第一篇：船用液壓舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計說明書

重慶大學(xué) 碩士學(xué)位論文

船舶液壓舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計研究

姓名：王月

申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計與自動化

指導(dǎo)教師：陳波

2012-06 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

中文摘要

摘要

我國改革開放后與國外貿(mào)易量逐年增大，尤其是加入WTO后進(jìn)入了快速發(fā)展

階段，海運(yùn)事業(yè)隨著世界貿(mào)易的增長而快速發(fā)展，船舶行業(yè)隨之迎來了黃金時期。但我國船舶配套設(shè)備制造能力一直滯后船舶主體制造能力，現(xiàn)已成為船舶行業(yè)快 速發(fā)展的瓶頸。舵機(jī)是控制船舶航向的重要設(shè)備，其性能的好壞對于船舶運(yùn)動的 控制起著非常關(guān)鍵的作用。但目前國內(nèi)對于船舶舵機(jī)的研究大多集中于船舶航向 及舵跡控制方面，對于舵機(jī)本身的運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、液壓傳動及電氣控制方面研究 卻相對較少。因此，研究開發(fā)高性能船舶舵機(jī)并實現(xiàn)量產(chǎn)，對于我國船舶行業(yè)配 套能力的加強(qiáng)、競爭力的提高具有重要意義。

本文通過分析研究船舶舵機(jī)作用原理及目前常用轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)，提出采用滾珠逆 螺旋機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)，構(gòu)建新式舵機(jī)。根據(jù)船舶對舵機(jī)要求及螺旋作動器實際 需要，進(jìn)行深入分析比較后，設(shè)計了舵機(jī)液壓傳動原理圖，確定了電氣控制方案。對舵機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行必要的簡化后，分別建立了比例閥環(huán)節(jié)，閥控缸環(huán)節(jié)及角度 傳感器等環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)適當(dāng)變換最終得到了舵機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并對舵機(jī)系 統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。由于舵機(jī)閉環(huán)時域響應(yīng)緩慢，且船舶在航行過程中受風(fēng)、海浪等不確定因素影響，所以采用了不依賴對象模型的模糊PID校正，設(shè)計了模 糊PID控制器。運(yùn)用MATLAB軟件中的Simulink工具箱建立了系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，并對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。根據(jù)船舶舵機(jī)需遠(yuǎn)距離傳送信號且干擾源多的情況，采取了操作室與舵機(jī)室分散控制，通過CAN總線連接通信的控制方式，有效提高 了控制及反饋信號傳送的速率與質(zhì)量。設(shè)計了主電路圖、CANopen主站控制原理 圖、CANopen從站控制原理圖。

本文設(shè)計的船舶舵機(jī)系統(tǒng)，采用了新型轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)，有效減小了舵機(jī)體積及重 量；采用了電液比例控制，能有效提高船舶航行時舵角的定位精度，降低航行能 耗，減小換向沖擊及噪聲；將傳統(tǒng)的PID校正與先進(jìn)的模糊控制相結(jié)合，提高了 舵機(jī)的動態(tài)性能，增強(qiáng)舵機(jī)自適應(yīng)能力；采用現(xiàn)場總線傳輸信號，提高了數(shù)據(jù)傳 輸速度及可靠性。對高性能船舶舵機(jī)的設(shè)計據(jù)有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：船舶舵機(jī)，建模，模糊PID，仿真分析，PLC控制

I 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

英文摘要

ABSTRACT

Chinese foreign trade volume increasing year by year by reform and opening up，in particular after accession to WTO foreign trade has entered a stage of rapid

development.The shipbuilding industry has also entered in golden age along with fast development of shipping industry, but Chinese ship auxiliary equipment manufacturing capacity is lagging far behind the main vessel.It has become a bottleneck in the rapid development of shipbuilding industry.Steering gear is one of the most important equipment for controlling ships.Its good or bad performance plays a key role for ship motion control.But up to now domestic researchers for the steering gear studies are focused on how to control the ship heading and rudder track.There is a lack of

researching hydraulic and electrical control about the steering gear.Therefore, research and development high-performance steering gear and achieve the mass production finally.It has great significance for strengthening competitiveness of Chinese shipbuilding industry.Principle and current condition of marine steering gear were analyzed in this paper.First, introduced structure of marine steering gears which were used commonly, choosed ball rotary-oscillating actuator as the new steering gear.According to

requirements and actual needs, designed the schematic of fluid drive and the electrical control program after analyzed and compared the system seriously.The hydraulic system of steering gear was simplified.Corresponding mathematical models of proportional valve, valve control cylinder, angle sensor areas and other sectors were established.Mathematical model of the control system was ultimately made out and analyzed stability of steering gear system.As time domain response is slow of the servo loop and the ship affected by the wind, waves and other uncertain factors during voyaging.So used the fuzzy PID control and designed a fuzzy PID controller for this system.Dynamic model was established by using the Simulink toolbox in MATLAB software.Finally, used MATLAB software to carry through dynamic simulation and analyzed dynamic characteristics.Because steering signal is remote transmission in the ship.So adopted the operating room and steering gear room were decentralized control.The rooms were connected via CAN-bus.The control and feedback signals transmission speed and quality effectively were improved by CAN-bus.The main circuit, CANopen master control diagram and CANopen slave control principle were designed.II 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

英文摘要

In this paper steering gear was designed.Using electro-hydraulic proportional

control, it can improve the positioning accuracy when the ship voyaging, and reduce impact and noise.Applying fuzzy PID control strategy, it can improve the dynamic performance of steering gear and enhance adaptive capacity of steering gear.Using field bus, it can increase data transmission speed and reliability.This paper has guiding significance for the design of small and medium steering gear.Keyword：

Ship Steering Gear, Modeling, Fuzzy PID, Simulation, PLC Control III 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

緒論 緒

論

1.1 船舶舵機(jī)介紹

1.1.1 舵機(jī)作用原理

舵機(jī)是船舶上的一種大甲板機(jī)械，是船舶最重要的輔機(jī)之一，用于控制船

舶航向。其對船舶的作用原理如圖1.1所示

圖1.1 舵作用原理

Fig.1.1 Action principle of steering gear

舵葉在水中的受力如圖1.1所示。圖中

摩擦力；

LF

NF

—舵葉兩側(cè)水壓力（舵壓力）；

rF

—

—升力；

DF

—阻力。在正舵位置，即舵轉(zhuǎn)角0α=時。舵葉兩側(cè)所受 的水作用力相等，對船的運(yùn)動方向不產(chǎn)生影響。當(dāng)舵葉偏轉(zhuǎn)任一角度α，兩側(cè)水 流如圖1.1（a）所示。水流繞流舵葉時的流程在背水面就要比迎水面長，背水面 的流速也就較迎水面大，而其上的靜壓力也就較迎水面要小。舵葉兩側(cè)所受水壓 力的合力稱為舵壓力，的背水面。除

NF

NF

將垂直于舵葉，作用于舵葉的壓力中心

o，并指向舵葉

rF

外，水流對舵葉還會產(chǎn)生與舵葉中線方向一致的摩擦力。

NF 當(dāng)舵葉偏轉(zhuǎn)舵角α后，在舵葉的壓力中心 o 上，就會產(chǎn)生一個大小等于

合力的水作用力 F。F 可分解為與水流方向垂直的升力 力 DF

LF

與

rF

和與水流方向平行的阻

：

LLFCAv

DDFCAv

ρ=

（1.1）

ρ=（1.2）

= xxCb

（1.3）

式中：

LC，DC，xC

分別為升力、阻力、壓力中心系數(shù)，其大小隨舵角而變，與舵葉幾何形狀有關(guān)，由模型試驗測定；ρ—水的密度；A—舵葉的單側(cè)浸水面積； 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

緒論

v —舵葉處的水流速度； b —舵葉平均寬度。

在圖1.1（b）中，我們假設(shè)在船舶重心 G 處加上一對方向相反而數(shù)值均等于

F

F的力1F、2。那么水作用力 F 對船體的作用，可用水作用力對船舶重心所產(chǎn)生的

力矩 sM

F和2的作用來代替。

sM 由 F 和1F

形成的力矩

迫使船舶繞其重心向偏舵方向回轉(zhuǎn)，稱為轉(zhuǎn)船力矩

(sM)。

21()sin

ααρ=++≈=

（1.4）

sLcDcLLMFlXconFXFlCAvl

式中： l —舵桿軸線至船舶重心的距離； cX— 舵壓力中心至舵桿軸線的距離。

由式（1.4）可知：轉(zhuǎn)船力矩

sM

隨舵角α的增大而增大，并在達(dá)到某一舵角時

M

； 出現(xiàn)極大值max

sM

出現(xiàn)極大值時的舵角數(shù)值與舵葉的幾何形狀有關(guān)，并主要取

決于舵葉的展弦比λ(λ=舵葉高度 A ／舵葉平均寬度 b)。λ越小，繞流的影響就越 大，即在同樣舵角上所產(chǎn)生的舵壓力越小，而達(dá)到最大轉(zhuǎn)船力矩時的舵角就越大。舵葉的展弦比值受到船舶吃水及船尾形狀等條件限制。海船(λ=2～2.5)，max M 舵角多介于30~35 角之間。

oo 的 舵

M

出現(xiàn)在35~45 之間，規(guī)定35 ；河船(λ=1.0～2.0)，max

o oo

F2

則可分解為 R 和 T 兩個分力，縱向分力2sinRF

TF 力；橫向分力2cos

α=，增加了船舶前進(jìn)的阻

α=，使船向偏舵的相反方向漂移。由于水作用力 F 一般與

船舶的重心G并不在同一水平面上，所以船在轉(zhuǎn)向的同時，還存在著橫傾與縱傾 力矩。

在舵勻速轉(zhuǎn)動時，需要的轉(zhuǎn)舵扭矩 M（操舵裝置對舵桿施加的力矩）即應(yīng)等 于舵的水動力矩 aM和舵各支承處的總摩擦扭矩 的代數(shù)和，即：

fM

=+ afMMM

（1.5）

aM 表示舵壓力

NF

對舵桿軸線所產(chǎn)生的力矩（稱為舵的水動力矩），對于普通

=

平衡舵(0.15~0.2)faMM

在舵機(jī)設(shè)計時，確定舵機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和工作參數(shù)的基本依據(jù)是公稱轉(zhuǎn)舵扭矩。

公稱轉(zhuǎn)舵扭矩指在規(guī)定的最大舵角時所能輸出的最大扭矩，是根據(jù)船舶在最深航 海吃水和以最大營運(yùn)航速前進(jìn)時，將舵轉(zhuǎn)到最大舵角所需要的扭矩來確定的。

1.1.2 船舶對舵機(jī)的要求

舵機(jī)是保持或改變船舶航向，保證安全航行的重要設(shè)備，一旦失靈，船即會

失去控制，甚至事故。因此，我國《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》(1996)根據(jù)（國際 海上人命安全公約）（SOLAS公約）的規(guī)定，對舵機(jī)的基本技術(shù)要求是：

① 必須具有一套主操舵裝置和一套輔操舵裝置；或主操舵裝置有兩套以上的

動力設(shè)備，當(dāng)其中之一失效時，另一套應(yīng)能迅速投入工作。主操舵裝置應(yīng)具有足 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

緒論

夠的強(qiáng)度并能在船舶處于最深航海吃水并以最大營運(yùn)航速前進(jìn)時將舵自任何一舷

o 35o 轉(zhuǎn)至另一舷的35，并且于相同的條件下，自一舷的35

o

轉(zhuǎn)至另一舷的30 所需

o 的時間不超過28 s。此外，在船以最大速度后退時應(yīng)不致?lián)p壞。輔助操舵裝置應(yīng)具 有足夠的強(qiáng)度，且能在船舶處于最深航海吃水，并以最大營運(yùn)航速的一半且不小

o o 于7 kn 前進(jìn)時，能在不超過60 s 內(nèi)將舵自任一舷的15 轉(zhuǎn)至另一舷的15。

② 主操舵裝置應(yīng)在駕駛臺和舵機(jī)室都設(shè)有控制器；當(dāng)主操舵裝置設(shè)置兩臺動

力設(shè)備時，應(yīng)設(shè)有兩套相對獨立的控制系統(tǒng)。但如果采用液壓遙控系統(tǒng)，除1萬

Gt

以上的油輪(包括化學(xué)品船、液化氣船，下同)外，不必設(shè)置第二套獨立的控制系統(tǒng)。

③ 操舵裝置應(yīng)設(shè)有有效的舵角限位器。以動力轉(zhuǎn)舵的操舵裝置，應(yīng)裝設(shè)限位

開關(guān)或類似設(shè)備，使舵在到達(dá)舵角限位器前停住。

④ 能被隔斷的、由于動力源或外力作用能產(chǎn)生壓力的液壓系統(tǒng)任何部分均應(yīng)

設(shè)置安全閥。安全閥開啟壓力應(yīng)不小于1.25倍最大工作壓力；安全閥能夠排出的 量應(yīng)不小于液壓泵總流量的110％，在此情況下，壓力的升高不應(yīng)超過開啟壓力的

10％，且不應(yīng)超過設(shè)計壓力值。

1.2 研究的意義及目的

我國的船舶行業(yè)正處在快速發(fā)展階段，已連續(xù)十余年保持世界第三大造船國 的地位，世界造船中心向中國轉(zhuǎn)移的趨勢日益加快。尤其是2006年以來，我國承 接船舶訂單占世界市場份額大幅攀升，全年利潤增速在50％以上，有關(guān)專家預(yù)計： 到2010年，我國造船能力將達(dá)到2100萬載重噸，造船產(chǎn)量占世界市場份額的25% 以上，本土生產(chǎn)的船用設(shè)備平均裝船率達(dá)到40%以上，實現(xiàn)船用設(shè)備年銷售收入

500億元。但我國造船業(yè)在保持高速增長的同時，弊端也逐漸暴露出來，特別是船

舶配套設(shè)備制造能力不足，加上船舶配套業(yè)競爭形勢日益激烈，國外配套企業(yè)發(fā) 展步伐加快，嚴(yán)重制約和壓縮了我國船用配套業(yè)發(fā)展空間。據(jù)了解，目前我國船 舶自主配套率平均只有40%左右，與日本的98%、韓國的90%相比，差距相當(dāng)大。

LPG船、化學(xué)品船、大型集裝箱船等高端市場的自主配套率平均不足20%。國內(nèi)

船舶主機(jī)目前缺口達(dá)50%～70%。近年來雖然突破了一些重點船用配套設(shè)備關(guān)鍵制 造技術(shù)，但是大型船用配套設(shè)備和關(guān)鍵零部件生產(chǎn)能力不足，無自主知識產(chǎn)權(quán)的 船用設(shè)備、品牌產(chǎn)品都需要進(jìn)口，這都較大地削弱我國船舶行業(yè)的發(fā)展速度[1,2]。舵機(jī)關(guān)系到船舶的安全、穩(wěn)定，是船舶的核心設(shè)備之一。雖然現(xiàn)階段國內(nèi)研究機(jī) 構(gòu)已經(jīng)對船舶舵機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究，但大多集中于對自動舵、航跡舵 等舵機(jī)控制方法上的研究。對于開發(fā)設(shè)計體積小，重量輕，效率高，反應(yīng)迅速快，控制精度高的船舶舵機(jī)做的工作卻相對較少。而生產(chǎn)企業(yè)正在批量生產(chǎn)的卻還是 國外70～80年代的低端產(chǎn)品，產(chǎn)品附加值低，市場競爭力很弱，科研與生產(chǎn)實際 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

緒論

已嚴(yán)重脫節(jié)。因此，在重慶市科委的領(lǐng)導(dǎo)下，重慶大學(xué)與重慶液壓件廠合作，對 舵機(jī)運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、液壓及控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，開發(fā)高性能船舶液壓舵機(jī)，這對中高檔船舶配套設(shè)備的國產(chǎn)化具有重要意義。

本課題以船舶舵機(jī)運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、液壓傳動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)為研究對象。提

出一種結(jié)構(gòu)新穎、體積小，重量輕、舵角定位精度高，PLC控制與現(xiàn)場總線控制 相結(jié)合的新式船舶舵機(jī)。深入分析液壓傳動原理，研究舵機(jī)控制原理及其控制理 論，采用先進(jìn)的控制方案。最終實現(xiàn)高性能液壓舵機(jī)的批量生產(chǎn)。

1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[2～9]

船舶在應(yīng)用液壓傳動之前，采用的是蒸汽傳動和電氣傳動。1916年美國在“新

墨西哥”號戰(zhàn)艦上首次使用了液壓舵機(jī)。在第二次世界大戰(zhàn)期間，液壓傳動因具有 響應(yīng)速度快、剛度大、抗干擾能力強(qiáng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率—重量比和扭矩—慣量比 大等優(yōu)點而受到重視，使得其在軍艦舵機(jī)、潛艇控制系統(tǒng)及航母的控制系統(tǒng)中占 有重要地位。二戰(zhàn)后隨著軍用技術(shù)轉(zhuǎn)為民用，一般的客輪、貨輪也開始廣泛使用 液壓舵機(jī)，五十年代后期，進(jìn)一步發(fā)展了電液傳動系統(tǒng)，這對減輕操舵人員的勞 動強(qiáng)度改善操舵條件，簡化舵機(jī)結(jié)構(gòu)具有重要意義。八十年代是舵機(jī)更新?lián)Q代的 十年，引起這種更新的原因主要有兩方面。最直接的原因是：1978年裝有22萬噸 輕原油的美國油輪“阿莫戈·卡迪茲”號在途經(jīng)法國西北海面時因舵機(jī)失靈而觸礁，造成嚴(yán)重污染和重大經(jīng)濟(jì)損失。為此，舵機(jī)在緊急情況下的可靠性引起了國際上 的普遍關(guān)注。經(jīng)過一段時間醞釀，l981年國際海事會議正式通過了對l974年SOLAS 公約的修正案，其中對舵機(jī)的要求提出了重要的新條款。舵機(jī)更新的另一原因，是液壓傳動技術(shù)從七十年代以來一直在迅速發(fā)展，產(chǎn)品的高壓化和集成化不斷取 得進(jìn)展，邏輯閥等新型液壓元件開始應(yīng)用于舵機(jī)和其它船用液壓裝置中，另外，舵機(jī)電氣遙控系統(tǒng)的技術(shù)也更趨成熟，不僅淘汰了液壓遙控系統(tǒng)，而且使傳統(tǒng)的 浮動桿機(jī)械追隨機(jī)構(gòu)也顯得陳舊。進(jìn)入八十年代以來，世界舵機(jī)主要制造廠家都 開始認(rèn)真檢查其產(chǎn)品，并按1981年修正案的要求重新設(shè)計各自的舵機(jī)，力爭在市 場上保持較大的競爭優(yōu)勢。新一代的舵機(jī)的性能和可靠性更趨完善。目前國外舵 機(jī)最新變化動向如下。

① 普遍設(shè)置了兩套液壓系統(tǒng)，且具有人工和自動隔離裝置。西德哈特拉帕公

司生產(chǎn)的自動隔離裝置：如工作中因某套系統(tǒng)管路破裂或其它原因而嚴(yán)重失油時，相應(yīng)油柜中的液位開關(guān)就會動作報警，并在經(jīng)過30秒或更長時間(視漏泄程度而 定)，另一個更低的液位開關(guān)就會動作使工作泵組切換。挪威富利登波公司認(rèn)為上 述方案使設(shè)備復(fù)雜化，產(chǎn)品價格較貴，而且某些閥正常工作時長期不動，緊急情 況能否正常動作便難于保證，因而又提出了一種僅采用二個主油路自動鎖閉閥來 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

緒論

隔離損壞的油路系統(tǒng)的方案。這種方案僅適臺于轉(zhuǎn)葉式油缸，它在缸體內(nèi)部設(shè)有 油路連通相應(yīng)油腔，但如果一對油腔密封損壞時，并不能使之與工作油路隔離。顯然，單缸體的轉(zhuǎn)葉式油缸如發(fā)生故障，如密封損壞、動葉斷裂等，是不能按“單 項故障原則”迅速恢復(fù)工作的，因此它不能用于10萬載重噸以上的油輪。為此，日 本三井—ABG公司提出了雙油缸體轉(zhuǎn)葉舵機(jī)的設(shè)計，它將二個轉(zhuǎn)葉油缸迭置在同 一舵桿上方，其二套油路系統(tǒng)之一可以被隔離和旁通，以適應(yīng)10萬載重噸以上油 輪的要求。

② 閥控型舵機(jī)的應(yīng)用功率范圍在擴(kuò)大，性能也在改善。閥控型舵機(jī)因穩(wěn)舵時

主油泵仍需全流量工作，雖然排出壓力小，但仍要消耗一定的功率，故經(jīng)濟(jì)性較 差；而且換向時液壓沖擊大，故過去多用于功率較小的舵機(jī)?，F(xiàn)在隨著閥控型舵 機(jī)設(shè)計的改善，扭矩范圍也有了顯著提高。例如西德哈特拉帕R系列閥控型舵機(jī)最 大公稱扭矩已達(dá)到1200KN.m，完全能勝任一般數(shù)萬噸級海船的需要。

③ 新型液壓閥件的應(yīng)用。隨著液壓技術(shù)迅速進(jìn)步，從60年代末開始，能根據(jù)

電氣信號的變化對液壓油流向及壓力、流量進(jìn)行連續(xù)的、按比例的遠(yuǎn)程控制的比 例閥迅速發(fā)展；70年代為解決大流量(200L/min以上)系統(tǒng)控制集成化的困難，邏輯 閥(又稱二通插裝閥)也迅速發(fā)展。這些元件不僅開始在工程船液壓傳動裝置中出 現(xiàn)，也開始用于液壓舵機(jī)。日本川崎泵控型舵機(jī)的液壓系統(tǒng)即使用了邏輯閥。丹 麥狄沙麥潤四缸活塞式舵機(jī)的控制系統(tǒng)中使用了比例方向閥，取消了機(jī)械追隨機(jī) 構(gòu)，從而轉(zhuǎn)舵精度可達(dá)土1/6o，比普通電磁換向閥控制精度提高了兩倍以上。

④ 船舶自動舵控制技術(shù)的發(fā)展。1921年德國安修斯公司發(fā)明了自動操舵儀，即利用羅經(jīng)的電訊號，通過繼電器、機(jī)械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)控制船舶舵機(jī)。由于自動操 舵儀能夠自動駕駛船舶，按給定航向航行而且具備航向精度高，能節(jié)約能源，并 且把人從繁重人工操舵中解放出來。1930年蘇聯(lián)也相繼研究出以電羅經(jīng)為航向接 收訊號的自動操舵儀，這一產(chǎn)品的問世引起了航運(yùn)界的重視，各先進(jìn)資本主義國 家也形成了研究機(jī)構(gòu)和一批知名企業(yè)。到目前為止只有少數(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)資本主義國 家，如美國、德國、英國臺卡、日本北辰以及蘇聯(lián)沙姆希特掌握了這項技術(shù)，并 形成名牌產(chǎn)品。自動舵的發(fā)展大致經(jīng)歷四代：

1920年和1923年德國的Aushutz和美國的Sperry分別率先推出了獨立研制成 的機(jī)械式自動操舵儀，該產(chǎn)品所采用的是經(jīng)典控制理論中最簡單最原始的比例放 大控制規(guī)律。這種自動舵被稱為第一代自動舵。

20世紀(jì)50年代，經(jīng)典理論達(dá)到了旺盛時期，經(jīng)典控制理論有著各種控制方法，其中最重要最典型而且在工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種是比例—微分—積分(PID)控 制。伴隨著經(jīng)典控制理論的發(fā)展，PID舵在50年代開始發(fā)展起來。1950年日本研制 出“北辰”自動舵，1952年美國研制出新型的Sperry自動舵，采用的都是PID控制規(guī) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

緒論

律。由于P調(diào)節(jié)器不需要詳細(xì)的有關(guān)受控過程的知識，且具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于 調(diào)整和具有固有的魯棒性等特點，PID舵得到了廣泛的認(rèn)可，幾乎所有的船舶都裝 有這種操舵儀。這種自動舵被稱為第二代自動舵。

到了70年代，由于自適應(yīng)理論和計算機(jī)技術(shù)得到了發(fā)展，人們注意到將自適

應(yīng)理論引入船舶操縱成為可能，紛紛將自適應(yīng)舵從實驗室裝到實驗船上，正式形 成了第三代自動舵。自適應(yīng)舵在提高控制精度、減少能源消耗方面取得了一定的 成績，但自適應(yīng)控制系統(tǒng)比常規(guī)的控制系統(tǒng)要復(fù)雜得多，其魯棒性、收斂性等尚 未得到證明。

對有限維、線性和時不變的控制過程，傳統(tǒng)的控制方法是非常有效的。由于

實際船舶系統(tǒng)常具有不確定性、非線性、非穩(wěn)定性和復(fù)雜性，很難建立精確的模 型方程，甚至不能直接進(jìn)行分析和表示。自適應(yīng)控制的穩(wěn)定性和魯棒性在實際應(yīng) 用中還無法完全達(dá)到要求，但熟練的舵手運(yùn)用他們的操舵經(jīng)驗和智慧，能有效地 控制船舶。為此，從80年代開始，人們就開始尋找類似于人工操舵的方法，這種 自動舵就是第四代的智能舵。

古代中國是當(dāng)時造船和航海的先驅(qū)。春秋戰(zhàn)國時期就有了造船工場，能夠制

造戰(zhàn)船；漢代已能制造帶舵的樓船；唐、宋時期，河船和海船都有突出的發(fā)展，發(fā)明了水密隔壁；明朝的鄭和七次下西洋的寶船，在尺度、性能和遠(yuǎn)航范圍方面，都居世界領(lǐng)先地位。到近代，中國造船業(yè)發(fā)展遲緩，鴉片戰(zhàn)爭爆發(fā)后，國人才逐 漸意識到船舶工業(yè)的落后，1865～1866年，清政府相繼創(chuàng)辦江南制造總局和福州

船政局，建造了“保民”“建威”“平?！钡溶娕灪汀敖隆薄敖A”等長江客貨船。盡管中 國早就有建造萬噸級機(jī)動船舶的記錄，能自制船用蒸汽往復(fù)機(jī)以及由其驅(qū)動的機(jī) 艙輔機(jī)，甲板機(jī)械等。但由于舊中國工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，船舶配套設(shè)備的生產(chǎn)基本依 靠國外，從基礎(chǔ)的螺釘、墊圈等小五金到高級的雷達(dá)、導(dǎo)航儀等都依賴進(jìn)口，船 舶行業(yè)基本停留在組裝及維修的階段。至新中國成立前夕，全國鋼質(zhì)船舶的平均 年造船量僅1萬噸左右。

全國解放后，我國成立重工業(yè)部船舶工業(yè)局，集中力量建造蘇聯(lián)轉(zhuǎn)讓的艦艇。

63年成立六機(jī)部，組建國產(chǎn)化協(xié)作機(jī)制，造船從仿制改進(jìn)到自行研制（研制出核

潛艇、遠(yuǎn)洋探測船、萬噸輪等），但該機(jī)構(gòu)在文革時期遭到了重創(chuàng)。改革開放后，尤其是近十年來我國船舶行業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。然而科研及生產(chǎn)單位更多的 集中于船舶主體的設(shè)計制造，對船舶主要輔件舵機(jī)尤其是高性能的自適應(yīng)舵的研 究還在起步階段。雖然近幾年來，有關(guān)單位開展了對自適應(yīng)舵的研究工作，發(fā)表 了一些設(shè)計方案，仿真研究結(jié)果和產(chǎn)品，其中具有代表性的是上海欣業(yè)船舶電器 廠科技人員和上海交通大學(xué)船電專業(yè)教授們共同開發(fā)的HD—8A數(shù)控自動操舵儀，但一直未出現(xiàn)有影響力的品牌或產(chǎn)品。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

緒論

1.4 主要研究內(nèi)容

本課題針對當(dāng)前舵機(jī)體積大、質(zhì)量重、舵角定位精度不高、控制系統(tǒng)復(fù)雜且 可靠性差等問題，應(yīng)用先進(jìn)的傳動機(jī)構(gòu)，采用適應(yīng)性強(qiáng)的控制方法，設(shè)計一套體 積小、質(zhì)量輕、定位精度高、動態(tài)特性好、控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的舵機(jī)。具體地講，本課題主要探討和研究了以下幾個方面的內(nèi)容：

① 運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的選擇。綜合分析了國內(nèi)外現(xiàn)有轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的特點及存在的問 題，根據(jù)舵機(jī)要求體積小、質(zhì)量輕、傳動效率高等特點，選擇滾珠螺旋作動器作 為運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。

② 液壓系統(tǒng)的設(shè)計。為提高舵機(jī)轉(zhuǎn)角精度，提高系統(tǒng)集成度及可控性，降低 換向沖擊。通過分析現(xiàn)有液壓驅(qū)動系統(tǒng)，設(shè)計了以電液比例閥為核心的液壓回路。

③ 電氣控制系統(tǒng)研究。由于舵機(jī)操舵室與舵機(jī)室距離遠(yuǎn)，且中間干擾源多，設(shè)計了以PLC作為控制單元，通過CAN總線傳輸信號的控制方式，有效解決了 舵機(jī)控制器可靠性及控制信號傳輸?shù)乃俣嚷百|(zhì)量不高等問題。

④ 控制算法研究。應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，將傳統(tǒng)的PID控制與模糊控制相結(jié)合，設(shè)計了舵機(jī)的模糊PID控制器，提高了控制器的精確性與適應(yīng)性。并建立舵機(jī)系 統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)行了仿真分析。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

系統(tǒng)方案設(shè)計 系統(tǒng)方案設(shè)計

船舶舵機(jī)主要有有運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三大部分組成。

如圖2.1所示。

圖2.1 船舶舵機(jī)系統(tǒng)組成Fig.2.1 Component of steering gear

2.1 轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)是將油泵供給的液壓能變?yōu)檗D(zhuǎn)動舵桿機(jī)械能的一種機(jī)構(gòu)，目前常用 的機(jī)構(gòu)，按推動舵葉偏轉(zhuǎn)時動作方式不同，可分為兩大類：往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式。

① 往復(fù)式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)形式主要有滑式、滾輪式及擺缸式。

1）滑式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)

它是應(yīng)用最廣的一種傳統(tǒng)轉(zhuǎn)舵型式，它又有十字頭式和撥叉式之分。十字頭式 轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)舵油缸、插入油缸中的撞桿以及與舵柄相連接的十字形滑動接頭等 組成，當(dāng)轉(zhuǎn)舵扭矩較小時常用雙向雙缸單撞桿的型式，而當(dāng)轉(zhuǎn)舵扭矩較大時，多 采用四缸、雙撞桿的結(jié)構(gòu)。其單邊結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示。

圖2.2 十字頭式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)

Fig.2.2 Crosshead-style steering structure 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

系統(tǒng)方案設(shè)計

當(dāng)舵轉(zhuǎn)至任意舵角α?xí)r，為克服水動力矩所造成的力' 在十字頭上將受到撞桿兩端油壓差的作用力

Q，(與舵柄方向垂直)。

P，力 P 與' Q 作用方向不在同一直線

上，導(dǎo)板必將產(chǎn)生反作用力 N，以使 P 和 N 的合力 Q 恰與力' Q 方向相反，從而產(chǎn) 生轉(zhuǎn)舵扭矩以克服水動力矩和摩擦扭矩。其轉(zhuǎn)舵力矩：

RDzpRP πη 00 m

MzQRz===

ηη mm

（2.1）

2coscos4cos

ααα

上式表明：在撞桿直徑 D，舵柄最小工作長度0 R 和撞桿兩側(cè)油壓差 P 既定的

情況下，轉(zhuǎn)舵扭矩 M 隨舵角α的增大而增大。這種扭矩特性與舵的水動力矩的變 化趨勢相適應(yīng)，當(dāng)公稱轉(zhuǎn)舵扭矩既定時，滑式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)最大工作油壓較其它轉(zhuǎn)舵 機(jī)構(gòu)要小。撥叉式與十字頭式原理類似。

2）滾輪式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)

圖2.3滾輪式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)

Fig.2.3 Roller steering structure

滾輪式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點：在舵柄端部以滾輪代替滑式機(jī)構(gòu)中的十字頭或撥 叉。受油壓推動的撞桿，以頂部頂動滾輪，使舵柄轉(zhuǎn)動。這種機(jī)構(gòu)不論舵角α如 何變化，通過撞桿端面與滾輪表面的接觸線作用到舵柄上的推力 桿端面，而不會產(chǎn)生側(cè)推力。其轉(zhuǎn)舵力矩可寫為：

P 始終垂直于撞

π 2

ηηα00cos4mmMzQRDzpR ==

（2.2）

上式表明：當(dāng) D、R0

和 P 既定時，滾輪式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)所能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)舵扭矩將隨α的增大而減小。扭矩特性在坐標(biāo)圖上是一條向下彎的曲線。在最大舵角時，水動 力矩較大，而滾輪式這時所產(chǎn)生的扭矩反而最小，只達(dá)到滑式機(jī)構(gòu)的55%左右。但滾輪式與滑式相比，撞桿與舵柄之間沒有約束，無側(cè)推力，且結(jié)構(gòu)簡單，加工 容易，安裝、拆修都較滑式方便。

3）擺缸式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

系統(tǒng)方案設(shè)計

圖2.4 擺缸式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)

Fig.2.4 Swing-cylinder steering structure

擺缸式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點：采用兩個擺動式油缸和雙作用的活塞(也可單作

用)。轉(zhuǎn)舵時，活塞在油壓下往復(fù)運(yùn)動，兩油缸相應(yīng)擺動，通過與活塞桿鉸接的舵 柄推動舵葉偏轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)舵時缸體必須作相應(yīng)擺動，必須采用有撓性的高壓軟管。

擺缸式機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)舵時，油缸擺角β將隨油缸的安裝角(中舵時油缸擺角)和舵轉(zhuǎn)角α而 變。一般使中舵時β最大，最大舵角時β為零或接近于零。但不論舵角α如何，β

角總是很小。如果忽略β，擺缸式與滾輪式扭矩特性相同，所以一般應(yīng)用于功率不 大的舵機(jī)中。

② 回轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)[9～11]。目前回轉(zhuǎn)式主要以轉(zhuǎn)葉式機(jī)構(gòu)為主。

圖2.5 轉(zhuǎn)葉式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)

Fig.2.5 Rotating blade steering structure 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

系統(tǒng)方案設(shè)計

圖2.5所示為三轉(zhuǎn)葉式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)，油缸內(nèi)部裝有三個定葉，通過橡皮緩沖器安

裝在船體上三個轉(zhuǎn)葉與舵桿相固接，由于轉(zhuǎn)葉與缸體內(nèi)壁和上、下端蓋之間，及 定葉與轉(zhuǎn)轂外緣和上、下端蓋之間，均設(shè)法保持密封，故借轉(zhuǎn)葉和定葉將油缸內(nèi) 部分隔成為六個小室。當(dāng)經(jīng)油管6從三個小室吸油，并排油入另外三個小室，轉(zhuǎn) 葉就會在液壓作用下通過輪轂帶動舵桿和舵葉偏轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)舵力矩：

0 mMzPAR

η=

（2.3）

上式表明：轉(zhuǎn)葉式機(jī)構(gòu)所能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)舵扭矩與舵角無關(guān)，扭矩特性在坐標(biāo)圖

上是一條與橫坐標(biāo)平行的直線。其優(yōu)點是：(1)占地面積?。s為往復(fù)式的1/4），重量輕（約為往復(fù)式1/5），安裝方便。(2)無須外部潤滑，管理簡便，舵桿不受側(cè) 推力，可減輕舵承磨損。(3)扭矩特性不如滑式，比滾輪式和擺缸式好。但其內(nèi)泄 漏部位較多。密封不如往復(fù)式容易解決，造成容積效率低，油壓較高時更為突出。

往復(fù)式與回轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)舵力矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖2.6所示[12]。

圖2.6 轉(zhuǎn)舵力矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系

Fig.2.6 Relationship of steering torque and rotation

③新型轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)[13,14]

重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點實驗室梁錫昌等老師發(fā)明了滾珠螺旋作動器，其

是針對現(xiàn)代高性能飛機(jī)對前緣襟翼驅(qū)動系統(tǒng)提出的體積小、重量輕、承載能力大、工作可靠和維修方便等要求，從縮短傳動鏈出發(fā)，把液壓傳動和滾珠螺旋傳動巧 妙的結(jié)合起來，所發(fā)明的一種新型傳動機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)如圖2.7所示，由液壓缸、傳 動軸、滾珠副等部分組成。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

系統(tǒng)方案設(shè)計

圖2.7 滾珠直旋作動器

Fig.2.7 Rotary actuator ball straight

其結(jié)構(gòu)特點：用液壓缸驅(qū)動作動器，可以應(yīng)用液壓缸現(xiàn)有技術(shù)：密封性能好，油液泄漏量小，可達(dá)到較高的工作壓力，加工簡單、技術(shù)成熟。采用該機(jī)構(gòu)作為 轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)后，不論舵角如何變化，都無側(cè)推力作用。作動器采用滾珠副，機(jī)械傳 動效率高且結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積?。w積僅為轉(zhuǎn)葉式1/2）。這種新型轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)既 擁有轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的優(yōu)點，又克服了其泄漏量大，不適合用于高壓的缺點。其轉(zhuǎn)動 力矩：

MFdPAd

00tan2tan2

ληλη=×××=××××

（2.4）

d

—螺旋作 式中： P —液壓缸兩側(cè)油壓差； A —液壓缸活塞有效作用面積；0動器直徑；λ—逆螺旋機(jī)構(gòu)螺旋升角；η—總效率，一般為0.85～0.9。

上式表明：基于滾珠逆螺旋的轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)舵扭矩與舵角無關(guān)，扭矩

特性與轉(zhuǎn)葉式類似，在坐標(biāo)圖上是一條與橫坐標(biāo)平行的直線。雖然該機(jī)構(gòu)優(yōu)勢明 顯，但由于滾珠逆螺旋傳動軸直接與舵桿相連，雖然液壓及控制系統(tǒng)可以冗余設(shè) 計，但作動器以及液壓缸卻只能一個。所以滾珠螺旋作動器，現(xiàn)階段不適合作為 巨型船舶的轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)。本文設(shè)計的就是基于此種轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的舵機(jī)。

2.2 液壓系統(tǒng)方案[15～28]

由于作動器需要液壓缸驅(qū)動其動作，所以需要設(shè)計一個合適的液壓系統(tǒng)，使

舵機(jī)達(dá)到更好的性能?，F(xiàn)有液壓舵機(jī)的種類很多，按控制方式分可分為：泵控和 閥控。泵控系統(tǒng)又稱容積控制系統(tǒng)，其實質(zhì)是用控制閥去控制變量液壓泵的變量 機(jī)構(gòu)，由于無節(jié)流和溢流損失，故效率較高，且剛性大，但其響應(yīng)速度較慢、結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，適用于功率大而響應(yīng)速度要求不高的控制場合。一般轉(zhuǎn)舵力矩大于

400KN.m的船舶采用這種控制方式。閥控系統(tǒng)又稱節(jié)流控制系統(tǒng)，其主要控制元

件是液壓控制閥，具有響應(yīng)快、控制精度高的優(yōu)點，缺點是效率低，特別適合中 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

系統(tǒng)方案設(shè)計

小功率快速、高精度控制系統(tǒng)使用。由于此舵機(jī)是針對中小型，轉(zhuǎn)舵力矩在

400KN.m以下的船舶，所以適合采用閥控系統(tǒng)。

液壓閥，按大類可分為電液控制閥和普通電磁閥。電液控制閥是液壓技術(shù)與

電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。由其代替普通電磁閥，可簡化液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)液壓 與電氣控制系統(tǒng)的集合能力，提高可控性。按照使用的閥不同，可分為伺服控制 系統(tǒng)（控制元件為伺服閥）、比例控制系統(tǒng)（控制元件為比例閥）和數(shù)字控制系統(tǒng)（控制元件為數(shù)字閥）。電液控制閥是電液控制系統(tǒng)的心臟，其既是系統(tǒng)中電氣控 制部分與液壓執(zhí)行部分間的接口，又是實現(xiàn)用小功率信號控制大功率的放大元件，其性能直接影響甚至決定著整個系統(tǒng)的特性。

上述三種不同的電液控制閥的性能比較如表2.1所列。

表2.1 電液控制閥的性能比較

Table2.1 Performance of electro-hydraulic control valve

項目 電液伺服閥 電液比例閥 電液數(shù)字閥

功能 壓力、流量、方向及其

混合控制

壓力、流量、方向及其

混合控制

壓力、流量、方向及

其混合控制

電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換 力或力矩馬達(dá)，功耗小比例電磁鐵，功耗中 步進(jìn)電機(jī)、高速開關(guān)

過濾精度 1~5 滯環(huán)/% 約1 3 0.1<

動態(tài)響應(yīng) 高（100～500HZ）中（頻寬10～150HZ）較低

中位死區(qū) 無 不大于20% 有

控制放大器及計

算機(jī)接口

價格因子 3 1 1

應(yīng)用領(lǐng)域 多應(yīng)用于閉環(huán)控制 多用于開環(huán)控制，也用

于閉環(huán)控制

既可開環(huán)控制，也可

閉環(huán)控制

伺服放大器需專門設(shè) 計，需要數(shù)模轉(zhuǎn)換

比例放大器一般與閥配 套供應(yīng)，需要數(shù)模轉(zhuǎn)換

可直接與計算機(jī)接口 連接，無需數(shù)模轉(zhuǎn)換

μ m約

μ m無特殊要求

由表2.1可看出伺服閥具有死區(qū)小，靈敏度高，動態(tài)響應(yīng)速度快，控制精度高

等優(yōu)點；但由于其結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致中位泄漏量大，閥的負(fù)載剛性差，抗污染能力差，且其價格相對較高。電液比例控制閥是介于普通液壓閥和電液伺服閥之間的一種 液壓控制閥，與手動調(diào)節(jié)和通斷控制的普通電磁閥相比，它能顯著的簡化液壓系 統(tǒng)，實現(xiàn)復(fù)雜程序和運(yùn)動的控制，通過電信號實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，大大提高液壓系 統(tǒng)的控制水平；與伺服閥及電液數(shù)字閥相比盡管其動態(tài)、靜態(tài)性能有些遜色，但 在結(jié)構(gòu)與成本上具有明顯優(yōu)勢，且目前在市場上數(shù)字閥產(chǎn)品較少見。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

系統(tǒng)方案設(shè)計

比例閥相對于現(xiàn)在船舶上用的較多的普通電磁換向閥的優(yōu)勢主要有：1.定位精

度高，可以以較小的舵角保持航向。這意味著速度損失小，相應(yīng)地節(jié)省了能源。

2.換向平穩(wěn)，舵機(jī)避免了壓力沖擊。這意味著裝置磨損小，減小了維修保養(yǎng)費(fèi)用。3.快速地?fù)Q裝專用閥塊，使舵機(jī)裝置現(xiàn)代化。提高了舊船的經(jīng)濟(jì)性能。綜合上述對

比分析，結(jié)合本課題的研究特點選用比例換向閥作為本系統(tǒng)的主控閥。

比例方向控制閥一般要求進(jìn)油與回油壓降相等，如果壓降不等，則液壓缸進(jìn)

退過程的速度剛性不同，而且在閥換向瞬間會產(chǎn)生較大的換向沖擊；如果采用非 對稱缸和閥開口非對稱的比例閥，由于舵工作的不同階段所需流量差別較大，所 需最大驅(qū)動功率就較大，電機(jī)及泵的體積、重量都大增，功率損耗也隨之增大； 為使舵機(jī)的體積質(zhì)量更小，功率損失更低，建議首先考慮雙活塞桿液壓缸。

根據(jù)船舶對舵機(jī)的要求及系統(tǒng)實際需要，設(shè)計了作動器驅(qū)動液壓回路如圖2.8

所示。此液壓回路中，泵2供油，單向閥7防止油液倒灌，電磁溢流閥4調(diào)定油 液工作壓力并在系統(tǒng)無控制信號輸出時使泵卸載，壓力表開關(guān)5保護(hù)壓力表，壓 力表6顯示液壓系統(tǒng)壓力，精過濾器8保護(hù)比例方向閥，比例方向閥9控制液壓 缸運(yùn)動方向及運(yùn)動速度，液壓鎖10防止舵在受到意外沖擊時損壞比例閥，并可短 暫隔離左側(cè)回路與右側(cè)回路油路，在油路發(fā)生故障時截止閥11屏蔽損壞回路，液 壓缸12用于驅(qū)動螺旋作動器軸上下移動，雙向溢流閥13防止作動器受意外負(fù)載 時損壞，減壓閥15使油壓符合比例先導(dǎo)閥的供油要求。左側(cè)備用回路與右側(cè)回路 功能與結(jié)構(gòu)都相同。

其回路工作原理為（以右側(cè)回路為例）：操舵員啟動舵機(jī)，液壓泵2開始供油

（油液經(jīng)電磁溢流閥4流回油箱），當(dāng)操舵員向左轉(zhuǎn)動操舵輪，電磁溢流閥4的電 磁鐵得電，比例換向閥9輸入電流使閥切換至左位，先導(dǎo)閥控制控制主閥芯打開，壓力油分成兩路，一路經(jīng)減壓閥用于比例閥的先導(dǎo)控制，另一路經(jīng)比例方向閥

9、液壓鎖

10、截止閥

11、進(jìn)入液壓缸12上腔，活塞桿驅(qū)動螺旋作動器運(yùn)動，舵運(yùn) 動到預(yù)定位置時比例閥控制信號為零，閥芯回到中位，舵被鎖住，電磁溢流閥4 的電磁鐵失電，泵2的壓力油經(jīng)溢流閥流回油箱卸荷；當(dāng)要回舵或向相反方向操 舵時，比例方向閥9根據(jù)輸入的信號換至右位，液壓泵2的壓力油經(jīng)比例方向閥

9、液壓鎖

10、截止閥

11、進(jìn)入液壓缸12的下腔，使舵葉向相反方向轉(zhuǎn)動。在回舵 時如果水動力及節(jié)流閥開口較大，回舵速度所需流量超過泵的排量時，則液壓鎖

10右側(cè)的壓力降低，液壓鎖關(guān)閉鎖舵，直到油壓升高到開啟壓力，這樣會造成比

較大的沖擊，所以回舵時操舵速度不宜太快。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

系統(tǒng)方案設(shè)計 6

M

M 1

圖2.8 液壓系統(tǒng)原理圖

Fig.2.8 Schematic diagram of hydraulic system

2.3 控制系統(tǒng)方案

2.3.1 控制系統(tǒng)的基本特點

目前，在自動控制系統(tǒng)中，最常用的以下幾種控制系統(tǒng)： PLC控制系統(tǒng)、DCS 控制系統(tǒng)、FCS控制系統(tǒng)及計算機(jī)與單片機(jī)控制系統(tǒng)。它們各自的基本特點如下：

① PLC控制系統(tǒng)。PLC即可編程控制器，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，為在工業(yè)環(huán)境下使用而設(shè)計的。其控制原理如圖2.9所示

圖2.9 PLC 控制系統(tǒng)示意圖

Fig2.9 Schematic diagram of PLC control system 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

系統(tǒng)方案設(shè)計

PLC控制系統(tǒng)具有如下的特點：

1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由

于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)抗 干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。

2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)。PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功 能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC、過 程控制等各種工業(yè)控制中。

3）系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護(hù)方便，改造容易。PLC用存儲邏輯代替

接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為 縮短，同時維護(hù)也變得容易起來。

4）體積小，重量輕，能耗低。以超小型PLC為例，新出產(chǎn)的品種底部尺寸小

于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實 現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。

5）由于PLC本身定位于邏輯控制，所以還不是很擅長處理模擬量；通信能力

也較弱，多用于集中控制系統(tǒng)。要組成復(fù)雜大型控制系統(tǒng)需與其他控制方式結(jié)合。

② DCS控制系統(tǒng)，又稱為集中分散型控制系統(tǒng)。是集計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。具有控制功能強(qiáng)、操作簡便和 可靠性高等特點，可以方便地用于工業(yè)裝置的生產(chǎn)控制和經(jīng)營管理，是針對生產(chǎn) 過程實施監(jiān)視、操作、管理和分散控制的4C技術(shù)的結(jié)合。在化工、電力、冶金等 流程自動化領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分普及。

圖2.10 DCS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

Fig.2.10 Architecture of DCS system 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

系統(tǒng)方案設(shè)計

DCS控制系統(tǒng)特點：

1）DCS是計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度結(jié)合的產(chǎn)物。從結(jié)構(gòu)上劃分

DCS包括過程級、操作級和管理級，適合復(fù)雜系統(tǒng)。過程級主要由過程控制站、I/O單元和現(xiàn)場儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實施部分。

2）DCS采用樹狀拓?fù)浜筒⑿羞B續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu)，有大量電纜從中繼站并行到現(xiàn)

場儀器儀表。每臺儀表都需一對線接到I/O，由控制站掛到局域網(wǎng)LAN，組網(wǎng)成本 較高。

3）DCS互操作性差。盡管DCS的模擬儀表統(tǒng)一了4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，可

大部分技術(shù)參數(shù)仍由制造商自定，致使不同品牌的儀表無法互換。因此導(dǎo)致用戶 依賴制造廠，無法使用性價比最優(yōu)的配套儀器。

③ FCS控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線是綜合運(yùn)用微處理器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù) 和自動控制技術(shù)的產(chǎn)物。它把微處理器置入現(xiàn)場自控設(shè)備，使設(shè)備具有數(shù)字計算 和數(shù)字通信能力，一方面提高了信號的測量、控制和傳輸精度，同時為豐富控制 信息內(nèi)容、實現(xiàn)其遠(yuǎn)程傳送創(chuàng)造了條件。在現(xiàn)場總線環(huán)境下，借助現(xiàn)場總線網(wǎng)段 以及與之有通信連接的其他網(wǎng)段，實現(xiàn)異地遠(yuǎn)程自動控制。現(xiàn)場總線設(shè)備與傳統(tǒng) 自控設(shè)備相比，拓寬了信息內(nèi)容，提供了傳統(tǒng)儀表所不能提供的如閥門的開關(guān)次 數(shù)、故障診斷等信息，便于操作管理人員更好、更深入地了解現(xiàn)場及自控設(shè)備的 運(yùn)行情況。

如圖2.11所示，對比集中控制、集散控制、現(xiàn)場總線控制的結(jié)構(gòu)示意圖可以 看到，由于現(xiàn)場總線強(qiáng)調(diào)遵循公開統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因而有條件實現(xiàn)設(shè)備的互操 作性和互換性[29,30]。而目前要在設(shè)備層特別是現(xiàn)場裝置一級上實現(xiàn)通信、信息控制 比較困難，因為在傳統(tǒng)的概念中這一層次上的設(shè)備或元器件如傳感器、變送器、儀表等是沒有通信功能的，所以要用智能控制器（如PLC）先將部分器件連接，再通過總線傳送信號。

圖2.11 集中控制、集散控制、現(xiàn)場總線控制結(jié)構(gòu)示意圖

（a）集中控制

（b）集散控制

（c）現(xiàn)場總線控制

Fig2.11 Structure diagram of fieldbus control system 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

系統(tǒng)方案設(shè)計

FCS控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)相比具有以下特點：

1）總線式結(jié)構(gòu)。一對傳輸線掛接多臺現(xiàn)場設(shè)備，雙向傳輸多個數(shù)字信號。這

種結(jié)構(gòu)與一對一單向模擬信號傳輸結(jié)構(gòu)相比，布線簡單，安裝費(fèi)用低，維護(hù)簡便。

2）開放性、互操作性與互換性?，F(xiàn)場總線采用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，是開放式的

互聯(lián)網(wǎng)，對用戶是透明的。在傳統(tǒng)的DCS中不同廠家的設(shè)備是不能相互訪問的。而FCS采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可以方便地接入同一網(wǎng)絡(luò)，在同一 控制系統(tǒng)中進(jìn)行互操作，互操作意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相 互替換，因此簡化了系統(tǒng)集成。

3）徹底的分散控制：現(xiàn)場總線將控制功能下放到作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的現(xiàn)場智能儀

表和設(shè)備中，做到徹底的分散控制，提高了系統(tǒng)的靈活性、自治性和安全可靠性，減輕了分布式控制中控制器的計算負(fù)擔(dān)。

4）信息綜合、組態(tài)靈活：通過數(shù)字化傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)，F(xiàn)CS能獲取現(xiàn)場智能設(shè)

備的各種狀態(tài)、診斷信息，實現(xiàn)實時的系統(tǒng)監(jiān)控和管理以及故障診斷。

5）多種傳輸介質(zhì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：FCS由于采用數(shù)字通信方式，因此可用多種傳

輸介質(zhì)進(jìn)行通信。根據(jù)控制系統(tǒng)中節(jié)點的空間分布情況，可應(yīng)用多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)。這種傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多樣性給自動化系統(tǒng)的施工帶來了極大的方 便，據(jù)統(tǒng)計，F(xiàn)CS與DCS的主從結(jié)構(gòu)性比，只計算布線工程這一項即可節(jié)省40% 的安裝經(jīng)費(fèi)。

④ 計算機(jī)與單片機(jī)控制系統(tǒng)

計算機(jī)控制以其強(qiáng)大的計算性能見長，但其插板品種規(guī)格不多、不便配置，且其體積較大不便在現(xiàn)場安放。當(dāng)控制系統(tǒng)不大時，其功能過剩，價格太高，所 以一般作為其他控制系統(tǒng)的上位機(jī)使用。

單片機(jī)價格低廉，功能強(qiáng)大，獲得了廣泛的應(yīng)用。但單片機(jī)可靠性不高，系

統(tǒng)構(gòu)建麻煩，且系統(tǒng)搭建后普通人員維護(hù)困難，遠(yuǎn)不如使用PLC可靠、方便，所 以一般不是大批量的應(yīng)用，很少使用單片機(jī)。

2.3.2 控制系統(tǒng)方案

舵機(jī)作為船舶的一個核心設(shè)備，控制著船舶的航向，船舶航行時就要一直保持

工作，所以其工作時間很長，同時船舶是集成化程度較高的產(chǎn)品，其它干擾源較 多，工作環(huán)境比較惡劣，這就要求舵機(jī)控制器可靠性要高。由于操作室與舵機(jī)安 裝倉間距比較大，大型船舶控制線路可達(dá)幾百米，這就要求舵機(jī)控制及反饋信號 的傳輸要及時、可靠。在船舶轉(zhuǎn)向時又要求：轉(zhuǎn)舵平穩(wěn)，轉(zhuǎn)舵速度快，舵角定位 精度好。綜合以上要求，舵機(jī)控制器需要具備以下特點：

① 可靠性。少出故障，出現(xiàn)故障后有備用措施。

② 穩(wěn)定性。控制性能穩(wěn)定，不出現(xiàn)顫動和震蕩。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

系統(tǒng)方案設(shè)計

③ 適時性。檢測和輸出速度及對被控對象的變化跟蹤要及時。

④ 先進(jìn)性。具備較高控制水平且便于系統(tǒng)升級。

⑤ 操作維修方便，便于檢查問題和處理故障。

通過以上對PLC控制、DCS控制、FCS控制及計算機(jī)與單片機(jī)控制的比較，根據(jù)舵機(jī)控制器的設(shè)計要求，考慮系統(tǒng)的安全性、實時性要求，本舵機(jī)系統(tǒng)采用

PLC加現(xiàn)場總線的控制方式。由于本系統(tǒng)控制節(jié)點很少，用總線組成控制網(wǎng)絡(luò)，主要考慮兩點：1.信號傳輸可靠性與及時性，2.為了以后系統(tǒng)的擴(kuò)展方便或能 更好的與船舶整個控制系統(tǒng)對接。

CAN總線是專為移動設(shè)備而開發(fā)的現(xiàn)場總線，在汽車中的應(yīng)用已比較成熟，其傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和及時性，經(jīng)過了實踐的考驗。參照對比船舶與汽車，具有 很多的相似之處，國外已有船舶生產(chǎn)公司將CAN總線成功應(yīng)用于船舶的控制系統(tǒng)。而且隨著CAN的發(fā)展，出現(xiàn)了像CANopen、DveviceNet之類應(yīng)用較廣并獲得眾 多廠家支持的高層協(xié)議，這些高層協(xié)議規(guī)范了設(shè)備生產(chǎn)廠家的設(shè)備生產(chǎn)，使設(shè)備 的互換性大大加強(qiáng)。綜合考慮，本系統(tǒng)采用基于CAN總線的控制方案。

2.4 本章小結(jié)

本章分析了舵的幾種轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)，根據(jù)船舶對舵機(jī)的要求，提出采用重慶大學(xué)機(jī)

械傳動國家重點實驗室梁錫昌等老師發(fā)明的滾珠逆螺旋機(jī)構(gòu)作為新型舵機(jī)運(yùn)動轉(zhuǎn) 換機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)組成的轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)可以有效減小舵機(jī)體積，減輕舵機(jī)重量，提高傳 動效率，采用液壓缸驅(qū)動，可避免現(xiàn)有舵機(jī)存在的問題。從滾珠逆螺旋機(jī)構(gòu)的特 點及舵機(jī)實際需要出發(fā)，分析設(shè)計了液壓傳動原理圖，確定了電氣控制方案。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

舵機(jī)系統(tǒng)建模 舵機(jī)系統(tǒng)建模

舵機(jī)角度調(diào)整是依靠液壓驅(qū)動螺旋作動器，作動器帶動舵葉轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的，液

壓系統(tǒng)的性能及所能達(dá)到的精度對舵機(jī)的性能與舵角精度影響很大。為了對系統(tǒng) 性能進(jìn)行定量分析，了解系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，是否需要采取合適的控制方法提高控 制性能，必須對液壓系統(tǒng)及舵機(jī)其它組成環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的建模分析。由于液壓本 身的屬性，如油液粘度、液壓阻尼系數(shù)，本身存在不確定性；而且系統(tǒng)在工作時 油液中或多或少會混入空氣，致使彈性模量改變等等因素；都導(dǎo)致液壓系統(tǒng)表現(xiàn) 出來的并非是一個嚴(yán)格意義上的線性系統(tǒng)。為方便分析，根據(jù)實際情況對液壓部 分做如下簡化處理：油泵出口流量恒定，且當(dāng)溢流閥調(diào)定壓力后，出口壓力保持 不變。假定油液中并未混入其它雜質(zhì)包括空氣在內(nèi)，即油液彈性模量恒定。

根據(jù)第二章的液壓原理圖可知，系統(tǒng)的主要組成部分是比例閥，液壓缸及負(fù)

載部分，電氣控制模塊。根據(jù)舵機(jī)系統(tǒng)實際情況，建立了舵機(jī)系統(tǒng)簡化原理圖如 圖3.1所示

A/D

給定 信號

反饋 信號

控制器 信號處理

M F

放大 器

D/A

圖3.1 舵機(jī)系統(tǒng)簡化原理圖

Fig.3.1 Simplified schematic diagram of steering gear system

3.1 比例閥模型

舵機(jī)角度的調(diào)整，是通過調(diào)節(jié)比例閥的開口，從而控制油液流量來實現(xiàn)的，比例閥作為此系統(tǒng)最重要的元件之一，其性能對系統(tǒng)的影響非常大。其由比例電 磁鐵、先導(dǎo)閥、功率閥芯組成。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

舵機(jī)系統(tǒng)建模

3.1.1 比例電磁鐵[31]

作為電液比例控制閥的電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器件的比例電磁鐵，其功能是將比例控

制放大器輸出的電信號轉(zhuǎn)換為位移或力。由于比例換向閥的比例電磁鐵是成對稱 式分布的，取其一邊分析，比例電磁鐵數(shù)學(xué)模型如下：

① 線圈回路電壓方程

比例電磁鐵線圈上的電壓方程為：

dit()

ututRritL()()()()

?=++ 0 bcpc

（3.1）

dt

ut —放大器輸出電壓，V； cL—式中 0()單個線圈電感，H ；

but

()—單個線圈上產(chǎn)生的反電動勢，V；

由電磁感應(yīng)理論可得：

dxt()e

utK()

=

（3.2）

bb

dt

—

—銜鐵位移，m；

bK 反電動勢系數(shù)，V.m/s；()ext

cR

—單個線圈電阻，Ω； pr— 放大器內(nèi)阻，Ω；

it()

—通過線圈的電流，A。

比例放大器通過取樣電阻0 R，將流過線圈的電流()i t 轉(zhuǎn)換形成電壓信號后，反 饋到比例放大器的功率級輸入端，從而形成深度電流負(fù)反饋。取樣電阻環(huán)節(jié)可視 為比例環(huán)節(jié)，即：

iffiutKit

()()=

（3.3）

式中

fiK

—電流負(fù)反饋系數(shù)；()ifut

—反饋電壓，V。

由于采用了深度負(fù)反饋的恒流源作為比例放大器的功率輸出級，所以放大器

ut 與給定電壓()gut 具有良好的線性關(guān)系。放大器一般頻寬很高，故可 輸出電壓0()視為比例環(huán)節(jié)，即：

0()[()()]

=? egifutKutut

（3.4）

式中

eK

—比例放大器的電壓放大系數(shù)；()gut —給定電壓，V。

② 銜鐵輸出推力方程

比例電磁鐵屬于勵磁式電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器件，比例放大器的控制電流在線圈中

將產(chǎn)生磁通φ。經(jīng)過比例電磁鐵特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，該磁通被隔離成兩路1φ和2φ。銜 鐵在磁場中受到的電磁力為：

2()[()]2

=

（3.5）

egftitNRl

式中()eft —電流在電磁鐵上產(chǎn)生的電磁吸力，N； N —線圈匝數(shù)；

gR

—氣隙磁阻，0 gRlA μ=；

l —氣隙長度，m；0()= ?。

eelxxt

0 ex —氣隙的初始長度，m；0μ—真空磁導(dǎo)率，Hm/

；70410μπ?=×

A —氣隙部位垂直于磁力線的面積，m2。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

舵機(jī)系統(tǒng)建模

對式（3.5）進(jìn)行線性化處理可得：

eixeeftKitKxt

()()()

（3.6）

=+ 式中

iK

—比例電磁鐵電流—力增益，N/A；2()=

igKNitRl

? ft()

e —xeK 比例電磁鐵電磁彈簧剛度，也稱為位移—力增益，K xe =

? xt()e

xeK 由于比例電磁鐵具有水平的位移—力特性，故0 ③ 銜鐵力平衡方程

≈。

此比例閥銜鐵用于帶動先導(dǎo)閥工作，需克服的負(fù)載包括銜鐵以及所驅(qū)動部件 的慣性力、阻尼力、彈簧力、穩(wěn)態(tài)液動力和干擾力。銜鐵上的力平衡方程為：

dxtdxt()()

ee

ftmBKxtft()()()

（3.7）

=+++ eeeeteeL

dtdt

式中

阻尼系數(shù)；

em

—銜鐵以及它所驅(qū)動的部件質(zhì)量； eB— 比例電磁鐵支撐及負(fù)載的粘性

etK

—比例電磁鐵的總彈簧剛度，包括作用于銜鐵的彈簧剛度及穩(wěn)態(tài)液

eLft 動力剛度，N/m；()

—銜鐵工作時需要克服的負(fù)載力。

對式（3.1）、（3.2）、（3.3）、（3.4）、（3.5）、（3.6）、（3.7）在初始條件為零的條

件下進(jìn)行拉氏變化可得：

egfibecpcKusKisKxssRrisLiss eixeefsKisKxs

[()()]()()()()??=++

（3.8）

()()()

（3.9）

=+

2()()()()()

=+++

（3.10）

ieeeeeteeLKismxssBxssKxsfs由式（3.8）、（3.9）和（3.10）可繪制出比例電磁鐵的傳遞函數(shù)方框圖，如圖

3.2所示

fiusfiK

()

eLfs

()++ eeetmsBsK

exs gus()

us 0()

Δus()

()

++()

ccpLsRr

is()

iKeK

efs

()

Δ efs()

()

bus

bKs

圖3.2 比例電磁鐵的傳遞函數(shù)方框圖

Fig.3.2 Transfer function block diagram of proportional solenoid

④ 線圈回路傳遞函數(shù)及深度電流負(fù)反饋的作用

在圖3.2所示的傳遞函數(shù)方框圖中，當(dāng)未加電流負(fù)反饋時，反應(yīng)線圈回路動態(tài)

特性的傳遞函數(shù)： 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

舵機(jī)系統(tǒng)建模

Ws '()=== m

ΔusLsRrs+++()()'ccpm

ω =+為控制線圈的轉(zhuǎn)折頻率

式中 '()mcpcRrL

1()()1Rris+

cp

ω

（3.11）

加入深度電流負(fù)反饋后，將反饋點向右移動一個環(huán)節(jié)，如圖3.3所示。則線圈

回路動態(tài)特性的傳遞函數(shù)為：

Ws()== m

Δuss+()1

1()()RrKKis ++

cpfie

ω m

（3.12）

式中()=++ω為控制線圈的當(dāng)量轉(zhuǎn)折頻率。

mcpfiecRrKKL

mWsgus

()

++()ccpLsRr

bKs

eLfs

()

eWs()

us 0()

Δus()

()

is()

iKeK

()efs

Δ efs()

()

exs++ eeetmsBsK

()

bus

fiKeK

圖3.3 比例電磁鐵的傳遞函數(shù)等效方框圖

Fig.3.3 Equivalent transfer function block of proportional solenoid

比例放大器在采用電流負(fù)反饋后，比例電磁鐵線圈的轉(zhuǎn)折頻率

ω明顯增大，e

這有利于消除線圈電感對比例電磁鐵頻寬的影響。

⑤ 銜鐵彈簧組件的傳遞函數(shù)

xsK()11

eet

Ws()

=== e

Δ++++

ωω ee

δ—銜鐵-彈簧組件的阻尼比；

δ=

e e

根據(jù)圖3.2，可求得銜鐵的輸出位移為

sfsmsBsK2()δ eeeeet

（3.13）

ω=

式中

ω—e 銜鐵-彈簧組件的諧振頻率； eeteKm

BeKm ete

xs()=

e

KusKsfs()(1)(1)()?+

eegetmeL

ω 2δ

eb

ss

Kss K ω

=3

(1)(1)++++

ωωω meee

KusKsfs()(1)(1)()?+

eegetmeL

meememee

++()1

ωωωωωωω

式中

K ee =

KK ei

KRrKK()++

etcpfie

2211δδ

eeb

ss ++++（）

Ks K

（3.14）

為靜態(tài)增益常數(shù)，m/V。

將式（3.14）特征方程中 s 的三階方程分解成含有 s 的一階和二階的因式： 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

舵機(jī)系統(tǒng)建模

xs()=

e

KusKsfs()(1)(1)()?+

eegetmeL

sss

(1)(1)+++

ωωω r 2

00

ω 2δ

0

（3.15）

式中

ω—

r 主要由電氣轉(zhuǎn)折頻率 ω引起的轉(zhuǎn)折頻率；m

0ω—主要由彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)的諧振頻率 ω引起的二階環(huán)節(jié)的固有頻率；

e

0δ—二階環(huán)節(jié)的綜合阻尼系數(shù)。

由于先導(dǎo)閥的外負(fù)載力幾乎為零，故略去負(fù)載力的輸入，則比例電磁鐵以電 壓作為輸入的傳遞函數(shù)為：

xsK()eee

g

=

ωωω r

ssuss

+++ 2 00

δ 0 2()(1)(1)

（3.16）

3.1.2 功率級滑閥

可將兩級電液比例閥看作一個閥控缸系統(tǒng)，主閥芯相當(dāng)于活塞。則：

經(jīng)線性化處理，先導(dǎo)閥的流量方程：

=?

（3.17）

vLeqeecvLQKxKP主閥的連續(xù)性方程：

QCP=++ AxP vLvtpvLvpvvL

（3.18）主閥芯上力平衡方程：

vkvpvLvtvvtvvtvvFAPmxBxKxFt

Vvtβ e

==+++

()3.19）

（ecK 式中

eqK

—先導(dǎo)閥的流量增益系數(shù)； —主閥總泄漏系數(shù)；

vpA

—先導(dǎo)閥的流量-壓力系數(shù)；

vtpC vtV

—主閥芯有效作用面積；

—主閥芯兩端液體在壓縮下總體積；

—主閥芯及一起被推動的液壓油的總質(zhì)量；

—總彈簧剛度（包括作用于閥芯的彈簧剛度及穩(wěn)態(tài)液動力剛度）； —粘性阻尼及瞬態(tài)液動力阻尼系數(shù)；

vtm vtB

vtK vFt

()—作用在主閥芯上的外負(fù)載力。

對（3.17）、（3.18）、（3.19）進(jìn)行拉氏變換得：

()()()

（3.20）

=?vLeqvecvLQsKxsKPs

Vvt

()()()()QsCPsAsxssPs =++

（3.21）

vLvtpvLvpvvL β e

2()()()()()=+++

（3.22）

vpvLvtvvtvvtvvAPsmsxsBsxsKxsFs整理可得主閥芯位移為： 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

舵機(jī)系統(tǒng)建模

xs()

= v

vpeqevcevL

()()? +

VVVKmsKmBsKBAsKK vtvtvtvt 322

++++++()()

vtvcevtvtvcevtvpvcevt 444βββ

eee

vcevcvtpKKC

VAKxsKsF vt 4 β e

（3.23）

式中

=+為總流量-壓力系數(shù)。

β evpA

mV vtvt

令 ω=，vh

KmBV β vceevtvtvt

ξ vh =+。忽略作用于閥芯上的液

AVAm 4 β vpvtvpevt

vtB 流力，且由于阻尼系數(shù) 一般很小，由粘性摩擦力引起的泄漏流量所產(chǎn)生的活塞

KB vcevt Avp

。式（3.23）經(jīng)簡化可得主閥芯 移動速度比活塞的運(yùn)動速度小得多，即21

位移對先導(dǎo)閥閥芯開口的傳遞函數(shù)：

KAxs pv()eqv =

2ξ

vhVKKKsxs()(1)

vtvtvcevte ++++ ss

222

ωβω 4 AA vhv evpvhp

（3.24）

3.2 閥控液壓缸模型

由于閥控缸系統(tǒng)與兩級比例換向閥的結(jié)構(gòu)相似，分析過程基本上相同，所以

根據(jù)上式可直接寫出活塞桿位移為：

AKxsKsF()()? + ppvqvpcepL

xs()=

p VVVK ptptptpt 322

msKmBsKBAsKK++++++()()

ptpceptptpceptpppcept 444βββ

eee

ppA vxs

V pt 4β

e

（3.25）

式中：

—活塞有效作用面積；

pceK

vqK

—主閥的流量增益系數(shù)；

()—主閥芯位移；

—主閥總流量壓力系數(shù)；

ptV

—活塞腔液體在壓縮下總體積；

—作用在活塞桿上的任意負(fù)載力；

—活塞及負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量；

ptK

pLF

ptm ptB

—粘性阻尼系數(shù)； —負(fù)載的彈簧剛度。

ptK 閥-缸組合只是一個為作動器輸出功率的元件，沒有彈簧負(fù)載，所以0

BK ptpce 同時考慮到21 <<[32]。式（3.25）簡化得：

App

KKV vqpcept

xssF()()? + vpL

AAA ppppepp

=，xs()= p

4β

ph sss 2ξ

(1)2 ++ ωω ph ph

（3.26）

活塞位移對功率級閥芯開口的傳遞函數(shù)為： 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

舵機(jī)系統(tǒng)建模

xsKA()

ppp

=()(21)v

vq

sxsss ξ ph

++ 2 ωω p hh p

（3.27）

活塞位移對外負(fù)載力的傳遞函數(shù)為：

KV pcept

+ s 22

xsAA()4 β p pppep

=?

（3.28）2ξ

ph sFss pL

(1)2 ++ ωω php h β eppA

式中

ω=

ph為活塞負(fù)載系統(tǒng)的固有頻率；

mV ptpt

KmBV β pceeptptpt ξ ph =+為相對阻尼系數(shù)。

AVAm 4 β ppptppept

3.3 放大器及傳感反饋模型

活塞位移經(jīng)螺旋作動器轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)角

θ=

zpKx

（3.29）

= 在此系統(tǒng)中經(jīng)計算得2.75zK

轉(zhuǎn)角反饋傳感器，在整個回路中相當(dāng)于比例環(huán)節(jié)，其放大系數(shù)為

paK。

由式（3.16）、（3.24）、（3.27）、（3.28）（3.29）可畫出船舶舵機(jī)的方塊圖，如

圖3.4所示。

pLF

KVs

pcept

AA 22()4ppepp β?+ sss(1)22 Δ u

2002(1)(1)ωωωr +++

sss

K ee

δ

ex

ξ vh

2222(1)42 ωωβ vhv ++++h

3KA

eqvp

VKKKsss vtvtv AAevpvp

cevt

K vq vxpxu

A pp

ωω++phph

ξ ph

zK

θ

paK

圖3.4 舵機(jī)傳遞函數(shù)方框圖

Fig.3.4 Transfer function block diagram of steering gear

由圖3.4可見，舵機(jī)方塊圖中只含一個反饋回路，即舵葉轉(zhuǎn)角反饋。由于比例

閥一般采用電流負(fù)反饋的放大器，所以其控制線圈回路的轉(zhuǎn)折頻率 ω很高。同時 r 由于油液的彈性模量很大，功率級滑閥的固有頻率遠(yuǎn)大于先導(dǎo)級的銜鐵-彈簧組件 諧振頻率，故功率級滑閥相對于先導(dǎo)級閥的動態(tài)特性可以忽略。功率級閥彈簧剛 度相對于液壓彈簧剛度可以忽略。所以可將舵機(jī)方塊圖簡化為如圖3.5所示。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

舵機(jī)系統(tǒng)建模

pLF

KVs pcept

AA 22()4 β?+ ppepp ξ ph sss 2(1)2 ωω++ phph

比例放大器及比例閥

+-Δ u

δ

21200 ωω++ ss

eeK

ex

KA eqvp KKs

+ vcevt 2

Avp

K vxpxu vq

A pp

+-

zK

θ

paK

圖3.5 舵機(jī)簡化傳遞函數(shù)框圖

Fig.3.5 Simplified transfer function block diagram of steering gear

由圖3.5可得舵機(jī)輸出對輸入的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

KKKKAA eeeqvqzvppp

GS()

= 2ξ

ph KKss 2δ

0 vcevt

ssss()(11)+++++)(22 Avp ωω ωω

0 0 phph

（3.30）

3.4 相關(guān)參數(shù)及系統(tǒng)穩(wěn)定性

控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差有兩類，即給定誤差和擾動誤差。對于隨動系統(tǒng)，給定 的參考輸入是變化的，要求響應(yīng)以一定的精度跟隨給定的變化而變化，其響應(yīng)的 期望值就是給定的參考輸入。所以，應(yīng)以系統(tǒng)的給定誤差去衡量隨動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)

t 性能。假設(shè)操作人員在操舵時是勻速轉(zhuǎn)動舵輪的，則輸入為斜坡函數(shù)θω =。其穩(wěn)

態(tài)誤差終值：

srsrtseetsRsGs →∞→==+=

lim()lim()

0

ω KKA vcevtvp KKKKA eeeqvqzpp

1()

0.015ω≈

（3.31）

由式3.31可知，穩(wěn)態(tài)誤差與轉(zhuǎn)舵的速度有關(guān)，轉(zhuǎn)舵速度越快其穩(wěn)態(tài)誤差越大，π

rads 轉(zhuǎn)舵速度越慢，穩(wěn)態(tài)誤差越小。當(dāng)/ω =，即每秒轉(zhuǎn)60度時，穩(wěn)態(tài)誤差為 3

0.0157 sre =。相對于舵角精度小于0.5度，其穩(wěn)態(tài)誤差量可以忽略不計，所以此系

統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差完全滿足要求。

影響系統(tǒng)動態(tài)性能的主要是比例閥和液壓缸的頻率0ω和ω。ph 0δ為比例閥的阻 尼比，其值變化較大，根據(jù)前人經(jīng)驗一般取0.4～0.6； ξ為液壓缸阻尼比，根據(jù) ph 經(jīng)驗，空載時為0.1～0.2，當(dāng)負(fù)載增加時 ξ值也略有增加。

ph

液壓缸、比例閥及其放大器等相關(guān)參數(shù)見表3.1 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

舵機(jī)系統(tǒng)建模

表3.1 系統(tǒng)參數(shù)

Table 3.1 System parameters

名

稱 數(shù)

值 備

注

活塞直徑

D

0.4 m

活塞桿直徑 d

0.18

m

油缸 有效作用面積 ppA

0.12 m

油腔溶劑系數(shù)

eV

eppVAs=i

隨初始位移變化而變化

轉(zhuǎn)角傳感器

paK

固有頻率0ω 75/ rads

額定流量 SQ

160/min L

在壓降為1

額定電流

rI

0.8A

阻尼比0δ 0.5~0.7 此系統(tǒng)取0.6

比例額定壓差

NP

1aMP

閥 閥芯直徑1d

0.02m

流量系數(shù)

dC

0.6

流量增益系數(shù)

1()sqdppKCw?=i

qK

ρ

10.5[]ρ=()?

ii

cK

cdvsKCwxpp油液密度ρ 8503/

kgm

油液

油液粘度υ 3.92/

ekgsm?i

彈性模量 β 700e

～1400 aMP 取 1000

將表中數(shù)值帶入式（3-30），可得舵機(jī)閉環(huán)傳遞函數(shù)：

GS()

= 1.2110×

ssssss6544536278++×1681.39105.58107.6105.86101.2110 +×

+×+×+×

系統(tǒng)的特征方程為：

ssssss65445362781681.39105.58107.6105.86101.2110++× +×+×+×+×=0

將各系數(shù)排列成勞斯表，并計算出各個行列值[33]

s 6

41.3910×

67.610×

81.2110×

5s

168

55.5810×

75.8610×

0

4s

41.0610×

67.2510×

81.2110×

0

=?π

22()

ppADd 4

aMP

時

流量-壓力增益系數(shù)

aMP

隨負(fù)載變化而變化

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

舵機(jī)系統(tǒng)建模

3s

54.410×

75.6710×

0

2s

65.8610×

81.2110×

s

74.7610×

s 0

81.2110×

由于系統(tǒng)特征方程的各項值都為正數(shù)，且勞斯表第一列都為正號。根據(jù)勞斯-

赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)，該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

由Matlab可得閉環(huán)系統(tǒng)對階躍信號的響應(yīng)圖如圖3.6所示

圖3.6 閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)

Fig.3.6 Step response of closed-loop system

由圖3.6可知，舵機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)特性雖然無超調(diào)量無誤差，但反應(yīng)時間較長，在緩慢操舵時沒有問題，但在遇到特殊情況船舶較快轉(zhuǎn)向時舵機(jī)可能無法跟隨操 作命令作出迅速反應(yīng)。為了能達(dá)到較好的操舵性能必須對舵機(jī)系統(tǒng)加校正環(huán)節(jié)使 其達(dá)到更好的性能。

3.5 本章小結(jié)

根據(jù)第二章設(shè)計的液壓傳動系統(tǒng)，建立了比例閥、閥控缸，傳感器等環(huán)節(jié)的 數(shù)學(xué)模型，經(jīng)適當(dāng)處理得到了舵機(jī)系統(tǒng)模型。根據(jù)模型計算了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，分 析了系統(tǒng)穩(wěn)定性。由系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)圖可知，閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)較慢，不能滿足高性 能舵機(jī)的要求，為下一章系統(tǒng)校正裝置的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

控制算法及系統(tǒng)仿真 控制算法及系統(tǒng)仿真

在實際生產(chǎn)過程中許多被控對象隨負(fù)載變化或干擾因素影響，其對象特性或

結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，且實際應(yīng)用的大部分系統(tǒng)都存在非線性時變因素，這對于依賴控 制對象精確模型的控制策略具有很大的影響，其控制效果將大打折扣有時甚至不 起作用。因此，在實際生產(chǎn)過程中，大量采用的仍是PID算法。有人估計現(xiàn)在有 90%以上的閉環(huán)控制仍采用PID控制器。這是因為PID控制具有以下的優(yōu)點[34,35]：

① 不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型

自動控制理論中的分析和設(shè)計方法主要是建立在被控對象的線性定常數(shù)學(xué)模

型基礎(chǔ)上的。這種模型忽略了實際系統(tǒng)中的非線性和時變性，與實際的系統(tǒng)有較 大差距。對于許多實際控制對象，根本無法建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此自動控制 理論中的很多設(shè)計方法很難用于大多數(shù)控制系統(tǒng)。對于這一類系統(tǒng)，使用PID控 制可以得到比較滿意的效果。

② 結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)

PID控制器的結(jié)構(gòu)典型，計算工作量較小。需要整定的參數(shù)少，各參數(shù)有明確 的物理意義，參數(shù)調(diào)整方便，容易實現(xiàn)多回路控制、串級控制等復(fù)雜控制。

③ 有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性

根據(jù)被控對象的具體情況，可以采用PID控制器的多種變種和改進(jìn)的控制方

式，例如PI、PD、帶死區(qū)的PID、積分分離PID和智能PID等。

PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4.1所示。系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。

圖4.1 PID控制原理圖

Fig.4.1 Schematic diagram of PID control

PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值xin(t)與實際輸出值yout(t)構(gòu)成

控制偏差：

etxintyoutt()()()

（4.1）

=?PID的控制規(guī)律為： 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

控制算法及系統(tǒng)仿真

Tdet()1

utketetdt()(()())

=++p ∫

（4.2）

Tdt 0 I

tD

4.1 模糊自適應(yīng)PID控制[36～40]

雖然PID校正有很多優(yōu)點，但它存在參數(shù)修改不方便、不能進(jìn)行在線自動調(diào) 整等缺點。如果能夠?qū)崿F(xiàn)PID參數(shù)的自動調(diào)整，則PID控制器的適應(yīng)性將更好。目前，要實現(xiàn)PID參數(shù)自動調(diào)整，應(yīng)用較多的是采用被控對象在線辨識，然后根 據(jù)一定的控制要求，對PID控制器的參數(shù)進(jìn)行修改。但應(yīng)用辨識方法，必須建立 被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)被控對象存在結(jié)構(gòu)非線性、參數(shù)時變性或模型不確 定性時，辨識效果很難奏效，就不能體現(xiàn)出PID控制的優(yōu)勢。船舶工作環(huán)境惡劣，加上舵機(jī)液壓系統(tǒng)的不確定性因素以及微機(jī)控制和數(shù)字化等問題，普遍存在較大 程度的外負(fù)載干擾、參數(shù)變化以及非線性因數(shù)。這些不確定的非線性因數(shù)和參數(shù) 時變，使得舵機(jī)系統(tǒng)很難建立非常精確的數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)的控制策略很難滿足其 控制需要[35]。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工智能的方法將操作人員的實際操作經(jīng)

驗作為知識存入微機(jī)中，微機(jī)根據(jù)現(xiàn)場實際情況，自動計算調(diào)整PID參數(shù)，這樣 就形成了智能PID控制器。這種控制器把古典的PID控制與先進(jìn)的專家系統(tǒng)相結(jié) 合，實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。這種控制必須首先將操作人員(專家)長期實踐積累的經(jīng) 驗知識用控制規(guī)則模型化，然后運(yùn)用推理對PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整實現(xiàn)最佳控制。

由于操作者經(jīng)驗不容易精確描述，控制過程中各種信號量及評價指標(biāo)不好定

量表示，模糊理論是解決這一系列問題的有效途徑，所以人們應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的基 本理論和方法，把規(guī)則的條件及操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則及有 關(guān)信息作為知識存入微機(jī)知識庫中，然后微機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，應(yīng) 用模糊推理，即可自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊自適應(yīng)PID控制。目前模糊自適應(yīng)PID控制器有多種結(jié)構(gòu)形式，但其工作原理基本一致。

模糊自適應(yīng)PID控制器一般以誤差 e 和誤差變化 ec 作為二維模糊控制器的輸

入，可以滿足不同時刻的 e 和 ec 對PID參數(shù)調(diào)整的要求。利用模糊控制規(guī)則在線 對PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了模糊自適應(yīng)PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。

de dt

Δ

PK

Δ

IK

Δ

DK

圖4.2模糊自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)圖

Fig.4.2 Frame diagram of adaptive fuzzy PID control

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

控制算法及系統(tǒng)仿真

PID參數(shù)模糊自整定是找出PID三個參數(shù)的增量與 e 和 ec 之間的模糊關(guān)系，在

運(yùn)行中通過不斷檢測 e 和 ec，根據(jù)模糊控制原理來對三個參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿 足不同 e 和 ec 時對控制參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。

4.2 模糊控制器設(shè)計[41～43]

船舶舵機(jī)模糊控制系統(tǒng)，主要實現(xiàn)舵葉的角度調(diào)節(jié)，即轉(zhuǎn)角控制；其次滿足船 舶舵機(jī)工作過程中的各種開關(guān)量控制。在轉(zhuǎn)舵過程中主要物理量，即舵葉轉(zhuǎn)角，其控制范圍和精度要求為：-35o～+35o，精度0.3 左右。

extyt 由于舵機(jī)系統(tǒng)采用的是單變量調(diào)節(jié)方法。設(shè)偏差()()=?的語言變量為

E，取其相應(yīng)的模糊子集為PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB；論域量化等級為 {-3，-2，-1，0，1，2，3}。又設(shè)偏差變化12 =ceee ?的語言變量為

EC，其相應(yīng)的

O

模糊子集為PB，PS，ZO，NS，NB，論域量化等級為{-2，-1，0，1，2}。按工 人操作經(jīng)驗確定模糊子集和隸屬度函數(shù)，見表4.1～4.4。PID參數(shù)的語言變量為、、的增量 Δ、Δ與

Δ，相應(yīng)模糊子集為o、、。根據(jù)本課題 PIDKKK PKIKDK rtLMN 實際情況，并參考前人用模糊控器控制船舶舵機(jī)的經(jīng)驗，Δ 論域范圍定義為[-6，PK 6]，Δ論域范圍定義為[-1.2，1.2]，Δ論域范圍定義為[-0.3，0.3]。變量均劃分 IK DK 為7個等級。

表4.1 e 的量化域

Table 4.1 Quantify domain of e

量化域(-15,-10](-10,-5](-5,-0.2](-0.2,0.2](0.2,5](5,10](10,15] 等級-3-2-1 0 1 2 3

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

控制算法及系統(tǒng)仿真

表4.2 隸屬度函數(shù)

μ A

Table 4.2 Membership function

μ A

等

uA

級

-3-2-1 0 1 2 3

E

A

1(PB)0 0 0 0 0.1 0.4 1

A 2(PM)0 0 0.2 0.3 0.5 1 0.4

A 3(PS)0 0.2 0.5 0.7 1 0.5 0.1

A 4(ZO)0 0.3 0.7 1 0.7 0.3 0 A 5(NS)0.1 0.5 1 0.7 0.5 0.2 0 A

6(NM)0.4 1 0.5 0.3 0.1 0 0

A 7(NB)1 0.4 0.1 0 0 0 0

表4.3 ec 的量化域

Table 4.3 Quantify domain of 量化域 [-6,-3](-3,-0.1](-0.1,0.1](0.1,3](3,6] 等級-2-1 0 1 2

表4.4 隸屬度函數(shù)

μ B

Table 4.4 Membership function

等

uB

級

-2-1 0 1 2

EC

B 1

(PB)0 0 0 0.5 1

B

(PS)0 0 0.5 1 0.5 B 3

(ZO)0 0.5 1 0.5 0 B

NS)0.5 1 0.5 0 0

B

5(NB)1 0.5 0 0 0

ec

μ B

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文

控制算法及系統(tǒng)仿真

①

PK

控制器。PID控制器中，比例系數(shù)

PK

PK

增大，可以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度；但 統(tǒng)不穩(wěn)定。反之減小

PK

過大，會使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系，能使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度增大，減少超調(diào)量，但會降低調(diào)節(jié)精

PK 度，使過度時間延長。因此，實現(xiàn) 性。的自調(diào)整將可以隨時改變系統(tǒng)的靜態(tài)動態(tài)特

根據(jù)系統(tǒng)控制中對過渡過程的要求和專家經(jīng)驗，通常在偏差較大時，為了加

快系統(tǒng)的響應(yīng)速度, 應(yīng)取較大的

PK

；當(dāng)偏差和偏差變化率為中等大小時, 為了使

PK 系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減小和保證一定的響應(yīng)速度，為了使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增大

PK

值應(yīng)取小一些；當(dāng)偏差較小時。將輸出量 Δ的模糊子集取為PB，PK

PM，PS，ZO，NS，NM，NB，論域量化等級為{-3,-2,-1,0,1,2,3}，從而得出模糊

控制規(guī)則表4.5； Δ的對應(yīng)模糊子集隸屬度見表4.6。

PK

表4.5

Δ的模糊規(guī)則

PK

Δ

PK

Table 4.5 Fuzzy rule of

Δ

PK

E

PB PM PS ZO NS NM NB

EC

PB NB NB NB NM NS ZO PS PS NB NM NM NS ZO PS PS ZO NB NS NS ZO PS PS PM NS NM ZO ZO PS PM PM PM NB NS ZO PS PM PB PB PB

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控制算法及系統(tǒng)仿真

表4.6 隸屬度函數(shù)

μ

PK

Table 4.6 Membership function

μ

PK

等

uKP

級

KP

-3-2-1 0 +1 +2 +3

L1

(PB)0 0 0 0 0 0.4 1 L(PM)0 0 0 0 0.4 1 0.4 L(PS)0 0 0 0.5 1 0.5 0 L(ZO)0 0 0.4 1 0.4 0 0 L(NS)0 0.4 1 0.4 0 0 0 L6

(NM)0.4 1 0.4 0 0 0 0 L7

(NB)1 0.4 0 0 0 0 0

定義模糊關(guān)系 其輸出控制

PERAL

=×

PPZzUU

=1

=∪。由此可得到 Δ控制查詢表4.7PK

表4.7

；

KPRBL

=×，則

PZPEKPUERECR

=°∧°

Δ查詢表

PK

Δ

PK

Table 4.7 Query table of

Δ

PK

E

-3-2-1 0 1 2 3

EC

-2 3 3 2 2 1 0-1-1 3 2 1 1 0 0-2 0 3 1 1 0-1-1-3 1 2 0 0-1-1-2-3 2 1 0-1-2-2-3-3

②

IK

控制器。在PID控制器中，積分作用主要是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。加強(qiáng)

積分作用，有利于減小系統(tǒng)靜差，但是過強(qiáng)的積分作用，會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚 至引起振蕩。反之，減小積分作用，雖然有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，避免振蕩，減小超調(diào) 量，但對消除系統(tǒng)靜差不利。通常在偏差較大時，為防止積分飽和,避免系統(tǒng)響應(yīng)

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控制算法及系統(tǒng)仿真

出現(xiàn)較大的超調(diào)，IK

值要小,通常取

IK

= 0；當(dāng)偏差和變化率為中等大小時，為了

IK 使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減小和保證一定的響應(yīng)速度，時, 為了使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能, 應(yīng)增大

IK 的取值要適當(dāng)；當(dāng)偏差較小

值。

=×

；

=×，則 因此，將輸出控制量 Δ的模糊子集為PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB，IK 論域量化等級為{-3,-2,-1,0,1,2,3}。由其模糊關(guān)系 =°∧°

IZIEKIUERECR

IERAM

KIRBM

其輸出控制

=∪IIZzUU

=1

。由此可得到控制 Δ查詢表4.8。

IK

表4.8

Δ查詢表

IK

Δ

IK

Table 4.8 Query table of

Δ

IK

E

-3-2-1 0 1 2 3

EC

-2 2 3 2 2 1 0 0-1 1 2 2 1 0 0 0 0 0 1 1 0-1-1 0 1 0 0 0-1-2-2-1 2 0 0-1-2-2-3-2

③

DK

控制器。在PID控制器中，微分作用主要是針對具有大慣性的被控對象，DK 改善其動態(tài)性能。增大微分系數(shù)，有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，DK 穩(wěn)定性增加，但對擾動敏感，抑制外擾能力減弱。若 前制動，從而延長調(diào)節(jié)時間，反之若

DK

過大，會使得響應(yīng)過程提

不應(yīng)取定值。當(dāng)偏差

過小，調(diào)節(jié)過程的減速將會滯后，過程超

DK 調(diào)增加，系統(tǒng)響應(yīng)變慢。因此，對于時變且不確定系統(tǒng)，較大時, 為防止因開始時偏差的瞬間變大可能引起的微分過飽和而使控制作用超

出許可范圍, 應(yīng)取較小的 DK；當(dāng)偏差和變化率為中等大小時，DK的取值對系統(tǒng)影

響很大應(yīng)取小一些；當(dāng)偏差較小時，為避免輸出響應(yīng)在設(shè)定值附近振蕩, 以及考慮 系統(tǒng)的抗干擾能力, 應(yīng)適當(dāng)選取 DK。其原則是: 當(dāng)偏差變化率較小時，DK取大一

些;當(dāng)偏差變化率較大時，DK

取較小的值, 通常

DK

為中等大小。

=×

；

=×，則 因此，將輸出控制量 Δ的模糊子集為PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB，DK 論域量化等級為{-3,-2,-1,0,1,2,3}。由其模糊關(guān)系

DZDEKDUERECR

DERAN

KDRBN

=°∧°

其輸出控制

DDZzUU

= 1

=∪

。由此可得到控制 Δ查詢表4.9。

DK

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控制算法及系統(tǒng)仿真

表4.9

Δ查詢表

DK

Δ

DK

Table 4.9 Query table of

Δ

DK

E

-3-2-1 0 1 2 3

EC

-2 2 2 2 1 1 0 0-1 2 1 2 1 0 0 0 0 1 1 1 0-1-1-1 1 0 0 0-1-2-1-2 2 0 0-1-1-2-2-2

對于此系統(tǒng)，我們先計算得到三個參數(shù)的查詢表，并將其輸入PLC控制器中。

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，只需計算誤差和誤差變化率，直接從表中查詢數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù) 與原控制參數(shù)疊加，以此實現(xiàn)對PID參數(shù)的在線自校正。這樣做能有效減少控制 器的運(yùn)算量，提高響應(yīng)速度，其工作流程圖如圖4.3所示。

ekeck(),()

ΔΔΔ，PIDKKK

ekxkyk()()()= ?

eckekek()()(1)=??

ekek(1)()? =

圖4.3 模糊PID在線自整定工作流程

Fig.4.3 Online self-tuning workflow of fuzzy PID

PIDKKK ,，4.3 舵機(jī)系統(tǒng)仿真[44～48]

MATLAB是由美國MathWorks公司開發(fā)的優(yōu)秀的控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計軟

件。MATLAB語言是一種用于科學(xué)工程計算的高效率高級語言，它在數(shù)值計算、數(shù)字信號處理、系統(tǒng)識別、自動控制、時域分析與建模、優(yōu)化設(shè)計、動態(tài)仿真等 方面表現(xiàn)出一般高級語言難以比擬的優(yōu)勢。其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力和完美的圖形

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控制算法及系統(tǒng)仿真

可視化功能使得它成為控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣的工具。MATLAB軟件中的SIMULINK 工具箱可以對動態(tài)系統(tǒng)模型進(jìn)行數(shù)字仿真，并且其圖形化設(shè)計界面使得構(gòu)件系統(tǒng) 模型更加直觀、方便。SIMULINK支持連續(xù)和離散系統(tǒng)以及連續(xù)離散系統(tǒng)，也支 持線性與非線性系統(tǒng)，常用來仿真較大且復(fù)雜的系統(tǒng)。利用SIMULINK工具，用 戶可以容易的實現(xiàn)模型的創(chuàng)建，大大降低仿真難度。

本文利用SIMULINK工具箱建立舵機(jī)仿真模型。建立的舵機(jī)數(shù)學(xué)模型，是一

個閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的一個主要輸入是操作人員預(yù)設(shè)置的舵轉(zhuǎn)角，該輸入經(jīng) 控制器、比例閥、液壓缸等元件后，輸出的實際轉(zhuǎn)角經(jīng)傳感器反饋，與設(shè)定值作 對比。其動態(tài)仿真模型如圖4.4所示。

圖4.4 動態(tài)仿真模型

Fig.4.4 Dynamic simulation model

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控制算法及系統(tǒng)仿真

圖4.5 階躍響應(yīng)

Fig.4.5 Step response

圖4.6 輸入正弦信號頻率分別為1、2、3、4

ZH時系統(tǒng)響應(yīng)

Fig.4.6 Frequency response of the system for Input sinusoidal signal which frequency is one or two

or three or four

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控制算法及系統(tǒng)仿真

由傳遞函數(shù)可知，舵機(jī)系統(tǒng)由一個慣性環(huán)節(jié)、一個微分環(huán)節(jié)、兩個振蕩環(huán)節(jié)

組成。由圖4.5可知，在未加校正時，由元器件組成的閉環(huán)系統(tǒng)雖無超調(diào)量，但其 響應(yīng)時間較長大約為7s；在加入PID校正后，系統(tǒng)響應(yīng)時間有了明顯的改善，響 應(yīng)時間縮短到約5s，但同時最大超調(diào)量也隨之增加，達(dá)到了8%左右，此時基本上 能夠滿足系統(tǒng)的需要；在采用模糊PID控制后，系統(tǒng)響應(yīng)縮短到3.5s，超調(diào)量控 制在5%以內(nèi)，系統(tǒng)誤差也得到了有效減少。

跟隨性是衡量隨動系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)。由圖4.6可看出，在輸入正弦信

號頻率為1 ZH時，無校正閉環(huán)響應(yīng)無法快速跟隨輸入變化，響應(yīng)僅為輸入的60%

左右，且最開始半個周期與后面周期相比，超調(diào)量較大，PID調(diào)節(jié)及模糊PID都 能較好地跟隨輸入信號；隨著輸入頻率的提高，無論是無校正閉環(huán)、常規(guī)PID調(diào) 節(jié)還是模糊PID調(diào)節(jié)的跟隨性能都將下降，在輸入正弦信號頻率為

4ZH時，模糊 PID能夠保持響應(yīng)為輸入信號的80%，常規(guī)PID能夠保持70%，無校正閉環(huán)為25%，且其前半周期與后面周期的差別更大。綜上所述，模糊PID控制使系統(tǒng)閉環(huán)快速 性及跟隨性能比常規(guī)PID控制有了較明顯的提高。對于本舵機(jī)系統(tǒng)，模糊 PID 控 制優(yōu)于常規(guī) PID，更能適應(yīng)工況的變化。

4.4 本章小結(jié)

本章介紹了PID及模糊控制原理，為充分利用PID控制優(yōu)勢，提高PID控制

適應(yīng)性，根據(jù)舵機(jī)實際情況選擇了模糊PID控制方案，設(shè)計了舵機(jī)模糊控制器。并對舵機(jī)閉環(huán)、常規(guī)PID調(diào)節(jié)和模糊PID調(diào)節(jié)三種控制方式進(jìn)行了仿真比較。得 出模糊PID控制可使舵機(jī)獲得較好的動態(tài)性能，適合高性能舵機(jī)的需要。

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基于CAN總線的分布式PLC控制系統(tǒng) 基于CAN總線的分布式PLC控制系統(tǒng)

5.1 CAN總線 [49～51]

CAN 是Controller Area Network（局域網(wǎng)控制器）的縮寫，主要是用于各 種過程監(jiān)測與控制的一種網(wǎng)絡(luò)，是目前國際上應(yīng)用最廣的總線之一。最初CAN 是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換 而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。由于CAN卓越的特性和極高的可靠性，所 以非常適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備互聯(lián)。隨著CAN高層協(xié)議的不斷發(fā)展，其應(yīng)用 范圍不僅局限在汽車工業(yè)領(lǐng)域，在工業(yè)自動化、過程控制、工程機(jī)械、船舶 運(yùn)輸、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域都在迅速發(fā)展。

由于采用了許多新技術(shù)及獨特的設(shè)計，CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點包括如下：

① CAN為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任何一節(jié)點均可在任意時間主動地向

網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送消息，而不分主從。

② 在報文標(biāo)識符上，CAN上的節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的

實時要求，優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)最多可在134微秒內(nèi)得到傳輸。

③ CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息出

現(xiàn)沖突時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不 受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。尤其在網(wǎng)絡(luò)負(fù) 載很重的情況下，也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。

④ CAN節(jié)點只需通過對報文的標(biāo)識符濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多

點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。

⑤ CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10Km（速率在5kbps以下），通信速

率最高可達(dá)1Mbps（通信距離最長為40m）。

⑥ CAN上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達(dá)110個。在標(biāo)準(zhǔn)

幀報文標(biāo)識符有11位，而在擴(kuò)展幀的報文標(biāo)識符（29位）的個數(shù)幾乎不受限 制。

⑦ 報文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，數(shù)據(jù)出錯率極低。

⑧ CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，具有極好的檢錯效

果。

⑨ CAN節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上

其他節(jié)點的操作不受影響。

⑩ CAN總線具有較高的性能價格比。它結(jié)構(gòu)簡單器件容易購置，每個

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基于CAN總線的分布式PLC控制系統(tǒng)

節(jié)點的價格較低，而且開發(fā)技術(shù)容易掌握，能充分利用現(xiàn)有的單片機(jī)開發(fā)工 具。

CAN總線的通信線路由兩條導(dǎo)線組成，分別為CAN-H和CAN-L，網(wǎng)絡(luò)中所

有節(jié)點均掛接在這兩條線路上，并通過它進(jìn)行通信。CAN通信線路的總線值為 兩種互補(bǔ)邏輯數(shù)值之一：“隱性”或“顯現(xiàn)”。顯性數(shù)值表示邏輯“0”，隱性數(shù)值 表示邏輯“1”。當(dāng)在總線上出現(xiàn)同時發(fā)送顯性和隱形位時，其結(jié)果是總線數(shù)值 為顯性。在隱性狀態(tài)下，VCAN-H和VCAN-L被固定于平均電壓電平，Vdiff近似為0。在總線空閑或隱性位期間，發(fā)送隱性狀態(tài)。顯性狀態(tài)以大于最小 閥值的差分電壓表示，如圖5.1所示。

V

VCAN-H

Vdiff

Vdiff

VCAN-L

隱形位隱形位顯形位

時間t

圖5.1總線位的數(shù)值表示

Fig.5.1 Bit Values of bus

由于CAN技術(shù)應(yīng)用的普遍推廣，這就要求通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化。為此，1991

年9月Bosch公司制定并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范（Version2.0）。該規(guī)范包括A和B 兩部分，2.0A給出了曾在CAN技術(shù)規(guī)范版本1.2中定義的CAN報文格式，而2.0B 給出了標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展的兩種報文格式。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通 運(yùn)輸工具—數(shù)字交換—高速通信控制器局域網(wǎng)（CAN）國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），為 CAN進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化起到了重要的作用。

5.1.1 CAN總線通信協(xié)議

CAN總線作為一種國際標(biāo)準(zhǔn)，也遵從網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)模型。不過由于CAN的數(shù)據(jù)

結(jié)構(gòu)簡單，又是范圍較小的局域網(wǎng)，因此根據(jù)ISO/OSI參考模型，CAN只采用 了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層又分為物理層信號（PLS）、物理 媒體連接（PMA）及介質(zhì)從屬接口（MDI）三部分，完成電氣的連接、實現(xiàn)驅(qū)動 器/接收器特性、同步、定時、位編碼解碼等功能。數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制（LLC）與媒體訪問控制（MAC）兩部分，分別完成驗收濾波、過載通知、恢復(fù) 管理，以及數(shù)據(jù)包裝/解包、幀編碼、介質(zhì)訪問管理。出錯檢測、應(yīng)答等功能，如

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基于CAN總線的分布式PLC控制系統(tǒng)

圖5.2所示。實際應(yīng)用CAN總線時，用戶可根據(jù)需要實現(xiàn)應(yīng)用層的功能。由于應(yīng) 用層協(xié)議數(shù)據(jù)直接取自數(shù)據(jù)鏈路層或直接向鏈路層寫數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)層次大為簡化，所以系統(tǒng)控制信號的實時傳送性能大幅度提高。

圖5.2 CAN總線ISO/OSI參考模型層結(jié)構(gòu)

Fig.5.2 ISO/OSI reference model of CAN bus

5.2 CANopen協(xié)議[51]

CAN總線僅僅定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而沒有規(guī)定應(yīng)用層，本身并不完

整，需要一個高層協(xié)議來定義CAN報文中的11/29位標(biāo)識符、8字節(jié)數(shù)據(jù)的使用。而且，基于CAN總線的工業(yè)自動化應(yīng)用中，越來越需要一個開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的高 層協(xié)議：這個協(xié)議支持各種CAN廠商設(shè)備的互用性、互換性，能夠?qū)崿F(xiàn)在CAN 網(wǎng)絡(luò)中提供標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的系統(tǒng)通訊模式，提供設(shè)備功能描述方式，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管 理功能。CANopen協(xié)議在這種需求下應(yīng)運(yùn)而生，此協(xié)議是在20世紀(jì)90年代末，由CiA組織（CAN-in-Automation）在CAL（CAN Application Layer）的基礎(chǔ)上發(fā) 展而來，一經(jīng)推出便在歐洲得到了廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用。經(jīng)過對CANopen協(xié)議規(guī)范 文本的多次修改，使得CANopen協(xié)議的穩(wěn)定性、實時性、抗干擾性都得到了進(jìn)一 步的提高。并且CIA在各個行業(yè)不斷推出設(shè)備子協(xié)議，使CANopen協(xié)議在各個行 業(yè)得到更快的發(fā)展與推廣。目前CANopen協(xié)議已經(jīng)在運(yùn)動控制、車輛工業(yè)、電機(jī) 驅(qū)動、工程機(jī)械、船舶海運(yùn)等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

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如圖5.3所示為CANopen設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，CANopen協(xié)議通常分為通訊、對象字

典、以及用戶應(yīng)用層三個部分

圖5.3 CANopen設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

Fig.5.3 Schematic diagram of CANopen equipment

通信接口和協(xié)議軟件提供在總線上收發(fā)通信對象的服務(wù)。不同CANopen設(shè)備

間的通信都是通過通信對象完成的。這一部分直接面向CAN控制器進(jìn)行操作。

對象字典描述了設(shè)備使用的所有數(shù)據(jù)類型、通信對象和應(yīng)用對象，是一個

CANopen設(shè)備的核心部分。對象字典位于通信程序和應(yīng)用程序之間，向應(yīng)用程序 提供接口。

5.3 控制電路實現(xiàn)

船舶在航行時根據(jù)不同的情況需要不同的操舵模式，常用的有手動應(yīng)急操舵，隨動操舵和自動操舵（目前主要是使船舶保持在固定航向上）。根據(jù)實際需要設(shè)計 了基于CAN總線的PLC控制的舵機(jī)原理方塊圖，如圖5.4所示。其工作原理為：由 舵輪產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速信號，通過轉(zhuǎn)角傳感器，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號輸 入PLC1中，與經(jīng)PLC2的D/A并通過CAN總線傳送到PLC1的舵角反饋信號比較，比 較后得到的偏差信號經(jīng)過校正運(yùn)算，得到控制信號，PLC1將控制信號經(jīng)CAN總線 傳送到PLC2，D/A轉(zhuǎn)換后發(fā)送到比例放大器中，比例放大器根據(jù)控制信號的正負(fù) 及大小驅(qū)動比例電磁鐵，從而推動功率級閥芯產(chǎn)生一定的開口，使液壓油能夠進(jìn) 入液壓缸推動螺旋作動器運(yùn)動，最終帶動舵葉轉(zhuǎn)動。舵轉(zhuǎn)動后由舵角檢測傳感器 產(chǎn)生舵轉(zhuǎn)角信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號通過CAN總線傳輸?shù)街骺刂破髦信c輸入 信號繼續(xù)比較，如此形成閉環(huán)控制周期。系統(tǒng)控制功能圖如圖5.5所示[52]，控制流 程圖如圖5.6所示。

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圖5.4 舵機(jī)控制原理圖

Fig.5.4 Schematic diagram of steering gear control

圖5.5 控制功能圖

Fig.5.5 Function diagram of control

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圖5.6 控制流程圖

Fig.5.6 Flow diagram of control

5.3.1 主電路設(shè)計

電源開關(guān)主泵電機(jī)備用泵電機(jī)變壓器及急停開關(guān)及控制部分熔斷器主泵、備用泵電機(jī)控制PLC控制

QS

A QA

FU3 B FU4L1 24V電源C FU5

N FU1

FU2

FU6 KN1.0 KM1.0 HL1

FR1

KN1.1 KM1.1 0V

KM1.0

KM2.0

N KN1.2 KM1.2

KN2.0FR1

KM2.0 3

FR2

FR2

KM2.1KN2.1 KN2.2 KM2.2

U1 V1W1

YA1KA1

KM1.2

M1

M2 KM2.2

YA2KA2

U2 V2W2

KM1.1

KM2.1

圖5.7 電氣控制主電路圖

Fig.5.7 Main circuit of electrical control

TC

220V

PLC

第二篇：液壓千斤頂設(shè)計說明書

液壓千斤頂研究設(shè)計報告

一、液壓千斤頂功能分析。

千斤頂是一種起重高度小(小于1m)的最簡單的起重設(shè)備。它有機(jī)械式和液壓式兩種。機(jī)械式千斤頂又有齒條式與螺旋式兩種，由于起重量小，操作費(fèi)力，一般只用于機(jī)械維修工作，在修橋過程中不適用。液壓式千斤頂又稱油壓千斤頂，是一種采用柱塞或液壓缸作為剛性頂舉件的千斤頂，其結(jié)構(gòu)緊湊，工作平穩(wěn)，有自鎖作用，故使用廣泛。其缺點是起重高度有限，起升速度慢。

液壓千斤頂充分運(yùn)用了帕斯卡原理，實現(xiàn)了力的傳遞和放大，使得用微小的力就可以頂起重量很大的物體。在液壓千斤頂中，除了其自身所具有的元件外，還需要一種很重要的介質(zhì)，即工作介質(zhì)，又叫液壓油。液壓油的好壞直接影響到千斤頂能否正常地工作。因此，就需要液壓油具有良好的性能。在液壓千斤頂中，液壓油所應(yīng)該具備的功能有以下幾點：

1．傳動，即把千斤頂中活塞賦予的能量傳遞給執(zhí)行元件。

2．潤滑，對活塞、單向閥、回油閥桿和執(zhí)行元件等運(yùn)動元件進(jìn)行潤滑。3．冷卻，吸收并帶出千斤頂液壓裝置所產(chǎn)生的熱量。

4．防銹，防止對液壓千斤頂內(nèi)的液壓元件所用的金屬產(chǎn)生銹蝕。除此之外，液壓油還需要有以下這些工作性能的要求。1．可壓縮性?？蓧嚎s性小可以確保傳動的準(zhǔn)確性。2．粘溫特性。要有一個合適的粘度并隨溫度的變化小。

3．潤滑性。油膜對材料表面要有牢固的吸附力，同時油膜的抗擠壓強(qiáng)度要高。

4．安定性。油不能因熱、氧化或水解而變化，使用的壽命要長。5．相容性。對金屬、密封件、橡膠軟管、涂料等有良好的相容性。液壓千斤頂廣泛使用在電力維護(hù)，橋梁維修，重物頂升，靜力壓樁，基礎(chǔ)沉降，橋梁及船舶修造，特別在公路鐵路建設(shè)當(dāng)中及機(jī)械校調(diào)、設(shè)備拆卸等方面。由于液壓用途廣泛，所以行程范圍也需要比較廣。

二、液壓千斤頂工作原理

液壓千斤頂工作時，扳手往上走帶動小活塞向上，油箱里的油通過油管和單向閥門被吸進(jìn)小活塞下部，扳手往下壓時帶動小活塞向下，油箱與小活塞下部油路被單向閥門堵上，小活塞下部的油通過內(nèi)部油路和單向閥門被壓進(jìn)大活塞下部，因杠桿作用小活塞下部壓力增大數(shù)十倍，大活塞面積又是小活塞面積的數(shù)十倍，由手動產(chǎn)生的油壓被擠進(jìn)大活塞，由帕斯卡原理（液壓傳遞壓強(qiáng)不變的原理，受力面積越大壓力越大，面積越小壓力越?。┲笮』钊娣e比與壓力比相同。這樣一來，手上的力通過扳手到小活塞上增大了十多倍(暫按15倍)，小活塞到大活塞力有增大十多倍(暫按

圖1帕斯卡原理圖

15倍)，到大活塞（頂車時伸出的活動部分）力=15X15=225倍的力量了，假若手上用每20公斤力，就可以產(chǎn)生20X225=4500公斤（4.5噸）的力量。工作原理就是如此。當(dāng)用完后，有一個平時關(guān)閉的閥門手動打開，油就靠汽車重量將油擠回油箱。

三、自鎖原理

圖2單向閥自鎖

單向閥自鎖：為了能實現(xiàn)千斤頂在支撐中實現(xiàn)自鎖，此設(shè)計采用單向閥組成設(shè)計回路。在液壓千斤頂在小油缸與大油缸之間設(shè)置有一個單向閥。在手柄向上提升帶動小油缸中的小活塞時，由于小油缸與大油缸之間設(shè)有單向閥，此時單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)，大油缸中的油液并不會回流至小油缸。在手柄下壓帶動活塞壓油液時，小油缸與大油缸之間的單向閥處于開啟狀態(tài)，而小油缸與儲油裝置之間的單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)，油液進(jìn)入大油缸將負(fù)載頂起。將負(fù)載頂?shù)侥繕?biāo)高度后，大油缸與小油缸之間的單向閥仍處于工作狀態(tài)，油液只能存在大油缸之中，負(fù)載無法下行，形成自鎖。

液壓千斤頂頂起重物后，靠液壓單向閥能起鎖緊作用，但專業(yè)人士都知道，液壓系統(tǒng)都有泄漏現(xiàn)象，壓力越大泄漏越嚴(yán)重，液壓缸內(nèi)高壓油一泄漏液壓桿肯定要下行，時間越長下滑越明顯。這說明液壓千斤頂頂起的重物自鎖時間不能過長，這勢必對操作者造成一定的心里壓力，為了避免液壓系統(tǒng)因泄漏而造成的不良后果，消除操作者心里負(fù)擔(dān)，我們的設(shè)計除液壓自鎖外，還設(shè)置了機(jī)械自鎖裝置。

機(jī)械自鎖：在大活塞螺旋桿和液壓千斤頂外殼設(shè)計鎖緊螺母，當(dāng)液壓千斤頂在任意高度頂起重物需要鎖緊時，旋緊鎖緊螺母，使之與液壓千斤頂外殼頂端完全接觸，外載荷由鎖緊螺母傳給液壓千斤頂?shù)耐鈿?，液壓缸活塞不承受載荷，液壓系統(tǒng)可以卸荷。鎖緊螺母與螺旋桿采用梯形螺紋傳動，頂起重物后，由手動旋合鎖緊螺母，達(dá)到鎖緊目的（如圖3）。

四、結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）螺旋傳動機(jī)構(gòu)，增大起重行程

液壓千斤頂中的活塞桿是千斤頂頂起重物的執(zhí)行部件，液壓桿的長度，就是千斤頂頂起重物的最大行程。要增大液壓千斤頂頂起重物的行程，就必須增加活塞桿的長度，這勢必增大了液壓千斤頂?shù)捏w積和輸油量。為了避免這些困惑，將活塞桿進(jìn)行改良設(shè)計，如圖4所示，加設(shè)螺旋配合機(jī)構(gòu)，采用梯形螺紋傳動，能承受較大的載荷，由于螺旋桿能上下螺旋移動，就增大了液壓千斤頂?shù)挠行谐?。螺旋桿頂部設(shè)計通孔，可以利用加長桿與之配合，旋轉(zhuǎn)螺桿，便能在頂起重物的狀態(tài)下增大頂起高度行程，當(dāng)然也可以在沒有頂起重物時預(yù)先旋轉(zhuǎn)螺紋提升螺旋桿達(dá)到提高行程的目的。在不需要增大起重行程時，螺旋桿旋進(jìn)活塞桿，保持原

圖4

圖3螺母鎖緊裝置

來的起重行程。

（2）扳手省力結(jié)構(gòu)

液壓千斤頂雖然能利用帕斯卡原理，利用大油缸面積大于油缸截面面積縮小力。但考慮到材料強(qiáng)度及設(shè)備體積原因（小油缸面積不能過小，要保證一定的壁厚及小活塞的壓桿

圖5油泵扳手

穩(wěn)定，大油缸面積不能過大），大油缸與小油缸的截面積之比一般設(shè)計在10到20 之間（我們設(shè)計取15）。我們發(fā)現(xiàn)這個面積比只能將力縮小到原載荷的十五分之一。這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以我們將手動油泵扳手設(shè)計成杠桿（如圖5）。最左端豎直桿與底座相連，右邊與滑套相連的為活塞桿，橫桿為扳手。根據(jù)杠桿原理，各部分設(shè)計合理距離以及桿長設(shè)計合理，這個可將力縮小為小活塞受力的十五分之一。這樣就可將力縮小至負(fù)載的1/225。（3）出油裝置

圖6底部油通道

上述已闡明如何將負(fù)載頂起。在工作結(jié)束的時候需要卸載，這就需要一個將大油缸中的油液排除的裝置。圖6為底部油通道示意圖?？梢钥闯?，1通道為油液進(jìn)入手動油泵的通道（油液存儲在外油箱中）。圖6中的2出口就是工作結(jié)束卸載時油液的通道。考慮到千斤頂正常工作時油液不能從大油缸中流出，因此在2通道口裝有一個手動閥，在工作結(jié)束后打開手動閥，讓油在負(fù)載的作用下流回外油箱中，完成卸載。

五、設(shè)計心得

這次設(shè)計的大作業(yè)，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用較為廣泛的一種伸縮傳動裝置——千斤頂。由于理論知識不足，而且平時幾乎沒有設(shè)計的經(jīng)驗，在一開始的時候有些手忙腳亂，不知道該從什么地方入手。在本次大作業(yè)的完成過程中，讓我感觸最深的就是要不斷地查閱資料和修改圖紙使得我們的設(shè)計更加符合現(xiàn)實生活中的標(biāo)準(zhǔn)。我們作為機(jī)械工程專業(yè)的學(xué)生，最重要的就是要時時刻刻與實際相結(jié)合，所設(shè)計的每一個機(jī)械部件、每一個零件都必須不離實際。與藝術(shù)家可以盡情的幻想不同，一切不切實際的構(gòu)想就永遠(yuǎn)只能是幻想，永遠(yuǎn)無法成為設(shè)計。與此同時，在設(shè)計的過程中，需要用到AutoCAD軟件進(jìn)行制圖。因此為了更加有效率地繪制各種零件圖、裝配圖，我們必須學(xué)會熟練的掌握它。

在設(shè)計過程結(jié)束后，我自己學(xué)到了不少的知識，也讓我撿起了很多遺忘的知識。在整個設(shè)計中我明白了很多東西，也培養(yǎng)了我工作和與人合作的能力，而且我也充分地體會道路在創(chuàng)造設(shè)計過程的艱辛和成功時的喜悅。盡管這個設(shè)計做得并不優(yōu)秀，但這個在設(shè)計過程中所學(xué)到的東西將是我人生路上強(qiáng)有力的墊腳石，對我日后的工作、設(shè)計都會有很大的益處。

第三篇：液壓夾緊銑床夾具設(shè)計說明書

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前言

機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化（或機(jī)械工程及自動化）專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。

機(jī)械設(shè)計是機(jī)械工程的重要組成部分，是決定機(jī)械性能的最主要因素。由于各產(chǎn)業(yè)對機(jī)械的性能要求不同而有許多專業(yè)性的機(jī)械設(shè)計。

在機(jī)械制造廠的生產(chǎn)過程中,用來安裝工件使之固定在正確位置上,完成其切削加工、檢驗、裝配、焊接等工作,所使用的工藝裝備統(tǒng)稱為夾具。如機(jī)床夾具、檢驗夾具、焊接夾具、裝配夾具等。

機(jī)床夾具的作用可歸納為以下四個方面：

1.保證加工精度

機(jī)床夾具可準(zhǔn)確確定工件、刀具和機(jī)床之間的相對位置，可以保證加工精度。

2.提高生產(chǎn)效率

機(jī)床夾具可快速地將工件定位和夾緊，減少輔助時間。3.減少勞動強(qiáng)度

采用機(jī)械、氣動、液動等夾緊機(jī)構(gòu)，可以減輕工人的勞動強(qiáng)度。

4.擴(kuò)大機(jī)床的工藝范圍

利用機(jī)床夾具，可使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大，例如在臥式車床刀架處安裝鏜孔夾具，可對箱體孔進(jìn)行鏜孔加工。

機(jī)械制造裝備設(shè)計課程設(shè)計是機(jī)械設(shè)計中的一個重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，也是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生較為全面的機(jī)械設(shè)計訓(xùn)練。其目的在于：

1.培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)以及其他先修課程的理論知識和生產(chǎn)實際知識去分析和解決工程實際問題的能力，通過課設(shè)訓(xùn)練可以鞏固、加深有關(guān)機(jī)械課設(shè)方面的理論知識。

2.學(xué)習(xí)和掌握一般機(jī)械設(shè)計的基本方法和步驟。培養(yǎng)獨立設(shè)計能力，為以后的專業(yè)課程及畢業(yè)設(shè)計打好基礎(chǔ)，做好準(zhǔn)備。

3.使學(xué)生具有運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范手冊、圖冊和查詢有關(guān)設(shè)計資料的能力。

我國的裝備制造業(yè)盡管已有一定的基礎(chǔ)，規(guī)模也不小，實力較其它發(fā)展中國家雄厚。但畢竟技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，滯后于制造業(yè)發(fā)展的需要。我們要以高度的使命感和責(zé)任感，采取更加有效的措施，克服發(fā)展中存在的問題，把我國從一個制造業(yè)大國建設(shè)成為一個制造強(qiáng)國，成為世界級制造業(yè)基礎(chǔ)地之一。

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1.產(chǎn)前準(zhǔn)備

1.1年生產(chǎn)綱領(lǐng)

工件的年生產(chǎn)量是確定機(jī)床夾具總體方案的重要依據(jù)之一。如工件的年生產(chǎn)量很大，可采用多工件加工、機(jī)動夾緊或自動化程度較高的設(shè)計方案，采用此方案時，機(jī)床夾具的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造成本較高；如工件的年生產(chǎn)量不大，可采用單件加工，手動夾緊的設(shè)計方案，以減小機(jī)床夾具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及夾具的制作成本。如5萬件以上夾具復(fù)雜用全自動化的設(shè)備，5000件小批量生產(chǎn)用手動設(shè)備。

1.2生產(chǎn)條件 1.3零件工藝分析

本次課設(shè)是要為此圖1-3-1汽缸體銑削上表面

圖1-3-1

零件圖標(biāo)出了工件的尺寸、形狀和位置、表面粗糙度等總體要求，它決定了工件在機(jī)床夾具中的放置方法，是設(shè)計機(jī)床夾具總體結(jié)構(gòu)的依據(jù),本工件放置方法應(yīng)如圖1-3-1所示。工序圖給出了零件本工序的工序基準(zhǔn)、已加工表面、待加工表面，以及本工序的定位、夾緊原理方案。工件的工序基準(zhǔn)、已加工表面決定了機(jī)床夾具的方位方案，如選用平面定位、孔定位以及外圓面定位等；定位方案的選擇依據(jù)六點定位原理和采用的機(jī)床加工方法，定位方案不一定要定六個自由度，但要完全定位。工件的待加工表面是選擇機(jī)床、刀具的依據(jù)。確定夾緊機(jī)構(gòu)要依據(jù)零件的外型尺寸，選擇合適的定位點，確保夾緊力安全、可靠同時夾緊機(jī)構(gòu)不能與刀具的運(yùn)動軌跡相沖突。

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2.夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1定位機(jī)構(gòu)

圖2-1-1定位心軸

在夾具設(shè)計中，定位方案不合理，工件的加工精度就無法保證。工作定位方案的確定是夾具設(shè)計中首先要解決的問題。

根據(jù)工序圖給出的定位元件方案，按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正確選擇定位元件或定位的組合。在機(jī)床夾具的使用過程中，工件的批量越大，定位元件的磨損越快，選用標(biāo)準(zhǔn)定位元件增加了夾具零件的互換性，方便機(jī)床夾具的維修和維護(hù)。

設(shè)計夾具是原則上應(yīng)選該工藝基準(zhǔn)為定位基準(zhǔn)。無論是工藝基準(zhǔn)還是定為基準(zhǔn)，均應(yīng)符合六點定位原理。

2.2夾緊機(jī)構(gòu)

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圖2-2-1工件放置方式

1.夾緊的目的：使工件在加工過程中保持已獲得的定位不被破壞，同時保證加工精度。.夾緊力的方向的確定：

1）夾緊力的方向應(yīng)有利于工件的準(zhǔn)確定位，而不能破壞定位，一般要求主夾緊力應(yīng)垂直于第一定位基準(zhǔn)面。

2）夾緊力的方向應(yīng)與工件剛度高的方向一致，以利于減少工件的變形。

3）夾緊力的方向盡可能與切削力、重力方向一致，有利于減小夾緊力。.夾緊力的作用點的選擇：

1）夾緊力的作用點應(yīng)與支承點“點對點”對應(yīng)，或在支承點確定的區(qū)域內(nèi)，以避免破壞定位或造成較大的夾緊變形。

2）夾緊力的作用點應(yīng)選擇在工件剛度高的部位。

3）夾緊力的作用點和支承點盡可能靠近切削部位，以提高工件切削部位的剛度和抗振性。

4）夾緊力的反作用力不應(yīng)使夾具產(chǎn)生影響加工精度的變形。

4.選擇夾緊機(jī)構(gòu)：

設(shè)計夾緊機(jī)構(gòu)一般應(yīng)遵循以下主要原則： 1)夾緊必須保證定位準(zhǔn)確可靠，而不能破壞定位。沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械制造裝備課程設(shè)計說明書

2)工件和夾具的變形必須在允許的范圍內(nèi)。

3)夾緊機(jī)構(gòu)必須可靠。夾緊機(jī)構(gòu)各元件要有足夠的強(qiáng)度和剛度，手動夾緊機(jī)構(gòu) 4)必須保證自鎖，機(jī)動夾緊應(yīng)有聯(lián)鎖保護(hù)裝置，夾緊行程必須足夠。5)夾緊機(jī)構(gòu)操作必須安全、省力、方便、迅速、符合工人操作習(xí)慣。6)夾緊機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度、自動化程度必須與生產(chǎn)綱領(lǐng)和工廠的條件相適應(yīng)。

圖2-2-2夾緊機(jī)構(gòu)

選用螺栓螺母夾緊機(jī)構(gòu)來對被加工工件進(jìn)行夾緊。

螺栓螺母夾緊機(jī)構(gòu)的特點：①結(jié)構(gòu)簡單，制造方便加緊可靠施力范圍大；②自鎖

性能好操；③擴(kuò)力比80以上，行程S不受限制；④加緊工作慢，效力低。

2.3機(jī)床夾具的總體形式

機(jī)床夾具的總體形式一般應(yīng)根據(jù)工件的形狀、大小、加工內(nèi)容及選用機(jī)床等因素來確定。

夾具的組成歸納為：

1）定位元件及定位裝置 用于確定工件正確位置的元件或裝置。2）夾緊元件及夾緊裝置 用于固定元件已獲得的正確位置的元件或裝置。3）導(dǎo)向及對刀元件 用于確定工件與刀具相互位置的元件。

4）動力裝置在成批生產(chǎn)中，為了減輕工人勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率，常采用氣動、液動等動力裝置。

5）夾具體用于將各種元件裝置連接在一體，并通過它將整個夾具安裝在機(jī)床上。6）其他元件及裝置 根據(jù)加工需要來設(shè)置的元件或裝置。2.3.1確定夾具體： 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械制造裝備課程設(shè)計說明書

夾具體上一般不設(shè)定位和定向裝置，特別是臺鉆、立鉆和搖臂鉆上使用時，但夾具體底板上一般都設(shè)有翻邊或留一些平臺面，以便夾具在機(jī)床工作臺上固定。夾具體一般是設(shè)計成平板式（有些夾具體鑄造成特殊形狀），保證具有足夠的剛性。它用來固定定位元件、加緊機(jī)構(gòu)和聯(lián)接體，并于機(jī)床可靠聯(lián)接。2.3.2確定聯(lián)接體：

聯(lián)接體是將導(dǎo)向裝置與夾具體聯(lián)接的工件，設(shè)計時主要考慮聯(lián)接體的剛性，合理布置聯(lián)接體的位置，給定位元件、夾緊機(jī)構(gòu)留出空間。此夾具體的聯(lián)接裝置通過內(nèi)六角螺栓和圓柱銷來定位，考慮到剛性問題，在相對應(yīng)的位置上在用一個聯(lián)接體支承鉆套板，同樣用內(nèi)六角螺栓定位。2.3.3夾具體的總體設(shè)計圖:

圖2-4-1總體圖

2.5繪制夾具零件圖

對裝配圖中需加工的零件圖均應(yīng)繪制零件圖，零件圖應(yīng)按制圖標(biāo)準(zhǔn)繪制。視圖盡可能與裝配圖上的位置一致。1.零件圖盡可能按1:1繪制。

2.零件圖上的尺寸公差、形位公差、技術(shù)要求應(yīng)根據(jù)裝配圖上的配合種類、位置精度、技術(shù)要求而定。

3.零件的其他尺寸，如尺寸、形狀、位置、表面粗糙度等應(yīng)標(biāo)注完整。

4.零件圖名稱：

零件圖1定位軸

零件圖2支柱

零件圖3夾具體 零件圖4鉆模板

2.6 繪制夾具裝配圖

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1.裝配圖按1:3的比例繪制，用局部剖視圖完整清楚地表示出夾具的主要結(jié)構(gòu)及夾具的工作原理。

2.視工件為透明體，用雙點劃線畫出主要部分（如輪廓、定位面、夾緊面和加工表面）。畫出定位元件、夾緊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向裝置的位置。3.按夾緊狀態(tài)畫出夾緊元件和夾緊機(jī)構(gòu)。

4.畫出夾具體及其它聯(lián)接用的元件（聯(lián)接體、螺釘?shù)龋瑢A具各組成元件聯(lián)成一體。

此機(jī)床夾具要用到的零件如下： 1.壓板 2.擋銷 3.調(diào)整螺釘 4.校正塊 5.支承釘 6.螺釘 7.夾具體 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械制造裝備課程設(shè)計說明書

8.調(diào)節(jié)銷 9.定向塊 10.夾緊油缸手柄 11.鎖緊油缸手柄 12.鎖緊釘 13.輔助支承釘 14.量塊

5.標(biāo)注必要的尺寸、配合、公差等

(1)夾具的外形輪廓尺寸，所設(shè)計夾具的最大長、寬、高尺寸。

(2)夾具與機(jī)床的聯(lián)系尺寸，即夾具在機(jī)床上的定位尺寸。如車床夾具的莫氏硬度、銑床夾具的對定裝置等。

(3)夾具與刀具的聯(lián)系尺寸，如用對刀塊塞尺的尺寸、對刀塊表面到定位表面的尺寸及公差。

(4)夾具中所有有配合關(guān)系的元件間應(yīng)標(biāo)注尺寸和配合種類。

(5)各定位元件之間，定位元件與導(dǎo)向元件之間，各導(dǎo)向元件之間應(yīng)標(biāo)注裝配后的位置尺寸和形位公差。

6.夾具裝備圖上應(yīng)標(biāo)注的技術(shù)要求(1)定位元件的定位面間相互位置精度。

(2)定位元件的定位表面與夾具安裝基面、定向基面間的相互位置精度。

(3)定位表面與導(dǎo)向元件工作面間的相互位置精度。

(4)各導(dǎo)向元件的工作面間的相互位置精度。

(5)夾具上有檢測基準(zhǔn)面的話，還應(yīng)標(biāo)注定位表面，導(dǎo)向工作面與該基準(zhǔn)面間的位置精度。

對于不同的機(jī)床夾具，對于夾具的具體結(jié)構(gòu)和使用要求，應(yīng)進(jìn)行具體分析，訂出具體的技術(shù)要求。設(shè)計中可以參考機(jī)床夾具設(shè)計手冊以及同類的夾具圖樣資料。7.對零件編號，填寫標(biāo)題欄和零件明細(xì)表：

每一個零件都必須有自己的編號，此編號是唯一的。在工廠的生產(chǎn)活動中，生產(chǎn)部件按零件編號生產(chǎn)、查找工作。

完整填寫標(biāo)題欄，如裝配圖號、名稱、單位、設(shè)計者、比例等。

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完整填寫明細(xì)表，一般來說，加工工件填寫在明細(xì)表的下方，標(biāo)準(zhǔn)件、裝配件填寫在明細(xì)表的上方。注意，不能遺漏加工工件和標(biāo)準(zhǔn)件、配套件。8.機(jī)床夾具應(yīng)滿足的基本要求包括下面幾方面：

1)保證加工精度 這是必須做到的最基本要求。其關(guān)鍵是正確的定位、夾緊和導(dǎo)向方案，夾具制造的技術(shù)要求，定位誤差的分析和驗算。

2)夾具的總體方案應(yīng)與年生產(chǎn)綱領(lǐng)相適應(yīng) 在大批量生產(chǎn)時，盡量采用快速、高效的定位、夾緊機(jī)構(gòu)和動力裝置，提高自動化程度，符合生產(chǎn)節(jié)拍要求。在中、小批量生產(chǎn)時，夾具應(yīng)有一定的可調(diào)性，以適應(yīng)多品種工件的加工。

3)安全、方便、減輕勞動強(qiáng)度 機(jī)床夾具要有工作安全性考慮，必要時加保護(hù)裝置。要符合工人的操作位置和習(xí)慣，要有合適的工件裝卸位置和空間，使工人操作方便。大批量生產(chǎn)和工件笨重時，更需要減輕工人勞動強(qiáng)度。

4)排屑順暢 機(jī)床夾具中積集切屑會影響到工件的定位精度，切屑的熱量使工件和夾具產(chǎn)生熱變形，影響加工精度。清理切屑將增加輔助時間，降低生產(chǎn)率。因此夾具設(shè)計中要給予排屑問題充分的重視。

5)機(jī)床夾具應(yīng)有良好的強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)工藝性 機(jī)床夾具設(shè)計時，要方便制造、檢測、調(diào)整和裝配，有利于提高夾具的制造精度。

結(jié)論

在這次歷時兩個禮拜的課程設(shè)計中，發(fā)現(xiàn)自己在理論與實踐中有很多的不足，自己知識中存在著很多漏洞，看到了自己的實踐經(jīng)驗還是比較缺乏，理論到實踐的能力還急需提高。讓我認(rèn)識到了仔細(xì)認(rèn)真的重要性。

這次課程設(shè)計讓我們更能注意到細(xì)枝末節(jié)。這次課設(shè)使我對機(jī)床夾具設(shè)計有了更深刻的理解，特別使其中的技術(shù)要求。同時感覺到了細(xì)節(jié)的重要性。有時候我們我們錯的并不是理論，而是我們很容易忽略的線型和該刪掉的線我們沒有刪掉。作為一個設(shè)計者不僅應(yīng)掌握良好的專業(yè)知識，有一個認(rèn)真仔細(xì)的心態(tài)，還有有一個冷靜的心態(tài)，遇到問題不能慌亂，不知所措

首先根據(jù)工件的加工要求，我選擇了鉆床，因此加工方向式垂直與水平面的。然后工件主要定位部分為直徑為φ30mm的中心孔和一側(cè)端面，用長銷小平面定五個自由度。雖然沒有滿足六個自由度的要求，但是不影響機(jī)床夾具的工作。因為被加工件需要鉆2個孔不限制Z向的旋轉(zhuǎn)會增進(jìn)效率。最后是將定位銷和支承板固定在夾具體上，沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械制造裝備課程設(shè)計說明書

利用銷定位、螺柱、螺母和內(nèi)六角螺釘進(jìn)行定位、夾緊。這樣將工件穩(wěn)固的夾緊在機(jī)床上，能更方便，準(zhǔn)確的進(jìn)行鉆孔加工。通過以上這些步驟，此機(jī)床夾具可以正常工作，此項設(shè)計方案可實施。通過精度驗算可知，此項機(jī)床夾具可施行。工件的定位、夾緊符合要求。

在設(shè)計的過程中，雖然感覺到了我的不足之處，但是我也學(xué)到了不少東西。在一定程度上，使我對以前學(xué)習(xí)過的東西有了加深理解和熟練操作。課程設(shè)計是機(jī)械專業(yè)學(xué)習(xí)的一個重要的、總結(jié)性的理論和實踐相結(jié)合的教學(xué)環(huán)節(jié)，是綜合運(yùn)用所學(xué)知識和技能的具體實踐過程。通過本次夾具設(shè)計，我對所學(xué)的專業(yè)知識有了更深刻的理解和認(rèn)識。課程設(shè)計內(nèi)容源于生產(chǎn)實踐，使得課程設(shè)計和實踐得到了充分的結(jié)合，有利于培養(yǎng)解決工程實際問題的能力。上學(xué)期在沈飛進(jìn)工廠實習(xí)或參觀的時候?qū)A具也有所了解，而這次課程設(shè)計的經(jīng)歷，使我對夾具有了更深刻的認(rèn)識

我們在這次的學(xué)習(xí)實踐中看到了自己的不足，同時發(fā)現(xiàn)到自己的一個不足，意味著我們成長了一點，如果我們每天成長一點點，那么我們會穩(wěn)扎穩(wěn)打的走向成功。

致謝

為期兩周的課程設(shè)計轉(zhuǎn)眼就過去了。通過這兩個星期的課程設(shè)計，使我綜合的運(yùn)用了幾年所學(xué)的專業(yè)知識。在課程設(shè)計中，發(fā)現(xiàn)自己在理論與實踐中有很多的不足，自己知識中存在著很多漏洞，看到了自己的實踐經(jīng)驗還是比較缺乏，理論到實踐的能力還急需提高。

首先，感謝學(xué)校給我們提供這次難得的實習(xí)機(jī)會，這讓我真切的體會到理論與實際相結(jié)合的意義，為我今后的機(jī)械制造技術(shù)設(shè)計思路奠定了基礎(chǔ)。從次課程設(shè)計中能讓我們學(xué)習(xí)到一些課本中不能引起我們注意的細(xì)節(jié)東西，感謝學(xué)校為我們提供的寶貴學(xué)習(xí)機(jī)會！

我非常感謝我的指導(dǎo)教師張福老師和張海華老師。兩周來，我時刻體會著兩位老師嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，不論天氣有多么的炎熱，都會在我們身邊細(xì)心指導(dǎo)。在課外時間，我們不明白一些設(shè)計的問題和有關(guān)畫圖方面的問題時，每次去老師那里，老師都會在百忙之中給我們足夠的時間去問問題，有時還會和我坐下來一起討論設(shè)計的方案。當(dāng)我的提出的方案不是經(jīng)濟(jì)實用的時候老師會細(xì)心講解給予更好的意見。整個過程，兩位老師都傾注了大量的心血。正是在老師科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹笇?dǎo)下，我的課程設(shè)計才能順利進(jìn)行，這篇論文也才得以順利完成。兩位 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械制造裝備課程設(shè)計說明書

老師不僅在學(xué)習(xí)上對我嚴(yán)格要求，在我們的思想行為上都給予了教育與指導(dǎo)。

這次課程設(shè)計雖然我完成的不是很成熟，但是通過老師的幫助和自己的努力完成課程設(shè)計還是讓我有一種自豪感，這是我自己真的去思考，設(shè)計，查詢資料得來的成果。在這次課程設(shè)計結(jié)束的時候，我感到有一種輕松感，不是因為課程設(shè)計不用再做了，而是因為我從這次課程設(shè)計中獲得了知識，有所學(xué)、有所用。更加知道我們將來能做什么，會做什么，該做什么。讓我們對行業(yè)有了了解，讓我們對自己的未來有了規(guī)劃。

感謝兩位老師的細(xì)心指導(dǎo)！

參考文獻(xiàn)

[1] 作者：吳宗澤，羅圣國，書名《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊》，出版者：高等教育出版社，出版年：1999，引用部分起止頁：37～46。

[2] 作者：李慶余，書名《機(jī)械制造裝備設(shè)計》，出版者：機(jī)械工業(yè)出版社，出版年：2008年，版次：2版

[3] 作者：張海華，書名《機(jī)械制造裝備設(shè)計指導(dǎo)書》，出版者：機(jī)械工程系，引用部分起止頁：44～46頁。

[4] 作者：薛源順，書名《機(jī)床夾具圖冊》，出版者：機(jī)械工業(yè)出版社，出版年2003年，版次：1版

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第四篇：液壓系統(tǒng)設(shè)計問題

畢業(yè)兩年有余，此間設(shè)計過一些系統(tǒng)，碰到過很多問題，總結(jié)出一些東西，由于小弟經(jīng)驗有限，見識尚淺，所以可能有不少錯誤，以下總結(jié)僅為各位看法，供大家討論，不對的地方還望各位大俠指教，謝謝!

1、流速：吸油管路為0.5-1m/s，壓油管路為6-8 m/s，回油管路為2-3 m/s，先導(dǎo)管路為1.2 m/s。

2、任何時候吸油管和泄油管都要在液面以下至少2.5倍的直徑，但不得小于100mm。吸油、回油泄油管之間的間距最少不得小于250mm。

3、壓力表選用：壓力較平穩(wěn)時，最大壓力值不超過測量上限的2/3；壓力波動時，其壓力值不應(yīng)超過測量上限的1/2，最低壓力不能低于測量上限的1／3

11、溢流閥A和B的規(guī)格和調(diào)定值均相同，并且所在回路的兩個泵并聯(lián)供油時，有時溢流閥發(fā)出很強(qiáng)的噪聲，產(chǎn)生共振。

12、所屬不同泵的兩個溢流閥的回油管最好分別接回油箱，如果回路管接在一起，當(dāng)兩個泵同時工作時，有時會產(chǎn)生很大的噪聲。

14、對于先導(dǎo)式溢流閥而言，壓力表一般接在溢流閥的進(jìn)油口，而不是遙控口。

15、使用同步閥時，實際流量要盡量與額定流量相同。實際流量偏小時，誤差會增大。

21、負(fù)載漂移：負(fù)載的速度隨著負(fù)載力的變化而改變。

22、液壓系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性主要是指當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，流量能否快速的跟隨著發(fā)生變化。

24、外嚙合齒輪泵：采用斜圓弧齒，噪音低，流量脈動小。

25、渦流離心過濾器：濾頭設(shè)計使得更換濾芯容易；濾芯受力均勻，工作時無振動；液流進(jìn)入后發(fā)生渦流，使顆粒沉淀到底部，從而直接排除。

30、安裝液壓缸應(yīng)牢固可靠,為防止熱膨脹影響,當(dāng)行程大和溫度高時,缸的一端必須保持浮動。

31、使用預(yù)壓縮容積法減少流量和壓力波動。

33、密封理論認(rèn)為：在一個動態(tài)柔性密封及其配合面之間存在一層完整的潤滑膜。在正常狀態(tài)下，正是借助這層潤滑膜來達(dá)到密封目的并延長密封件壽命。

34、油封(旋轉(zhuǎn)動密封)的密封機(jī)理由潤滑特性和密封原理兩部分組成。潤滑特性：油封的摩擦特性受流體的粘度與滑動速度支配，油封與軸的相對滑動表面在油膜分離的潤滑狀態(tài)下運(yùn)動，因此保持摩擦阻力小，磨損小。密封原理：油封滑動接觸面上油的流動是從大氣側(cè)流向油側(cè)又從油側(cè)流向大氣側(cè)的循環(huán)。滑動面的潤滑良好，可防止磨損的進(jìn)行，由此沒有泄漏。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動速度過高時，影響連續(xù)的潤滑膜的形成，導(dǎo)致摩擦熱增加，超出密封材料的耐溫范圍則造成密封件的損壞。壓力過大時，除影響油膜形成，還會對橡塑密封件產(chǎn)生“擠隙”作用，一般可采用加“擋圈”來改善。

45、行走液壓的所有元件和管道系統(tǒng)都不可避免地要經(jīng)常承受行駛中的顛簸和沖擊載荷 因此一般不采用疊加閥那樣的安裝形式，行走機(jī)械中常用的多片組合式多路滑閥的夾緊螺栓要比工業(yè)液壓中疊加閥的粗得多，工業(yè)液壓裝用的一些型式的冷卻器也經(jīng)不住行駛時加速度的慣性力負(fù)荷。

46、行走機(jī)械的載荷不確定性較強(qiáng) 主要體現(xiàn)為系統(tǒng)壓力波動劇烈，因此選用元件時應(yīng)有較大的瞬間耐壓強(qiáng)度儲備；工業(yè)固定設(shè)備的載荷及相關(guān)的液壓系統(tǒng)的壓力則較有規(guī)律，功率型

元件的平均負(fù)荷率通常定得較飽滿，需要更多地關(guān)注在連續(xù)帶載運(yùn)行情況下的壽命和可靠性問題。50、液壓件用螺釘與螺栓一般用8.8、10.9、12.9級，32MPa以上用12.9級，材料用35CrMo、30CrMnSi或Q420合金結(jié)構(gòu)鋼，螺母材料一般比螺栓的軟些。

52、軸向柱塞泵的發(fā)展趨勢是：高壓化、高速化、大流量化。要實現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵問題之一是要合理設(shè)計軸向柱塞泵中的各種類型的摩擦副，使之形成適當(dāng)?shù)挠湍ぃ蕴岣咧玫墓ぷ餍屎蛪勖?/p>

53、液體粘性傳動（HVD）是一種利用摩擦副之間的油膜剪切來傳遞動力的新型傳動形式，在大功率風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速節(jié)能方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

54、氣穴是液壓系統(tǒng)中常見的一種有害現(xiàn)象，經(jīng)常發(fā)生在閥口附近。不僅破壞了流體的連續(xù)性、降低了介質(zhì)的物理特性，而且引起振動和噪聲。同時系統(tǒng)效率降低，動態(tài)特性惡化。

58、過濾器初始壓降不得大于旁通閥壓力的1/3。

59、齒輪泵，轉(zhuǎn)速增加到1000rpm后，壓力脈動將會有很大改善。60、擺線馬達(dá)的噪音很小，但是其效率比較低。62、泵與馬達(dá)效率：

容積效率：泄露、液體壓縮

機(jī)械效率：摩擦、噪音、壓力損失

63、控制器電流輸入的抗干擾能力好（相比電壓輸入）67、油缸內(nèi)泄小于0.05ml/min。油缸運(yùn)行速度小于400mm/s 68、閥塊材料：高壓采用45鋼或者35鋼鍛打后直接機(jī)加工或者機(jī)加工后調(diào)制處理HB200-240。低壓可以采用20或者Q235（焊接性能好）。

69、薩澳推薦經(jīng)驗：V補(bǔ)=V系*0.1（V補(bǔ)為補(bǔ)油泵排量，V系為系統(tǒng)中泵與馬達(dá)的排量綜合）但是該經(jīng)驗公式不適用于以下場合（高沖擊負(fù)載、長管路工況3-5m以上，低速大扭矩工況），系統(tǒng)的沖洗流量Q沖洗=（20%-40%）*Q系統(tǒng)。

70、薩澳馬達(dá)（90、H1、51系列）用于開始回路時，回油口必須至少有7bar的背壓。72、負(fù)載敏感泵Ls管路選取原則：ls管路容積至少為泵出口到ls信號采集點之間管路容積的10%或更多，以提提高泵的響應(yīng)速度。

73、負(fù)載敏感泵ls壓力設(shè)定規(guī)則：增加ls壓力可以提高泵的響應(yīng)速度但是待機(jī)能耗增加，一半ls壓力為16-20bar，可根據(jù)負(fù)載敏感閥標(biāo)定流量時的壓差來調(diào)定泵上的ls壓力值。74、設(shè)備液壓油第一次換油時間：工作500h。以后沒1200-1500h換油。78、比例方向閥閥芯V型槽口： 加速和減速控制性好；C型槽口流量大。

79、比例閥一般為正遮蓋，中位死區(qū)為5%—20%，伺服閥為零遮蓋。比例閥的滯環(huán)為3%—7%，帶位置反饋的為0.3%-1%，伺服閥滯環(huán)為0.1%-0.5%。80、電磁閥電磁鐵多為吸力。

第五篇：液壓系統(tǒng)管路設(shè)計注意事項

液壓系統(tǒng)管路設(shè)計注意事項

一．液壓系統(tǒng)普遍存在的問題 1． 可靠性問題（壽命和穩(wěn)定性）

（1）國產(chǎn)元件質(zhì)量差，不穩(wěn)定；（2）設(shè)計水平低，系統(tǒng)不完善。2． 振動與噪音

（1）系統(tǒng)中存在氣體，沒有排凈。（2）吸油管密封不好，吸進(jìn)空氣。（3）系統(tǒng)壓力高。（4）管子管卡固定不合理。

（5）選用液壓元件規(guī)格不合理，如小流量選用大通徑的閥，產(chǎn)生低頻振蕩；系統(tǒng)壓力在某一段產(chǎn)生共振。3． 效率問題

液壓系統(tǒng)的效率一般較低，只有80％左右或更低。系統(tǒng)效率低的原因主要由于發(fā)熱、漏油、回油背壓大造成。4． 發(fā)熱問題

系統(tǒng)發(fā)熱的原因主要由于節(jié)流調(diào)速、溢流閥溢流、系統(tǒng)中存在氣體、回油背壓大引起。5． 漏油問題

（1）元件質(zhì)量（包括液壓件、密封件、管接頭）不好，漏油。（2）密封件形式是否合理，如單向密封、雙向密封。（3）管路的制作是否合理，管子憋勁。（4）不正常振動引起管接頭松動。

（5）液壓元件連接螺釘?shù)膭偠炔粔?，如國?nèi)疊加閥漏油。（6）油路塊、管接頭加工精度不夠，如密封槽尺寸不正確，光潔度、形位公差要求不合理，漏油。6． 維修問題 維修難，主要原因：

（1）設(shè)計考慮不周到，維修空間小，維修不便。（2）要求維修工人技術(shù)水平高。

液壓系統(tǒng)技術(shù)含量較高，要求工人技術(shù)水平高，出現(xiàn)故障，需要判斷準(zhǔn)確，不僅減少工作量，而且節(jié)約維修成本，因為液壓系統(tǒng)充滿了液壓油，拆卸一次，必定要流出一些油，而這些油是不允許再加入系統(tǒng)中使用。另外，拆卸過程有可能將臟東西帶入系統(tǒng)，埋下事故隱患。因此要求工人提高技術(shù)水平，判斷正確非常必要。7． 液壓系統(tǒng)的價格問題

液壓系統(tǒng)相對機(jī)械產(chǎn)品，元件制造精度高，因此成本高。二． 如何保證液壓系統(tǒng)正常使用

液壓系統(tǒng)正常工作，需要滿足以下條件： 1． 系統(tǒng)干凈

系統(tǒng)出現(xiàn)故障，70％都是由于系統(tǒng)中有臟東西如鐵屑、焊渣、鐵銹、漆皮等引起。例如，這類污染物，如果堵住溢流閥中的小孔（0.2mm）就建立不了壓力；如果卡在方向閥閥芯，就導(dǎo)致不能換向，功能不對；如果堵住柱塞泵滑靴的小孔，就產(chǎn)生干摩擦，損壞泵。另外，特別強(qiáng)調(diào)一點，如果水進(jìn)入液壓油中，導(dǎo)致液壓油乳化，最容易引起堵住柱塞泵滑靴的小孔，就產(chǎn)生干摩擦，損壞泵。如何保證系統(tǒng)干凈，應(yīng)注意：

（2）選用性能好的過濾器，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有多級精度過濾，不是精度越高越好，應(yīng)該有粗有細(xì)，根據(jù)元件對過濾精度的要求選擇。

（3）裝配時，每一件零件都要打毛刺，清洗干凈；焊接管路，接頭焊縫都要用銑刀銑去內(nèi)孔焊渣、焊瘤。管子要進(jìn)行酸洗處理。

（4）管子不要大拆大卸；拆下的液壓件和管路要保證清潔。（5）臨時增加管子的處理，首先酸洗，然后用大空壓機(jī)吹，加上汽油，吹到發(fā)白為止。（6）加油要進(jìn)行過濾。

（7）運(yùn)輸過程中，注意密封，保證液壓元件、管件不被污染。2． 無氣

系統(tǒng)中有氣體，性能不穩(wěn)定，壓力波動大，引起發(fā)熱。特別是吸油管密封不好，又發(fā)現(xiàn)不了，沒有油漏出，但氣體卻被吸入。吸油管的密封要特別注意。

如何保證系統(tǒng)沒有氣體，應(yīng)考慮：

（1）系統(tǒng)應(yīng)有放氣閥，每次調(diào)試前都要排氣，包括維修后開車。（2）吸油管路密封可靠，加避震管防止接頭憋勁。3． 油溫合理

油溫過高，引起油的粘度變小或變質(zhì)。粘度變小，影響系統(tǒng)性能，內(nèi)泄增加；變質(zhì)，則可能損壞液壓元件。4．不漏油

三． 液壓系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)注意的問題

如何解決液壓系統(tǒng)存在的各種問題，安全可靠，延長使用壽命。首先設(shè)計要合理。

? 可靠性問題

提高液壓系統(tǒng)的可靠性，建議采用以下幾種方法： 1． 選用性能優(yōu)良、制造水平高的液壓元件。2． 降低指標(biāo)使用。

如選用額定壓力為32MPA的液壓元件，其經(jīng)常使用的壓力為21－25MPA之間；如泵馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為3250rpm，使用到1000－1500 rpm，這樣就可以提高安全系數(shù)，提高元件使用壽命。

3． 盡量選用一家生產(chǎn)的液壓元件，以利提高質(zhì)量及解決備件問題。

4． 非標(biāo)元件盡量使用由專業(yè)液壓廠生產(chǎn)的元件、元素，以保證質(zhì)量，降低成本，提高標(biāo)準(zhǔn)化水平和解決備件供應(yīng)問題。5． 完善保護(hù)措施，提高安全可靠性。（3）采用雙泵系統(tǒng)。（4）增加需要現(xiàn)場工人調(diào)整的安全閥。（5）加強(qiáng)過濾，保證系統(tǒng)清潔。（6）增加油溫指示和報警。（7）增強(qiáng)系統(tǒng)的密封性能。（8）增加失壓報警和油位報警。

? 振動與噪音問題

振動厲害，噪音大，是液壓系統(tǒng)普遍存在的問題之一。減少振動，降低噪音，具有重要的意義。選用低噪音的泵和其他液壓件，目前很困難。在設(shè)計上需要考慮的是： 1． 降低泵的轉(zhuǎn)速。2． 降低使用壓力。

3． 合理選擇液壓元件和參數(shù)，不要產(chǎn)生吸空現(xiàn)象。

4． 把泵站閥架分開，并加減震墊，各部分之間均有軟管連接。

? 發(fā)熱問題的解決 1． 采用容積式調(diào)速系統(tǒng)

2． 閉式系統(tǒng)中，加強(qiáng)系統(tǒng)換熱，確定在特定的情況下，最佳的補(bǔ)油量，換油量，補(bǔ)油壓力和換油壓力；對泵和馬達(dá)要爭取在缸體外換熱。

3． 加強(qiáng)冷卻，選用性能好的冷卻器。

4． 減少回油背壓，減少系統(tǒng)壓力損失，管路的流速要合理，匹配合適的通徑；管子轉(zhuǎn)彎避免急彎，小通徑可直接彎管制成，大直徑選用流線形的彎頭。5． 要有泄漏油口，直接接回油箱。舉一個例子，恒壓變量泵的泄漏油口接回油箱，中間裝了截至閥，使用中，截至閥的手柄位置不對，工人以為已經(jīng)打開，實際上卻是處于關(guān)閉狀態(tài)。結(jié)果，變量泵的輸出軸的油封被擠壞，漏油，泵發(fā)熱。? 漏油問題的解決

漏是絕對的，不漏是相對的。

1．選用優(yōu)良的液壓元件和連接方式，盡量集成，采用板式、疊加或插裝元件，減少管接頭。

2． 選用性能好的密封件，機(jī)械性能等級高的連接螺釘。3． 保證油路塊、管接頭、法蘭等加工件制造精度，尺寸正確，粗糙度要求合理，形位公差達(dá)到要求。

4． 硬管子與接頭不別勁，橫平豎直，不直，要對直，中間有登臺彎過渡；一根管子最少有一個彎，避免兩頭接頭互相牽扯。5． 軟管要平滑過渡，運(yùn)動時不能產(chǎn)生多次彎折，運(yùn)動到最大行程時，保證仍有一段直段；同時軟管長度要合理，過長成本高。

6． 加強(qiáng)管路的固定，不但要有合理數(shù)量的管卡，還要考慮保證固定管卡的基礎(chǔ)，也要有剛度，避免振動引起接頭松動，產(chǎn)生漏油。? 維修問題

設(shè)計中，在滿足功能的前提下，盡量簡化系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計，模塊化設(shè)計，減少故障點。不要多一個功能，就加一個元件；要綜合考慮，簡化控制系統(tǒng)，達(dá)到一個元件擔(dān)任多種角色。同時，結(jié)構(gòu)設(shè)計中，合理布置元件、管接頭，便于安裝、操作。對于管路講，閥架上的A、B口接頭錯開布置，就便于安裝維修。

? 價格問題

主機(jī)廠，自制液壓元件價格高。不同液壓件廠價格差別大，老廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)液壓件，價格低；引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的液壓元件，價格貴。進(jìn)口液壓件，價格是國產(chǎn)件的幾倍，世界名牌廠家產(chǎn)品更貴。

1． 性價比是選擇液壓件的標(biāo)準(zhǔn)。

2． 進(jìn)口件，工作可靠，能提高主機(jī)品牌，有品牌效應(yīng)。3． 盡量選用標(biāo)準(zhǔn)液壓件，減少自制件。

4． 要注意選用大路貨，生產(chǎn)量大，銷路多的液壓件。5． 自制元件時，也要選擇液壓件廠生產(chǎn)的基本元件進(jìn)行改裝，成本比自己制造低，還能保證質(zhì)量。

6． 要向信譽(yù)好、質(zhì)量可靠、價格優(yōu)惠的廠家訂貨。

7． 在液壓元件的選取中，不單純追求技術(shù)指標(biāo)高的液壓元件，要根據(jù)實際情況使用要求，性價比等做綜合考慮，選取滿足要求，價格合理的液壓元件。四． 液壓管路設(shè)計注意事項

（一）鋼管

1． 根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)（工作壓力、工作流量）選定管子的材料、壁厚、通徑。見機(jī)械設(shè)計手冊第四卷P17-615~616頁。2． 選擇接頭形式。見機(jī)械設(shè)計手冊第四卷P17-617~618頁。3． 管子走向美觀、順暢，不干涉，對于設(shè)備上的管子，盡量沿著設(shè)備布置，與設(shè)備構(gòu)成一體。4． 管子要橫平豎直，這是管子的基準(zhǔn)。

5． 不允許管子與管子直接焊接，每根管子兩端要有管接頭，以便清理焊渣、酸洗槽酸洗，運(yùn)輸。

6． 兩個接口之間的管子，不要設(shè)計成直的，容易漏油。7． 管子與接頭要垂直，如果不直，要對直，中間有登臺彎過渡。否則，容易漏油。

8． 管子轉(zhuǎn)彎盡量避免急彎，小通徑管子可直接彎管制成，大直徑管子選用流線形的彎頭。9． 管子變徑處，要有過渡接頭。10． 管子與接頭焊接處，要開坡口。

11． 焊接要求采用氬弧焊，至少用氬弧焊打底。

（二）軟管

1． 軟管一般應(yīng)用在設(shè)備有振動和兩個接口有相對運(yùn)動的場合。要求見機(jī)械設(shè)計手冊第四卷P17-772~774頁。2． 應(yīng)盡量避免軟管的扭轉(zhuǎn)。3． 避免外部損傷。

4． 減少彎曲應(yīng)力。在總的運(yùn)動范圍內(nèi)不超過允許的最小半徑，同時，不承受拉應(yīng)力。彎曲半徑9－10倍軟管外徑。5． 安裝輔件，加以導(dǎo)向和保護(hù)。

（三）管夾

1． 管路要有管夾固定，間隔距離按設(shè)計手冊規(guī)定。見機(jī)械設(shè)計手冊第四卷P17-774頁。2． 管接頭附近應(yīng)有管夾。

3． 管夾不宜布置在彎管半徑內(nèi)，應(yīng)布置在彎管兩端處。否則，管子沒有變形空間。

4． 設(shè)計雙層管路，走管溝時，使用雙層管夾；如果選不到合適的雙層管夾，使用單層管夾，支架不能固定在溝壁兩側(cè)，只能使用懸臂式，否則，鋼管維修時，不易拆卸?；蛘撸苯庸潭ㄔ跍媳?。

5． 固定管夾基礎(chǔ)一定要剛性好，否則，容易產(chǎn)生振動，嚴(yán)重時，甚至損壞管件。舉一個例子，液壓防爆絞車，工作壓力達(dá)到31.5Mpa，由于，固定管夾的支架直接固定在地面，側(cè)面懸空，系統(tǒng)震動導(dǎo)致接管開裂。