CN109625233A - 转角比无级可调襟翼舵传动装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种转角比无级可调襟翼舵传动装置及其控制方法。传动装置包括金属传动带、主动轮组、从动轮组、主动轮液压油缸、从动轮液压油缸、液压泵及液压控制阀及ECU控制单元。通过液压控制阀可以控制主动轮组和从动轮组的等效轮径大小，实现从最小到最大的连续变化，使得安装了主动轮组的主舵轴和安装了从动轮组的翼舵轴转角比可以连续变化。控制器基于退火免疫模糊PID分层控制策略开发，其中上层控制器输出主舵角值和转角比，下层控制器控制液压控制阀和驱动电机，在船舶航行转向时，可以实时在线调节襟翼，使其满足船舶操纵的要求。本发明将传动比固定齿轮组用可变传动比齿轮组替换，并结合控制策略实现转角比无级可调，易于控制。

Description

转角比无级可调襟翼舵传动装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及船舶的操舵装置及控制方法，尤其涉及一种转角比无级可调襟翼舵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，要求舵尽可能的将前进推力转变为船舶运动的横向力，即产生尽可能大的转舵力矩。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，实际就是将具有流线型的舵变成一个具有拱度的舵。对于目前工程上应用的襟翼舵，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，使得船舶控制性能受到了限制。

国内外对转角比无级可调的襟翼舵也进行了相关研究，经专利检索，例如，中国专利申请号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。中国专利申请号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：本发明的目的在于提供一种结构简单、紧凑、易于控制的一种转角比无级可调襟翼舵传动装置及其控制方法。

技术方案：一种转角比无级可调襟翼舵传动装置，包括金属传动带、主动轮组、从动轮组、主动轮液压油缸、从动轮液压油缸、液压泵、密封圈、液压控制阀及ECU控制单元，主动轮组及其液压油缸安装于主舵轴上，从动轮组及其液压油缸安装于翼舵轴上，主动轮组转动通过金属传动带驱动从动轮组转动；液压泵、液压控制阀及ECU安装于船体内部。

主动轮组包括主动带轮和主动带轮盖板，其中主动带轮盖板在液压作用下沿主舵轴轴向移动，通过液压控制阀调节主动轮液压油缸中的油压，增大油压主动带轮盖板向主动带轮移动，等效轮径R1变大；相反，减小油压主动带轮盖板背离主动带轮移动，其等效轮径R1变小。

从动轮组包括从动带轮和从动带轮盖板，其中从动带轮盖板在液压作用下沿翼舵轴轴向移动，通过液压控制阀调节从动轮液压油缸中的油压，增大油压，从动带轮盖板向从动带轮移动，等效轮径R2变大；相反，减小油压从动带轮盖板背离主动带轮移动，其等效轮径R2变小。

操纵船舶转向时，舵机驱动主舵转动角度α，安装于主舵轴的主动轮组也转动角度α、主动轮组通过金属传动带使得翼舵转动角度ECU控制单元通过液压控制阀调节主动轮液压油缸及从动轮液压油缸内的油压，可以实现主动轮组与从动轮组之间的等效半径任意比，进而实现襟翼舵转角比的无级调节。

一种转角比无级可调襟翼舵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)将驱动襟翼舵转动过程中消耗的能量ΔJ作为目标优化问题。由于主舵和翼舵同时转动时受力分析非常复杂，为便于分析，将该过程分为两部分，即主舵转动翼舵保持不变和主舵不变翼舵转动。分别对这两部分进行受力分析，建立目标函数ΔJ，即

其中：ρ为海水密度；s为主舵面积；b为主舵弦长；s_翼为翼舵面积；b_翼为翼舵弦长；ν为来流流速；C_m(α,β)为舵的扭矩系数。

(3)基于退火免疫模糊PID分层控制策略，上层控制器输出主舵转角及转角比，下层控制器控制液压伺服机构，以此达到期望襟翼舵转角。其中，上层控制器基于退火免疫混合算法，运用退火不可行度法产生初始种群，设计变量为主舵和翼舵转角；目标函数为ΔJ；其中海风、海流、海浪扰动等价于抗原，主舵、翼舵转角等价于初始抗体种群，目标函数ΔJ等价于亲和度；经过人工免疫算法优化后，得到主舵转角、翼舵转角的期望值并将其传输给下层控制器。

(4)下层控制器应用模糊PID控制策略：其控制目标是控制驱动电机调节液压控制阀，达到上层控制器输出的期望值；具体实施是将主舵期望转角与当前转角的偏差量及翼舵期望转角与当前转角的偏差量作为控制器的输入，经模糊规则和PID控制策略后，给驱动电机输送调控指令，实现襟翼舵转角调节。

(5)将所建立的船舶航向运动动力学模型、船舶相关参数及基于退火免疫模糊PID分层控制策略应用C语言并编写成控制程序，经编译、链接及标定成功后烧录于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：

(1)本发明在传统齿轮传动基础上，将传动比固定齿轮组用可变传动比齿轮组替换，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。

(2)本发明的整个传动机构置于船体内部，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)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为本发明襟翼舵传动装置结构示意图；

图2为本发明主舵与翼舵最小转角比示意图；

图3为本发明主舵与翼舵工作状态转角比示意图；

图4为本发明主舵与翼舵最大转角比示意图；

图5为本发明液压控制示意图；

图6为本发明退火不可行度法控制流程图；

图7为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所示，本发明传动装置包括金属传动带7、主动轮组、从动轮组、主动轮液压油缸8、从动轮液压油缸3、液压泵10、液压控制阀9及ECU控制单元6，从动轮液压油缸3安装于翼舵轴上，从动轮组安装于翼舵轴上并与从动轮液压油缸3相配合，两者之间通过密封圈进行密封，主动轮组与从动轮组通过金属传动带7相连接，主动轮组安装与主舵轴上，主动轮液压油缸8安装在主舵轴上并与从动轮组相配合，两者之间用密封圈进行密封，液压泵10、液压控制阀9及ECU控制单元6安装于船体内部。

如图2所示，当主动带轮盖板4在液压作用下沿主舵轴轴向移动，通过液压控制阀9调节主动轮液压油缸8中的油压，增大油压主动带轮盖板4向主动带轮5移动，等效轮径R1变大；此时其等效轮径R1最大，即襟翼舵转角比最小。

如图3所示，当主动带轮盖板4在液压作用下沿主舵轴轴向移动，通过液压控制阀9调节主动轮液压油缸8中的油压，增大油压，主动带轮盖板4向主动带轮5移动，等效轮径R1变大；此时其等效轮径R1处于最小最大值之间，即此过程襟翼舵转角比连续变化。

如图4所示，从动带轮盖板2在液压作用下可以沿翼舵轴轴向移动，通过液压控制阀9调节从动轮液压油缸3中的油压，增大油压从动带轮盖板2向从动带轮1移动，等效轮径R2变大；此时其等效轮径R2最大，即襟翼舵转角比最大。

如图5所示，通过ECU控制单元6根据控制信号调节液压控制阀9，控制转角比控制阀和夹紧力控制阀，实现襟翼舵转角比无级可调。

本发明一种转角比无级可调襟翼舵传动装置的控制方法，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，并应用MATLAB/Simulink软件建立航向运动仿真模型，比较仿真结果与试验结果，以修正数学模型并验证其正确性；

(2)将驱动襟翼舵转动过程中消耗的能量ΔJ作为目标优化问题。由于主舵和翼舵同时转动时受力分析非常复杂，为便于分析，将该过程分为两部分，即主舵转动翼舵保持不变和主舵不变翼舵转动。分别对这两部分进行受力分析，建立目标函数ΔJ，即

其中：ρ为海水密度；s为主舵面积；b为主舵弦长；s_翼为翼舵面积；b_翼为翼舵弦长；ν为来流流速；C_m(α,β)为舵的扭矩系数。

(3)如图6所示，基于退火免疫模糊PID分层控制策略，上层控制器输出所需转角比，下层控制器控制液压伺服机构，以此达到期望襟翼舵转角。其中，上层控制器采用基于退火免疫混合算法。运用退火不可行度法产生初始种群，定义一个抗体的不可行度为φ(x_j)＝(N(α_j,β_j)-L_i)²，其中x_j为抗体、N(α_j,β_j)为横向力矩、L_i为扶正力矩，这里的不可行度被认为是抗体x_j到可行域的距离，x_j离可行域越远，不可行度越大，反之越小；当可行度为零时，x_j为可行解。定义阈值其中T为退火因子、pop size为免疫抗体初始种群规模，当一个解的不可行度小于阈值时被接受，否则被拒绝且由当前代中不可行度最小的解等量取代，当达到一定比例要求后生成人工免疫算法抗体初始种群。设计变量为主舵、翼舵转角，目标函数为ΔJ；其中海风、海流、海浪扰动等价于抗原，退火不可行度法生成的主舵、翼舵转角种群等价于初始抗体种群，目标函数ΔJ等价于亲和度；经过人工免疫算法操作后，得到主舵、翼舵转角的期望值。

(4)下层控制器采用模糊PID控制策略：上层控制器输出期望主舵、翼舵的转角，进一步得到主舵、翼舵之间的传动比，下层控制器的控制目标是控制驱动电机改变液压控制阀，使主舵、翼舵之间的传动比达到期望值。设计下层控制器时将期望传动比和实际传动比的偏差和偏差变化率作为控制器的输入，经过模糊控制和PID调节后，给驱动电机输送调控指令，实现襟翼舵转角比无级调节。

(5)将所建立的船舶航向运动动力学模型、船舶相关参数及基于退火免疫模糊PID分层控制策略应用C语言并编写成控制程序，经编译、链接及标定成功后烧录于船舶航向稳定性控制器存储器中。

图7为襟翼舵在工作的过程中，状态监测装置采集船舶行驶的航向位置，海流、海风、海浪等干扰信号。控制器根据采集的信号优化出最优转角比，并将该值转换为驱动电机的控制信号，驱动电机控制液压控制阀，实现转角比无级调节。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)

1.一种转角比无级可调襟翼舵传动装置，其特征在于：包括由金属传动带、主动轮组、从动轮组、主动轮液压油缸、从动轮液压油缸、液压泵、密封圈、液压控制阀及ECU控制单元，主动轮组及其液压油缸安装于主舵轴上，从动轮组及其液压油缸安装于翼舵轴上，主动轮组转动通过金属传动带驱动从动轮组转动；液压泵、液压控制阀及ECU安装于船体内部。

2.根据权利要求1所述的转角比无级可调襟翼舵传动装置，其特征在于：所述主动轮组包括主动带轮和主动带轮盖板，主动带轮盖板在液压作用下沿主舵轴轴向移动，通过液压控制阀调节主动轮液压油缸中的油压，增大油压主动带轮盖板向主动带轮移动，等效轮径R1变大；相反，减小油压主动带轮盖板背离主动带轮移动，其等效轮径R1变小。

3.根据权利要求1所述的转角比无级可调襟翼舵传动装置，其特征在于：所述从动轮组包括从动带轮和从动带轮盖板，从动带轮盖板在液压作用下沿翼舵轴轴向移动，通过调节从动轮液压油缸中的油压，增大油压，从动带轮盖板向从动带轮移动，等效轮径R2变大；相反，减小油压从动带轮盖板背离主动带轮移动，其等效轮径R2变小。

4.根据权利要求1所述的转角比无级可调襟翼舵传动装置，其特征在于：操纵船舶转向时，舵机驱动主舵转动角度α，安装于主舵轴的主动轮组也转动角度α、主动轮组通过金属传动带使得翼舵转动角度ECU控制单元通过液压控制阀调节主动轮液压油缸及从动轮液压油缸内的油压，实现主动轮组与从动轮组之间的等效半径任意比，进而实现襟翼舵转角比的无级调节。

5.一种采用如权利要求1所述的转角比无级可调襟翼舵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，以此修正数学模型并验证其正确性；

(2)将驱动襟翼舵转动过程中消耗的能量ΔJ作为目标优化问题；分析时，将主舵转动翼舵保持不变和主舵不变翼舵转动，分别对这两部分进行受力分析，建立目标函数ΔJ，即

其中：ρ为海水密度；s为主舵面积；b为主舵弦长；s_翼为翼舵面积；b_翼为翼舵弦长；ν为来流速度；C_m(α,β)为舵的扭矩系数；

(3)基于退火免疫模糊PID分层控制策略；其中，上层控制器基于退火免疫混合算法，运用退火不可行度法产生初始种群，设计变量为主舵和翼舵转角；目标函数为ΔJ；其中海风、海流、海浪扰动等价于抗原，主舵、翼舵转角等价于初始抗体种群，目标函数ΔJ等价于亲和度；经过人工免疫算法优化后，得到主舵转角、翼舵转角的期望值并将其传输给下层控制器；

(4)下层控制器应用模糊PID控制策略：控制目标是控制驱动电机调节液压控制阀，达到上层控制器输出的期望值；具体实施是将主舵期望转角与当前转角的偏差量及翼舵期望转角与当前转角的偏差量作为控制器的输入，经模糊规则和PID控制策略后，给驱动电机输送调控指令，实现襟翼舵转角调节；

(5)将所建立的船舶航向运动动力学模型、船舶相关参数及基于退火免疫模糊PID分层控制策略编写成控制程序，经编译、链接及标定成功后烧录于船舶航向稳定性控制器存储器中。