底面所成夹角相等；本发明的整个传动装置安装在封装壳体内部固定在船舶主舵上方，水平液压杆以及竖直液压杆均由液压控制阀控制压力液压控制阀安装在液压设备的的管道上。

本发明还公开了一种翼舵和主舵转角比无级可调的传动装置控制方法，所述第一水平位置调节机构、第二水平位置调节机构与竖直位置调节机构在安装于船舶内部的控制器的调控下，将第一圆台移至相应的位置并与翼舵杆上的第二圆台接触，此时翼舵杆夹紧机构由夹紧状态切换为松开状态；主舵杆转动，并带动传动轴转动，进而带动第一水平位置调节机构和第二水平位置调节机构上对应的皮带轮转动；通过皮带的传动，使得靠近翼舵杆的皮带轮转动，进而带动花键轴的转动，即第一圆台转动；进而第一圆台转动并带动第二圆台的转动，实现主舵与翼舵转角比的无级调节。

具体包括以下步骤：

(1)建立风浪流的船舶运动数学模型并应用MATLAB/Simulink搭建航向运动仿真模型，比较某一实船仿真结果及其实验结果，以此修正数学并验证数学模型；

(2)将船舶横荡位移、纵荡位移、垂荡位移、横摇角、纵摇角及艏摇角六个船舶运动状态的物理量，采用去单位化和线性加权的方法，将多目标量的优化问题转化成单目标优化问题，目标函数为：

其中：p、q为主舵、翼舵的转角；x(p,q)、y(p,q)、z(p,q)分别为船舶的横荡位移、纵荡位移、垂荡位移；α(p,q)、β(p,q)、γ(p,q)分别为船舶的横摇角、纵摇角、艏摇角；B为船舶型宽；L为船长；H为船舶型深；k_i为加权系数，i＝1,2，…，6且

(3)基于区间—人工免疫算法以及自适应Backstepping控制策略的上下层控制策略，

上层控制输出主舵以及翼舵的转角，下层控制控制液压装置，以此来实现圆台的不同部位的接触，进而实现不同转角比的输出，区间—人工免疫算法的优化的两个变量为主舵转角值的区间[pmin,pmax]和翼舵转角值的区间[qmin,qmax]，并对应人工免疫算法的抗体种群；目标函数J对应为人工免疫算法的亲和度；海风、海流和海浪干扰因素作为上层控制器的输入时，经过区间—人工免疫算法优化出主舵与翼舵转角的期望值；下层控制器的输入为第一圆台的水平位置及竖直位置，控制目标是控制液压系统将第一圆台移至第二圆台的相应的位置并接触压紧；在设计下层控制器时，在确定不确定参数后定义第一圆台水平及竖直位置的偏差量，再选取合适的李雅普诺夫函数，引入合适的虚拟控制，直至系统实现无差跟踪，得到液压系统的控制律；

(4)将步骤(1)中所建立的船舶航向运动动力学模型、船舶参数以及基于区间—人工免疫算法以及自适应Backstepping控制策略的上下层控制策略所设计出来的控制算法转换成C语言并编译成可执行软件，测试成功后下载到船舶航向稳定性控制器存储器中。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明将传动比固定齿轮组用两个圆台替代，能够随意改变传动比进而实现无级调节，并结合控制策略实现转角比无级可调，其结构简单，易于控制。本发明的水平及竖直位置调节机构结构简单，易于维护保养。本发明不局限于在海洋环境中，在其他水域中航行时，只需对控制器的相关参数进行调整，即均可适用。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2位本发明传动装置结构示意图；

图3为本发明中水平位置调节机构结构示意图；

图4为本发明竖直位置调节机构结构示意图；

图5为本发明转角比最大位置示意图；

图6为本发明转角比最小位置示意图；

图7位本发明控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个具体实施方式做进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明的一种翼舵和主舵转角比无级可调的传动装置，包括封装壳体201、安装于封装壳体201下方的主舵102和翼舵104、以及与主舵102和翼舵104分别对应的主舵杆203和翼舵杆206，封装壳体201中设有一上一下平行放置的第一水平导轨204和第二水平导轨222，且第一水平导轨204和第二水平导轨222在同一垂直平面，第一水平导轨204和第二水平导轨222两端之间分别竖直连接有传动轴202和花键轴218，第一水平导轨204和第二水平导轨222还分别设有对应的第一水平位置调节机构205和第二水平位置调节机构209，第一水平位置调节机构205和第二水平位置调节机构209之间安装有竖直位置调节机构208；传动轴202与主舵杆203之间平行设置且通过齿轮啮合，花键轴218上设有第一圆台207，该第一圆台207与翼舵杆206上的第二圆台223相适配，翼舵杆206上底部设有翼舵杆夹紧机构210，且翼舵杆夹紧机构210安装在封装壳体201的底部。整个装置安装于船底板103，靠近螺旋桨101。

如图3所示，水平位置调节机构均包含四连杆机构以及水平液压杆215，四连杆机构的四根连杆214通过铰链相连，并通过水平液压杆215实现四连杆机构在水平方向的伸长与缩短；所述四连杆机构的四个顶点处各装有直径相同的皮带轮213，四个皮带轮213的，并通过皮带216实现力矩的传递。

如图2所示，两个四连杆机构靠近主舵杆203的铰接点装有一根竖直方向带有齿轮的传动轴202，该传动轴202与四连杆机构上的皮带轮213固连，传动轴202上的齿轮与主舵杆203上的齿轮相配合；四连杆机构靠近翼舵杆206的铰接点装有一根竖直方向的花键轴218；所述花键轴218与该处的皮带轮213固连，且与第一圆台207配合。

如图4至图6所示，竖直位置调节机构208包括复位弹簧220与两个第二液压杆217，竖直液压杆217安装在与主舵102平面垂直的平面内，且关于花键轴218对称分布；复位弹簧220套在花键轴218上；如图2所示，竖直位置调节机构的竖直液压杆217一端固定在第一水平位置调节机构205上，另一端固定在第一圆台207的上端面上；复位弹簧220一端固定在第二水平位置调节机构209上，另一端固定在第一圆台207的下端面上；翼舵杆206上的第二圆台223与第一圆台207相对应的母线与底面所成的角度相同；翼舵杆夹紧机构210在翼舵杆206的下部；传动装置安装在封装壳体201内部，水平液压杆215和竖直液压杆217由液压控制阀控制压力；整个传动装置固定在船舶主舵102的上方。当两个水平位置调节机构与竖直位置调节机构208在控制单元的调控下，将第一圆台207移至相应的位置并与翼舵杆206上的第二圆台223接触，此时翼舵杆夹紧机构210由夹紧状态切换为松开状态；主舵杆203转动，带动传动轴202转动，进而带动水平位置调节机构上的皮带轮转动；通过皮带的传动，花键轴202转动进而带动第一圆台207转动并带动第二圆台223的转动，最终实现主舵与翼舵转角比的无级调节。

如图5所示，当第一的圆台207与襟翼舵杆206上的第二圆台223最上端接触时，此时襟翼舵转角比最大。

如图6所示，当第一圆台207与襟翼舵杆206上的第二圆台223最下端接触时，此时襟翼舵转角比最小。

上述翼舵和主舵转角比无级可调的传动装置的控制方法，具有以下步骤：

(1)建立船舶航向运动数学模型和风浪流干扰数学模型，并在MATLAB/Simulink软件搭建航向运动仿真模型，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)将船舶的横荡位移、纵荡位移、垂荡位移、横摇角、纵摇角及艏摇角六个表示运动状态物理量，采用去单位化和线性加权的方法，将多目标量的优化问题转化成单目标优化问题，目标函数定义为：

其中：p、q为主舵、翼舵的转角；x(p,q)、y(p,q)、z(p,q)分别为船舶的横荡位移、纵荡位移、垂荡位移；α(p,q)、β(p,q)、γ(p,q)分别为船舶的横摇角、纵摇角、艏摇角；B为船舶型宽；L为船长；H为船舶型深；k_i为加权系数(i＝1,2，…，6)且

(3)基于区间—人工免疫算法以及自适应Backstepping控制策略的上下层控制策略，上层控制器输出主舵以及翼舵的转角，下层控制器控制液压装置，以此来实现圆台的不同部位的接触，进而实现不同转角比的输出。其中区间—人工免疫算法的优化的两个变量为主舵转角值的区间[pmin,pmax]和翼舵转角值的区间[qmin,qmax]，对应人工免疫算法的抗体种群；目标函数J，对应人工免疫算法的亲和度；风浪流等干扰因素作为上层控制器的输入时，经过区间—人工免疫算法优化出主舵与襟翼舵转角的期望值。下层控制器的输入为带有花键槽的圆台的水平位置及竖直位置，控制目标是控制液压系统将带有花键槽的圆台移至襟翼舵杆上圆台的相应的位置并接触压紧；在设计下层控制器时，在确定不确定参数后定义带有花键槽的圆台水平及竖直位置的偏差变量，再选取合适的李雅普诺夫函数，引入合适的虚拟控制，直至系统实现无差跟踪，得到液压系统的控制律。

(4)将步骤(1)中所建立的船舶航向运动动力学模型、船舶参数以及基于区间—人工免疫算法以及自适应Backstepping控制策略的上下层控制策略所设计出来的控制算法转换成C语言并编写成控制软件，测试成功后下载到船舶航向稳定性控制器存储器中。

襟翼舵在工作的过程中，船舶安装的状态监测装置采集船舶行驶的航向位置，风浪流等干扰信号。控制器根据采集的信号优化出最优转角比，并将该值转换为第一圆台207的不同位置，控制液压设备工作状态，进而与翼舵杆上的第二圆台223的不同位置接触，最终实现转角比的无级调节。一个调控周期结束后，进入下一周期，以此循环控制，直到船舶停船。

Claims (5)

1.一种翼舵和主舵转角比无级可调的传动装置，包括封装壳体、安装于封装壳体下方的主舵和翼舵、以及主舵杆和翼舵杆，其特征在于：所述封装壳体中设有上下水平平行放置的第一水平导轨和第二水平导轨，且第一水平导轨和第二水平导轨在同一垂直平面内，第一水平导轨和第二水平导轨两端之间分别竖直连接于传动轴和花键轴，第一水平导轨和第二水平导轨还分别设有对应的第一水平位置调节机构和第二水平位置调节机构，第一水平位置调节机构和第二水平位置调节机构之间安装有竖直位置调节机构；传动轴与主舵杆之间平行设置且通过齿轮啮合，花键轴上设有第一圆台，该第一圆台与翼舵杆上的第二圆台相适配，翼舵杆上底部设有翼舵杆夹紧机构；

其中，第一水平位置调节机构和第二水平位置调节机构分别可沿第一水平导轨和第二水平导轨花键轴上的第一圆台在竖直位置调节机构的作用下上下移动；两个水平位置调节机构与竖直位置调节机构共同作用下实现第一圆台在主舵面内移动与定位；

所述第一水平位置调节机构和第二水平位置调节机构均包括一个四连杆机构和对应的水平液压杆，所述四连杆机构包括四根通过铰链相连的连接杆，每相邻两个连接杆的连接处均设置一个皮带轮，四个皮带轮之间依次通过皮带连接；所述传动轴和花键轴分别穿过一组相对的皮带轮，且这两个皮带轮之间连接水平液压杆。

2.根据权利要求1所述的翼舵和主舵转角比无级可调的传动装置，其特征在于：所述竖直位置调节机构包括复位弹簧和两个竖直液压杆，所述复位弹簧套于花键轴，且其一端固定于第一圆台下端面，另一端固定于第二水平位置调节机构的皮带轮上；所述两个竖直液压杆以花键轴为对称轴安装，且两个竖直液压杆均是一端固定于第一圆台上端面，另一端固定于第一水平位置调节机构皮带轮上的凸台上；且所述两个竖直液压杆均处于与主舵平面垂直的平面内。

3.根据权利要求1所述的翼舵和主舵转角比无级可调的传动装置，其特征在于：所述第一圆台与第二圆台采用硬质刚性材料制成，且两者各自的母线与底面所成夹角相等；水平液压杆以及竖直液压杆均由液压控制阀控制。

4.一种根据权利要求1至3任意一项所述的翼舵和主舵转角比无级可调的传动装置控制方法，其特征在于：所述第一水平位置调节机构、第二水平位置调节机构与竖直位置调节机构在安装于船舶内部的控制器的调控下，将第一圆台移至相应的位置并与翼舵杆上的第二圆台接触，此时翼舵杆夹紧机构由夹紧状态切换为松开状态；主舵杆转动，并带动传动轴转动，进而带动第一水平位置调节机构和第二水平位置调节机构上对应的皮带轮转动；通过皮带的传动，使得靠近翼舵杆的皮带轮转动，进而带动花键轴的转动，即第一圆台转动；进而第一圆台转动并带动第二圆台的转动，实现主舵与翼舵转角比的无级调节。

5.根据权利要求4所述的翼舵和主舵转角比无级可调的传动装置控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)建立含风流浪船舶航向运动数学模型，并应用MATLAB/Simulink建立运动仿真模型，比较某一实船仿真结果及其实验结果，以此修正数学并验证数学模型；

(2)将船舶横荡位移、纵荡位移、垂荡位移、横摇角、纵摇角及艏摇角六个船舶运动状态的物理量，采用去单位化和线性加权的方法，将多目标优化问题转化成单目标优化问题，目标函数为：

其中：p、q为主舵、翼舵的转角；x(p,q)、y(p,q)、z(p,q)分别为船舶的横荡位移、纵荡位移、垂荡位移；α(p,q)、β(p,q)、γ(p,q)分别为船舶的横摇角、纵摇角、艏摇角；B为船舶型宽；L为船长；H为船舶型深；k_i为权系数，i＝1,2，···，6且

(3)基于区间—人工免疫算法以及自适应Backstepping控制策略的上下层控制策略，上层控制输出主舵以及翼舵的转角，下层控制控制液压装置，区间—人工免疫算法的优化的两个变量为主舵转角值的区间[pmin,pmax]和翼舵转角值的区间[qmin,qmax]，并对应人工免疫算法的抗体种群；目标函数J对应为人工免疫算法的亲和度；海风、海流和海浪干扰因素作为上层控制器的输入时，经过区间—人工免疫算法优化出主舵与翼舵转角的期望值；下层控制器的输入为第一圆台的水平位置及竖直位置，控制目标是控制液压系统将第一圆台移至第二圆台的相应的位置并接触压紧；在设计下层控制器时，在确定不确定参数后定义第一圆台水平及竖直位置的偏差变量，再选取合适的李雅普诺夫函数，引入合适的虚拟控制，直至系统实现无差跟踪，得到液压系统的控制律；

(4)将步骤(1)中所建立的船舶航向运动动力学模型、船舶参数以及基于区间—人工免疫算法以及自适应Backstepping控制策略的上下层控制策略所设计出来的控制算法转换成C语言并编译成可执行控制软件，测试成功后下载到船舶航向稳定性控制器存储器中。

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