【摘 要】
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舵机是操纵船舶航向、保障航行安全的关键设备。而转叶舵机具有便于安装、结构紧凑、机械效率高等优势,被广泛使用在船舶上。随着科技的进步发展,船舶逐渐大型化、智能化和远航化,现有舵机技术已逐渐不能满足当代船舶的应用要求。针对操舵过程中舵叶与水动力之间存在强力位耦合的问题,本文提出一种复式结构转叶舵机,以提高船舶,特别是军舰的操纵性为目标,从结构上提出操舵控制原理,从根源上抑制水动力对舵叶的耦合力矩。为了
【基金项目】
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山东省重点研发计划（2019GHZ013）“舰船转叶舵机用新型复式液压技术及产品研制及应用”；
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舵机是操纵船舶航向、保障航行安全的关键设备。而转叶舵机具有便于安装、结构紧凑、机械效率高等优势,被广泛使用在船舶上。随着科技的进步发展,船舶逐渐大型化、智能化和远航化,现有舵机技术已逐渐不能满足当代船舶的应用要求。针对操舵过程中舵叶与水动力之间存在强力位耦合的问题,本文提出一种复式结构转叶舵机,以提高船舶,特别是军舰的操纵性为目标,从结构上提出操舵控制原理,从根源上抑制水动力对舵叶的耦合力矩。为了设计出满足结构刚度、强度的复式结构转叶舵机,通过对遗传算法进行改进,基于协同进化原理,考虑了多目标问题之间的约束冲突,得到最优结构设计参数,运用流固耦合理论,通过ANSYS分析验证结构参数的合理性。将直驱式电液伺服驱动技术与转叶舵机的装备优势相结合,并考虑作用在舵叶上水动力负载力和克服舵机自身的摩擦力负载,建立其数学模型,结合Simulink仿真,探究了舵角与水动力负载和摩擦力负载之间的强力位耦合关系。根据复式转叶舵机的结构原理,利用AMEsim搭建复式结构转叶舵机解耦模型,验证了复式结构抑制水动力负载的可行性,为后续控制器的设计提供了理论基础。根据复式转叶舵机的结构理念与控制要求,将力环和位置环分离控制,设计一种解耦缸通过力前馈控制、驱动缸通过积分分离式PID位置控制的复合控制器。仿真结果表明,解耦缸可以有效解除驱动缸受到的负载力矩,驱动缸在解除负载的状态下可以进行快速、精确的舵角控制,控制器具有很强的鲁棒稳定性。最后通过设计试验,首先验证了负载力矩的存在严重影响了舵角的输出,其次通过解耦缸抑制加载力矩试验和驱动缸跟踪精度测试试验证明了复式结构转叶舵机具备抑制水动力负载的能力,且抑制率可达到90%,在抑制水动力负载后,驱动缸的跟踪精度误差仅有0.12°,满足军工使用标准。将复式结构解耦的思想和化繁为简的控制思想运用至转叶舵机中,避免使用过于依赖精确数学模型的复杂控制策略,通过将大负载进行抑制后转化为小负载进行补偿,简化了控制器的设计,同时对于舵机系统鲁棒性提高有着很大意义。
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