一种液压油缸风帆驱动装置及协调控制方法与流程

本发明涉及船舶风帆控制领域，尤其是涉及一种液压油缸风帆驱动装置及协调控制方法。

背景技术：

风帆助航是船舶利用风能产生动力来驱动船舶前进，进而减少燃油的使用，达到节约能源减少污染的一种行之可行技术。目前有一些船舶已经安装使用，并取得一定的经济效果。

目前，国内外对风帆助航已经进行了很多研究，其风帆驱动结构形式也有不少，有的是采用电动形式，有的采用液压马达式，由于安装方式不同其结构形式就有所不同，对于液压马达式，其马达安装在桅杆内部，加工、安装和维修都存在很大的不便，并且由于是多个马达形式，马达间相互干扰及同步性等控制要求较为复杂。

考虑到风帆助航装置及风帆的布置，目前主要在散货船、油船及客船或一些驳船等船型上使用。船舶上甲板相对空间比较大适宜布置风帆的底座桅杆及驱动控制单元，因此需要设计开发一种安装方便，操作维修容易的风帆系统结构，推进风帆助航技术的发展。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种液压油缸风帆驱动装置及协调控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种液压油缸风帆驱动装置，用以实现风帆本体的转动控制，所述的风帆本体安装在桅杆顶部，该装置包括桅杆支撑结构和桅杆转动结构，所述的桅杆转动结构包括依次传动连接的驱动油缸、驱动齿条以及固定在桅杆上的风帆齿轮，所述的驱动油缸固定在船体甲板上，所述的驱动齿条在固定于船体甲板上的齿条导轨内受驱动油缸的活塞杆带动实现伸缩运动，并且通过与之啮合的风帆齿轮带动桅杆转动。

所述的桅杆支撑结构包括套设在桅杆外的桅杆套筒以及用以固定桅杆套筒安装在船体甲板上的支撑架，所述的桅杆套筒上下两端面处均设有与桅杆转动连接的上支承轴承和下支撑轴承。

该装置还包括固定在船体甲板上且与桅杆底部相对设置的风帆制动器，该风帆制动器通过其上的制动块抱紧桅杆底部外表面，实现制动。

所述的驱动齿条与驱动油缸的油缸活塞杆一体成型或分体连接固定。

所述的支撑架为一斜撑结构，其上端与桅杆套筒上端固定连接，下端焊接在船体甲板上。

所述的桅杆套筒为不锈钢制套筒。

一种液压油缸风帆驱动装置的协调控制方法，用以实现风帆转角位置和转动速度的综合协调控制，包括以下步骤：

1)构建用以控制驱动油缸动作的阀控液压缸系统，包括油源、伺服阀、电磁换向球阀，所述的伺服阀分别与油源、驱动油缸的无杆腔和有杆腔连通，所述的电磁换向球阀与油源连接，用以控制驱动油缸的无杆腔的压力；

2)速度转角位移规划模块以给定风帆转角位置θd和给定风帆速度ωd为输入，输出规划后的风帆转角速度规划曲线和风帆转角位移规划曲线，即对应的风帆转角位移规划设计值θr及风帆转角速度规划值ωr随时间变化的曲线；

3)构建油缸速度前馈补偿模型，以采集到的驱动油缸的无杆腔压力pa、有杆腔压力pb和系统压力ps以及风帆转角速度规划值ωr为输入，输出伺服阀的控制信号uv；

4)构建风帆转角单神经元pid控制器进行反馈控制，以风帆转角位移规划设计值θr与反馈的实际风帆转角位移θ之差作为输入，以伺服阀的控制信号为输出，配合油缸速度前馈补偿模型共同控制伺服阀，进而实现风帆转角位置和转动速度的综合协调控制。

所述的步骤2)中，油缸速度前馈补偿模型的表达式为：

其中，δpn为驱动油缸单边额定压差，qn为伺服阀额定流量，a1为驱动油缸的无杆腔面积，a2为驱动油缸的有杆腔面积。

所述的步骤1)中，风帆转角速度规划设计曲线采用梯形规划方法设计，在开始加速段保持加速度不变逐步增加到最大设计速度，即匀速运行速度，然后根据实际要求在匀速运行段内以最大设计速度匀速运行，直到减速段时以不变的减速度减速运行直到达到给定风帆转角位置，且转交速度降为零；

所述的风帆转角位移规划设计曲线为一两端平滑的s型曲线，具体为风帆转角速度规划设计曲线随时间的积分曲线，其起点为初始转角位置，终点为给定风帆转角位置θd。

所述的风帆转角速度规划设计曲线以给定风帆速度ωd作为该梯形曲线的总平均速度，具体表达式为：

其中，k1为加速段(0≤t≤t1)的曲线斜率，k2为减速段(t2≤t≤t3)的曲线斜率，t1为加速段的结束时刻，t2为匀速运行段(t1≤t≤t2)的结束时刻，t3为减速段(t≥t3)的结束时刻，ωm为匀速运行速度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明利用油缸可以产生较大的推力来推动齿条齿轮机构，达到驱动风帆转动到所需的角度，给出了一种新型的风帆驱动控制结构形式，该结构形式简单，容易安装，维护保养相对方便，适合在大型风帆驱动使用，

另外，本发明还设计出一套与该驱动装置配套的风帆转角速度与位移复合控制方法，采用构建速度前馈补偿模型达到风帆转角速度控制的稳定性，在接近转角目标值时，利用神经元pid自适应调整误差的算法控制，使转角位移能平稳达到所需角度，提高转角位置控制精度同时减小系统超调，达到了综合协调控制风帆转角位置的目的。

附图说明

图1为液压油缸风帆驱动装置的结构示意图。

图2为转角速度与位移协调控制原理图。

图3为风帆阀控液压缸试验系统的原理图。

图4为单神经元pid控制器的原理结构图。

图5为转角速度综合协调控制规划曲线。

图6为风帆转角位移设定为40°和90°时相对应的转角速度综合协调控制规划曲线，其中，图(6a)为风帆转角位移设定为40°时相对应的转角速度综合协调控制规划曲线，图(6b)为风帆转角位移设定为90°时相对应的转角速度综合协调控制规划曲线。

图7为风帆转角速度与位移复合控制曲线。

图8为不同风帆转速条件下复合控制曲线。

图9为不同负载力条件下复合控制仿真曲线。

图10为转角/速度单神经元控制试验曲线。

图中标记说明：

1、风帆本体，2、桅杆，3、上支承轴承，4、支撑架，5、驱动齿条，6、齿条导轨，7、驱动油缸，8、桅杆套筒，9、风帆齿轮，10、风帆制动器，11、船体甲板，12、下支撑轴承。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，本发明提供一种液压油缸风帆驱动装置，该装置包含风帆本体1、风帆桅杆2、驱动油缸7、连接到驱动油缸活塞杆的驱动齿条5、固定在风帆桅杆上的风帆齿轮9、支撑风帆桅杆的桅杆套筒8，安装在桅杆套筒内的上支撑轴承3和下支撑轴承12，该装置还包含支撑驱动齿条5的导向齿条导轨6，齿条导轨6固定在甲板11上，固定在甲板11上的风帆制动器10，制动器10上的制动块与风帆桅杆2接触，需要制动时抱紧制动。

该装置还包含与桅杆套筒8上部结构固定连接的支撑架4，支撑架4下部与甲板11固定连接，起到支撑风帆结构作用。

在本例的液压油缸风帆驱动装置中，风帆本体1与风帆桅杆2连接在一起，桅杆2带动风帆本体1转动，驱动油缸7的油缸活塞杆与驱动齿条5可以定制为一体式也可以是分体式，驱动齿条5在支撑导向的齿条导轨6中来回伸缩移动，与固定在风帆桅杆上的风帆齿轮9相互啮合，把油缸产生的驱动力通过齿轮齿条结构传递给桅杆本体，进而带动风帆转动，齿条在齿条导轨6中滑动，齿条导轨固定在船体甲板上起支撑和引导齿条运动的作用，保证齿条与齿轮啮合。

由于风帆本体1及桅杆2重量相对比较重，作用在风帆上的风力也比较大，所以支撑风帆桅杆2用一桅杆套筒8来支撑，桅杆套筒8结构上安装有上支撑轴承3和下支撑轴承12，轴承为滚动轴承，方便来回转动。

为了更好地起到支撑目的，本发明还设计了支撑架4，支撑架4上部与桅杆套筒8的上部结构固定连接，支撑架4下端与船体甲板11焊接固定，起到支撑风帆结构作用。

风帆制动器10在风帆旋转到位后断油，通过内部弹簧作用起到制动作用，需要转动时油缸供油，顶开克服弹簧压力使制动机构脱离风帆本体，风帆转动不受影响。

由于风帆驱动控制油缸所受到负载力随风帆攻角及风速大小等不同而变化，风帆转角控制属于位置伺服控制，在保证位置转角达到所需要求的情况下，来控制速度稳定性。在实际控制中负载力的突变冲击造成速度及压力波动冲击，进而对位置变化也会产生冲击影响。这种冲击一般在油缸活塞伸出或缩回所承受负载不同、速度不同进而对风帆转动带来冲击，同时若控制不稳定，在所需转角位置就不能尽快稳定下来，导致出现来回波动调整，对整个系统来说非常不利。

将模拟动态风力负载加载到风帆驱动系统并进行仿真研究，对于动态风力负载下转角位置跟踪曲线及所对应的转化后风帆转角速度曲线，可以得知在常规pid控制下，由于风力负载随转角变化而变化，造成位移跟踪曲线有一定的滞后偏差，同时在活塞速度上也有一定波动，特别是在启停过程阶段中出现速度突变，对大载荷风帆系统来说容易造成运动部件磨损，减少使用寿命，因此要在控制方法上加以优化改进，以便适应风帆系统的操作。

为此，本发明设计了一套风帆转角位置和转动速度的综合协调控制方法，如图3所示，风帆阀控液压缸试验系统主要由阀控液压缸系统及模拟风力载荷加载系统两部分组成，阀控液压缸系统主要由驱动油缸、油泵、滤器、单向阀、液控单向阀、伺服阀、电液换向球阀及油缸组成；模拟风力载荷加载系统由油泵、滤器、单向阀、电液比例溢流阀、电液换向阀及油缸等着组成，实现对风帆驱动控制系统的模拟加载，风力模拟加载是通过液压缸对顶实现的，将风帆风洞试验计算拟合的风力负载信号转换为0～10v的电压信号来控制电液比例溢流阀，实现对加载缸压力的调整，达到模拟加载风力负载目的。驱动油缸的活塞杆位移信号经过计算转换得到对应风帆转角。系统通过各传感器将采集到工作信号如驱动工作缸有杆腔压力信号、无杆腔压力信号、位移/速度传感器信号、力传感器信号、驱动工作油源压力信号及加载供油压力信号输入到pxi实时控制器中，经过数据采集卡ai输入上位机，经计算处理后通过ao输出两路电压信号分别给电液伺服阀调节工作缸以及电液比例溢流阀调节负载加载情况，形成整个驱动试验控制系统。

根据图3中的阀控液压缸系统，考虑风帆转角位置和转动速度综合协调控制，设计了油缸速度前馈和风帆转角位置神经元综合优化协调控制方案，其原理图如图2所示。阀控液压缸系统的风帆转角位置给定为θd，风帆速度给定为ωd，经过速度转角位移规划模块设计后输出为规划后风帆转角速度规划曲线和风帆转角位移规划曲线，即对应的风帆转角位移规划设计值θr及风帆转角速度规划值ωr随时间变化的曲线。在控制过程中，开始阶段利用油缸速度前馈补偿来控制阀控液压缸系统，通过采集驱动油缸的无杆腔压力pa、有杆腔压力pb和系统压力ps，联合风帆转角速度规划值ωr构建速度前馈补偿模型，输出控制信号叠加到伺服阀上来动态的控制速度，使系统按照风帆转角速度规划曲线来驱动驱动油缸快速而稳定运行到设定稳定速度，在快接近给定风帆转角位置θd附近时，再逐步减小运行速度，使其在动态运行过程中能较好跟随风帆转角速度规划曲线，并且，为了提高转角位置控制精度同时减小系统超调，采用位置闭环来控制，通过构建单神经元pid控制器自适应调整误差进行控制，使转角位移能平稳达到给定风帆转角位置θd，来达到综合协调控制风帆阀控液压差动缸系统转角位置的目的。

1、速度转角位移规划模块

对于大载荷风帆系统来说，设计合适的速度控制方案可以减小系统在加减速及起停运动过程中造成的液压冲击，减少运动部件磨损，延长机构部件使用寿命，在前面所设计的转角位置速度协调控制系统方案中，转角速度控制在实际动态运行中主要作用，在将要达到所要求转角位移时，由神经元转角位置控制器组成的位置闭环系统发挥主要作用，通过合理速度位移规划曲线来达到自动切换控制方案目的。

风帆规划速度方案采用梯形规划方法来进行设计，在开始加速阶段采用等加速度方法逐步增加到设计最大速度，然后根据要求匀速运行，再到后期做等减速度减速运行直到达到转角位移，速度降到零，风帆转角速度规划曲线和风帆转角位移规划曲线，如图5所示。

风帆液压驱动梯形转角速度方案的设计规划是以风帆转动平均转速限定值(即给定风帆速度ωd)以及所需转动风帆角度(即给定风帆转角位置θd)来处理的，风帆转动角度θ，时间t和平均转角速度ω0有如下关系：

θ＝ω0·t(8)

根据图5所示风帆转角速度规划曲线，可以得到速度方案为如下表达式：

其中，k1为加速段曲线斜率，k2为减速段曲线斜率，t1为加速时间，t2为匀速运行(t2-t1)时间段后开始减速时间，t3为减速结束时间，减速时间为(t3-t2)，ωm为匀速运行速度。

公式(9)反映了图5风帆转角速度规划设计曲线的三段运行阶段：从0开始的转角加速运行阶段，稳定后匀速运行阶段和逐渐减速转角减速阶段，在整个运行过程中按照设计转角速度曲线实时修正速度前馈补偿量，使运行风帆转角平稳转动到所需角度，减小抑制了运行过程中的速度冲击等现象。同时为防止出现在接近目标角度附近波动及超调情况，在接近目标角度，速度前馈量减小到0，转角位移闭环控制起作用，通过调整使风帆转角达到所需角度位置。

风帆转角位移规划设计曲线是按照转角速度曲线积分来产生的，采用这样的s型转角位移曲线，可以避免因直接输入阶跃给定转角位移而出现的动态跟踪误差较大，转角位置控制器输出控制量较大，无法协调控制速度的变化情况，按照转角速度位移规划曲线方案控制，能够使得系统在整个运行过程中产生较小的位置偏差，起到在控制转角速度减小速度冲击条件下，平稳控制到所需转角的位置。

本例中，根据大型风帆转动角速度要求我们取转角平均速度为3°/s，则有转动θ角度所需时间为：

t＝θ/3(10)

考虑到风帆转动控制要求特点，加减速时间不能太小，故各取时间为t/5，根据公式计算可以求得运行匀速段角速度为3.75°/s，同时可以求得加减速斜率为56.25/θ及-56.25/θ，代入公式(9)可以得到梯形速度与角度函数关系式为：

根据公式(11)可以得到按所需转角要求规划的梯形速度曲线及相应转角曲线，图6a和6b分别为风帆转角设定为40°和90°时相对应的转角速度综合协调控制规划曲线。当然根据系统要求不同，可以设定不同的平均最大转角速度及加减速斜率来规划转角速度曲线。

2、油缸速度前馈补偿模型

根据图3中设计好的控制试验系统，驱动油缸的无杆腔流入流量，油缸进油活塞杆做伸出运动，电磁阀打开，有杆腔回油经过单向阀流入供油回路，无杆腔流入流量基本上就是系统油泵输出流量，则有无杆腔流量与油缸活塞杆移动速度函数关系式为：

qa＝q1＝v·a1(1)

式中，q1为液压缸无杆腔流量，m³/s，qa为伺服阀a口流量，m³/s，a1为液压缸无杆腔面积，m²，v为液压缸活塞杆速度，m/s。

当伺服阀输入100％的控制信号时，油缸两边压差δp对应流量ql与伺服阀额定流量qn,单边额定压差δpn关系为：

伺服阀一般控制信号为电压正负1v，即：-1≤uv≤1，不考虑零位泄漏，正值输入控制信号时，活塞杆正向运动，则根据公式(2)可得到伺服阀a口流入流量公式为：

联列公式(1)与(3)可得速度前馈计算公式：

同样思路，可以得到控制油缸活塞杆缩回反向运动前馈计算公式：

式中，a1为控制油缸无杆腔面积，m²，a2为控制油缸有杆腔面积，m²；

按照规划速度曲线，用规划设计值ωr带入式(4)及(5)得到速度前馈计算模型关系式：

对于选定的油缸及对应的电液伺服阀，其有杆腔及无杆腔面积是确定的，伺服阀额定流量及单边额定压差也是确定不变的，则令式(6)可变为如下简化式：

从式(7)可以看出油缸速度前馈模型中控制电压与伺服阀流口压差及规划设计速度等有关，伺服阀流口压差体现了控制油缸的负载情况，负载变化时，伺服阀流口压差相应跟着变化，控制电压随着也就同时变化，规划设计速度不同，前馈控制信号也不同，模型能够根据变化情况自动加以适应，这对于受到不同负载力的风帆系统来说，增加的速度前馈控制有重要实际意义。

3、风帆转角单神经元pid控制器

在风帆转角位置控制过程中，由于所受负载是动态非线性变化的，常规pid控制无法保证控制过程中动态的稳定性，为了减小在实际动态转动过程中转角位置误差，选取单神经元pid控制器自身具备的自适应及实时误差控制功能，设计的单神经元pid控制器结构如图4所示。

4、转角速度与位移的复合控制

针对前述提出的风帆转角速度及转角位移复合控制方案，采用amesim及simulink联合建模仿真研究。对风帆驱动系统施加50kn负载，转角要求设定达到40°，风帆转角速度取平均速度为3°/s，根据公式(11)进行速度规划设计，在5s时系统从0°开始运行，直到达到40°转角；仿真后风帆转角跟踪曲线、转角速度跟踪曲线及相对应规划曲线见图7。从图7中的曲线上看，在恒定负载条件下，采用提出的风帆转角速度及位移复合控制方案在转角速度规划条件下可以稳定的达到转角的控制要求，避免了常规控制条件下速度的冲击。

图8为风帆转角速度为2°/s时采用速度及转角单神经元复合控制方案的仿真曲线，从图中可以看出，第5s开始，风帆转角速度经过4s加速后达到最大稳定速度2.5°/s，匀速运行12s后开始减速，4s后减速为0，风帆转角经过大约20s后达到规划所要求的40°转角，转角及转角速度均能较好跟踪，吻合程度较高，结合风帆转角速度为3°/s曲线7可以说明在不同转角速度下，在恒定负载条件下均能较好的对风帆转角进行控制。

在实际风帆运行时由于风速风向的不同，作用在风帆上的风力不断变化，即使在绝对风速、风向保持不变的条件下，风力在驱动油缸上产生的外负载力也随着风帆转角的不同而不同，为此需要对不同负载力情况进行仿真研究，以考察在不同负载力情况下，风帆转角及转角速度的动态响应情况及跟踪变化情况。图9为负载力分别为-50kn，0kn，50kn，100kn及200kn时的速度及转角跟随情况。从图中可以看出不同负载力对转角速度跟随有一定的不同，但是与规划速度偏差不大，能够在速度前馈控制下保持较好的跟踪效果，转角跟踪位移几乎没有变化，由此可知在复合控制下，能够按规划的转角稳定运行，在前进及后退两方面都实现无速度冲击控制，从而证明了该复合控制方案策略的有效性。

对于风帆转角/速度控制策略，采用梯形速度加以规划运行，以平均风帆转角速度为3°/s进行规划转角从0°运行到40°再到返回到0°的运行试验。图10显示了试验转角、试验转角速度以及相应的规划转角与规划转角速度曲线，从图中可以看出按照规划的风帆转角速度曲线运行，风帆系统的转角位移基本上与规划给定的曲线保持一致，速度也相对运行平稳，只是在达到最大速度时略有超过，但是很快就恢复到最大稳定速度。油缸伸出和回缩速度有局部的不对称是由于系统差动缸本身的原因造成的，但风帆驱动系统在设计时考虑了此原因，相对已经得到改善，伸出和回缩都得到了很好的控制效果，达到了消除风帆控制过程中的速度冲击。

本发明通过amesim及simulink联合仿真试验研究表明，采用所提速度及转角单神经元复合控制方法，在不同转动速度要求及不同负载力情况下，风帆都可以获得比较理想的控制效果。

并且在实现对风帆转角位置和速度复合控制的同时，减小系统在加减速及起停运动过程中造成的液压冲击，抑制油源压力波动，从而避免对系统其它运动部件的影响，减少机构部件磨损，延长使用寿命。

另外，风帆转角速度按照梯形规划设计进行控制，可以实现在整个运行过程中实时修正速度前馈补偿量，使风帆转角平稳转动到所需角度，减小并抑制了运行过程中的速度冲击等现象。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除