第一篇：ZFL(D)標準型液壓柜說明書

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SWT-2000水輪機調(diào)速系統(tǒng) ZFL/D型單調(diào)節(jié)液壓裝置 技術(shù)說明書及用戶手冊

（V2.0）

國網(wǎng)電力科學研究院

南京南瑞集團公司水利水電技術(shù)分公司

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ZFL/D型水輪機調(diào)速器單調(diào)節(jié)液壓裝置技術(shù)使用說明書

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目錄

一、概述.............................................................2

二、系統(tǒng)組成........................................................4

三、主要技術(shù)參數(shù)及性能指標.....................................4

四、工作原理說明...................................................5

五、操作說明......................................................10

六、安裝與調(diào)整...................................................12

七、典型故障說明.................................................13

八、原理說明附圖.................................................14

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一、概述

ZFL系列液壓調(diào)節(jié)柜型號的含義：

ZFL100/XD：單調(diào)節(jié)型S：雙調(diào)節(jié)型主配壓閥直徑（mm)L：立式主配布置W：臥式主配布置

ZFL/D型調(diào)速器液壓控制柜是一種基于全液控自復(fù)中式主配壓閥為核心的電液控制系統(tǒng)，它是一種具有開創(chuàng)性全新概念的調(diào)速器液壓裝置。其結(jié)構(gòu)簡單，操作安全、方便、可靠，與電氣控制柜相配套，主要用于大中型混流式水輪機的自動調(diào)節(jié)與控制，除了常規(guī)的伺服閥控制功能外，它還具有容錯控制功能。該液壓柜設(shè)計的主導思想是全面提高調(diào)速系統(tǒng)的可靠性和速動性，適應(yīng)電站無人值班和少人值守的要求。與老式調(diào)速器液壓柜相比，它有如下特性（外觀照片見下頁）： ?

采用了德國BOSCH比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換元件。

伺服比例閥的功能是把輸入的電氣控制信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出的流量控制，該伺服閥的閥芯裝備了位置控制傳感器反饋，可將反饋信號引入電路形成閉環(huán)控制，因此控制精度很高，閥的滯環(huán)和不重復(fù)性均很小。在電磁鐵斷電時，閥具有“故障保險”位置，保證失電時閥芯回復(fù)到中位。該閥的最大特點是電磁操作力大，為環(huán)噴式和雙錐式電液伺服閥電磁操作力的5倍以上。它結(jié)合了伺服閥和比例閥的優(yōu)點，既有伺機服閥的高精度高響應(yīng)性又有比例閥的出力大、耐污染能力及防卡能力強等高可靠性，因此是普通電液伺服閥所無法比擬的。? 導葉和容錯控制采用了進口高速數(shù)字脈沖閥作為開關(guān)控制。

該閥平時運行時作為手動控制，當比例伺服閥故障時，則切換到容錯控制，由電氣柜輸出高速脈寬信號進行調(diào)節(jié)，仍可維持裝置自動運行。? 采用了全液控自復(fù)式主配壓閥作為控制核心。

主配壓閥的控制信號為流量輸入，由電液伺服比例閥直接控制，取消了常

自復(fù)中式主配第 2 頁

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規(guī)的調(diào)節(jié)杠桿、明管、引導閥、輔助拉力器及機械反饋傳動機構(gòu)，大大簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護方便性。另外主配壓閥自身具有自動回復(fù)中位的特點，其自復(fù)中機構(gòu)簡單可靠，無需調(diào)整機械零位。

? 電氣控制回路上，引入了與伺服比例閥相配套的BOSCH進口功率放大板，同時引入了伺服比例閥芯反饋和主配壓閥芯反饋，自行設(shè)計了多級閉環(huán)放大電路，充分提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、速動性等指標。同時由于伺服比例閥直接控制到主配壓閥，所以整個系統(tǒng)頻響特性好，響應(yīng)速度較快。

? 所有液壓件都設(shè)計安裝在液壓集成塊上，液壓件之間的聯(lián)接由集成塊內(nèi)部的油道完成，全部取消明管，從而可大大提高操作油壓力。

? 完全改變主配壓閥的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，取消了調(diào)節(jié)杠桿、明管、引導閥、機械開限機構(gòu)、輔助接力器及反饋傳動機構(gòu)，大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)了無滲漏。

? 主配壓閥控制信號改為液壓流量輸入，由電液伺服比例閥直接控制。主配壓閥為一級流量放大。

? 主配壓閥自身具有自動回復(fù)中位的特點，其自復(fù)機構(gòu)簡單可靠，不存在零點漂移現(xiàn)象，無需調(diào)整機械零位。

? 真正實現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的全集成化、高可靠性。

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二、系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)的組成包括：電液伺服比例閥V6、主配壓閥V1、容錯及手動控制閥V4、緊急停機閥V7、切換油路用閥V2及V5、手動調(diào)節(jié)速度用的單向節(jié)流疊加閥V3及節(jié)流閥V9、雙切換濾油器及其上的測量濾芯內(nèi)外壓力的壓力表和差壓發(fā)訊器、控制油總閥V8等。（參見第八章附圖2）。

主配壓閥組成包括：閥體、閥套、閥芯、上下兩端復(fù)位彈簧及定位件、閥芯位移傳感器及拒動發(fā)訊器、開關(guān)機時間調(diào)節(jié)螺母等。主配壓閥套為三段式結(jié)構(gòu)，有利于加工及保證軸向搭疊量。（參見第八章附圖1）。

三、主要技術(shù)參數(shù)及性能指標

3-1． 主要技術(shù)參數(shù)

1.額定工作壓力：

2.5MPa~10Mpa 2.主配壓閥直徑：

80mm~250mm 3.主配壓閥最大行程：

±15mm 4.控制腔活塞直徑：

65mm 5.控制閥組公稱通徑：

DN6 6.濾油器過流（單個）：

190L/min 7.濾

芯

精

度：

10~25um 8.電磁鐵工作電壓：

24VDC或220VDC 9.濾芯最大耐壓差：

0.5Mpa 10.差壓發(fā)訊器發(fā)訊壓差：

0.25 Mpa 3-2． 主要性能指標

1、主接力器的全關(guān)和全開時間在2～50秒范圍內(nèi)可調(diào)（根據(jù)機組參數(shù)）。

2、手動工況下，油壓在3～7MPa范圍內(nèi)變動時,主接力器位移不大于全行程的0.3%。

3、手動工況下，主接力器的時間漂移為：10分鐘內(nèi)位移不大于全行程的0.3%。

4、與電柜配合時，靜特性指標滿足：

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（1）轉(zhuǎn)速死區(qū)：ix≤0.02%(bp=6%)（2）非線性:q≤2.5%

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（3）主接力器甩25%負荷時的不動時間性Tq≤0.15秒。3-3．主要工藝特點

? 采用液壓反饋技術(shù)，液壓柜具有很高的響應(yīng)速度和自平衡能力； ? 使用由高分子復(fù)合材料作濾材的油處理系統(tǒng)，保證先導控制油的高品質(zhì)；

? 采用符合國際標準DIN24340連接尺寸的通用液壓件； ? 液壓柜無泄漏設(shè)計；

? 液壓集成塊采用化學鍍鎳的處理方法；

? 主要零部件采用38CrMoAlA及長時間低溫滲氮冰凍處理工藝等，配合精度好，硬度高，耐磨性好，尺寸熱穩(wěn)定性好。

四、工作原理說明

1.系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理框圖

見圖1（下頁），自動控制回路包括兩種方式，正常情況下通路為：電氣控制柜輸出控制信號（連續(xù)電壓）—伺服閥功放—伺服比例閥—切換閥—主配—接力器，該控制的穩(wěn)定性和精度靠三個閉環(huán)反饋來實現(xiàn)：伺服閥位移反饋、主配壓閥位移反饋、主接力器位移反饋。異常情況下（在伺服閥發(fā)生故障時），裝置自動切除伺服閥控制，并切換到容錯控制閥組，其通路為：電氣控制柜輸出控制信號（斷續(xù)脈沖）—容錯控制閥組—切換閥—主配—接力器。此時仍能維持接力器自動閉環(huán)控制，但精度有所降低。

緊急停機操作是通過操作緊急停機閥完成，其直接控制主配壓閥完成關(guān)方向動作。

手動控制通路為：手動控制開關(guān)（斷續(xù)脈沖）—容錯控制閥組—切換閥—主配—接力器。通過主配壓閥自動復(fù)中和模擬式導葉開度傳感器來保證接力器穩(wěn)定在某個位置。

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手動及容錯閥手動控制切換閥模擬傳感器圖1：系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理框圖

2.伺服比例閥簡介

伺服比例閥的功能是把輸入的電氣控制信號轉(zhuǎn)換成輸出的流量控制，所謂調(diào)速系統(tǒng)處于伺服運行工況，即是指伺服比例閥在運行的情況下，其閥芯裝備了位置控制傳感器，使得滯環(huán)和不重復(fù)性均很小。在電磁鐵斷電時，閥具有“故障保險”位置，即第四位置。（4/4伺服比例閥）

圖2：伺服比例閥閥位機圖

型

號：0811404036

閥位機能圖：見上圖2

技術(shù)指標：

? 公稱流量（閥口壓降Δp=35bar時）40L/min ? 最高工作壓力 315bar ? 泄漏（100bar時）

1.1L/min ? 安裝尺寸

NG6（ISO4401）? 電磁鐵電流

max.2.7A ? 線圈電阻

2.5~2.8Ω ? 功率消耗

max.25VA 第 6 頁

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? 位移傳感器

DC/DC技術(shù) ? 滯環(huán)

<0.2% ? 重復(fù)性

<0.1% ?-3db頻寬

100Hz ? 溫度漂移

<1%bei ΔT=40℃時

該閥的最大特點是電磁操作力大，為環(huán)噴式和雙錐式電液伺服閥電操作力的5倍以上。它結(jié)合了伺服閥和比例閥的優(yōu)點，既有伺機服閥的高精度高響應(yīng)性又有比例閥的出力大，耐污染能力及防卡能力強等高可靠性，因此是普通電液伺服閥所無法比擬的。

3.緊急停機閥及切換閥

緊急停機操作既可以與電柜或監(jiān)控系統(tǒng)配合，實行遠方控制，也可以操作機柜上的控制把手來現(xiàn)地控制。動作時，緊急停機閥關(guān)閉導葉，切換閥則切除伺服閥回路，確?？煽客C。另外，該閥都采用了雙電磁鐵線圈控制，閥自帶定位功能，動作時線圈只短時間通電，這樣即延長了線圈的壽命，又保證了閥芯動作的可靠性。

4.雙聯(lián)可切換濾油器

油質(zhì)處理采用了雙聯(lián)可切換濾油器（如下圖），它有兩只濾芯，總?cè)萘繛?×190L/min，過濾精度10μm，在濾芯的前后級各有一壓力表，用它可直接讀出濾芯前后的壓力差，另外，還加裝了一只壓差發(fā)訊器，當濾芯前后壓差達到0.35MPa，發(fā)訊器就點亮機柜面板上的指示燈報警，提示更換正在使用的這只

濾芯。更換是時，只要把雙切換手柄拔向另一只濾芯，即可在機組正常運轉(zhuǎn)的 情況下更換臟濾芯。濾油器在切換過程中，輸出油流不會中斷。

因為本濾油器濾芯的安裝方式是由下至上壓緊，且過濾油流的方向是從外向內(nèi)，故在更換濾芯的過程中不會帶進新的污染，另外，因濾芯是由各種有機、無機高分子材料復(fù)合而成，它既不會象紙質(zhì)濾芯那樣掉毛，亦不會象粉末冶金濾芯那樣脫粉，總之，它自身不生污染。

Qin控 制 油Qout圖3：雙切換濾油器

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圖五-9NARI

ZFL/D型水輪機調(diào)速器單調(diào)節(jié)液壓裝置技術(shù)使用說明書 5.系統(tǒng)工作原理 5-1技術(shù)方案

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根據(jù)我們在水輪機調(diào)速器方面十多年的設(shè)計制造經(jīng)驗，我們在原理設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計和工藝要求方面提出了如下方案：

? 采用頻響特性好，有抗油污能力，輸出功率大的電液伺服比例閥做電液轉(zhuǎn)換器。

? 主配壓閥輸入控制信號由傳統(tǒng)的機械位移改為流量。其上下端的二個控制口直接與電液伺服比例閥輸出口連接。

? 主配壓閥芯上下二腔為主控制腔，分別與主接力器關(guān)閉腔或開啟腔相連接。閥芯中間腔為主配壓閥操作油輸入腔（也是控制油取油口），與壓油裝置出口管相連接。? 主配閥上下二端安置有自動復(fù)位彈簧及定位部件。此設(shè)計保證當控制油恢復(fù)（零位）時，主配壓閥芯能自動恢復(fù)中位（零點）位置。? 主配壓閥上端中心位置裝有兩個調(diào)節(jié)螺母，可分別調(diào)整接力器關(guān)閉時間及開啟時間。? ? 主配壓閥上端裝有閥芯位移傳感器及拒動發(fā)訊器。

液壓系統(tǒng)設(shè)計了容錯控制環(huán)節(jié)。當電液伺服比例閥退出工作時，脈沖控制閥投入工作，繼續(xù)維持“自動運行”狀態(tài)，實現(xiàn)容錯控制功能。? 所有電磁液壓部件和其它液壓部件相互之間聯(lián)接由液壓集成塊完成。

5-2 控制原理

目前“電調(diào)”電液隨動系統(tǒng)，絕大部分采用機械位移輸出型電液轉(zhuǎn)換器。這主要是因為主配壓閥仍然是機械位移輸入型的，當系統(tǒng)采用液壓流量型電液伺服閥時，系統(tǒng)中要增加一中間接力器（起流量積分作用）把電液伺服閥的輸出流量信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g接力器的輸出位移量，再作用到主配壓閥的引導閥上。為使控制過程能恢復(fù)到平衡位置（零點）必須在中間接力器上裝一只傳感器，將其位置信號反饋到電氣信號綜合放大環(huán)節(jié)。主接力器上有一個電氣信號反饋環(huán)節(jié)。因此，形成了電液伺服閥與中間接力器之間，中間接力器與主接力器之間兩個隨動系統(tǒng)，不但系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性差，而且實踐證明其動態(tài)性能也差。

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我們新研制的ZFL/D系列調(diào)速器克服了上述缺點，詳細的方案見附圖。

附圖1：ZFL/D系列全液控自復(fù)式主配壓閥結(jié)構(gòu)圖。圖中所示為系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時全液控自復(fù)式主配壓閥（以下簡稱：主配）的平衡位置（即中位或零位）。P腔為操作壓力油進油腔；A、B腔分別為主接力器關(guān)閉腔或開啟腔的二個控制腔；T腔為回油腔；C、D腔分別為使閥芯上下運動的二個液控腔；Q1、Q2控制油路把伺服比例閥的二個控制口分別與“主配”液控腔C、D聯(lián)接起來。

當系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，即“主配”閥芯處于“零位”（中間位置）時，主油腔P、T、A、B之間皆不通，不向主接力器配油，主接力器位置不動。當電氣信號使電液伺服閥的壓力腔P與“主配”液控腔Q2相通時（同時電液伺服閥的回油腔T也與“主配”液控腔Q1相通），“主配”閥芯在D腔油壓作用下壓縮下彈簧向下移動，促使“主配”A腔與進油腔P相通，B腔與回油腔T相通，于是“主配”通過A腔向主接力器關(guān)閉腔配油，而主接力器開啟腔的油通過B腔回油到回油箱。結(jié)果，主接力器就向關(guān)閉方向移動。此時接力器位移傳感器向電氣綜合放大環(huán)節(jié)送出一個負反饋信號，電液伺服閥于是回復(fù)“中位”，“主配”液控腔Q1、Q2不與伺服比例閥的P或T聯(lián)通，因此“主配”C與D腔之間無壓力差，“主配”閥芯在下端彈簧的作用下向上移動，直至定位件被下端主閥套定位端面阻擋為止，“主配”回復(fù)到中間位置即“零位”。此時，“主配”停止向主接力器配油，主接力器停止移動。

當電氣信號使伺服比例閥壓力腔P與“主配”液控腔Q1相通，回油腔T與“主配”液控腔Q2相通時，“主配”閥芯運動過程及主接力器移動過程與上述情況相反。

“主配”上端中心裝有二個調(diào)節(jié)螺母，用來分別限制主配操作油開口大小，從而限制操作油的流量，達到調(diào)節(jié)主接力器開關(guān)時間的目的。

附圖2 ZFL/D（單調(diào)節(jié)）系列液控系統(tǒng)原理圖，具有如下功能： ? 容錯控制：當伺服比例閥V6退出運行時，系統(tǒng)用V5切斷V6油路，用V2投入脈沖控制閥V4，由V4承擔自動控制“主配”及主接力器的功能。當電柜退出控制，用機柜面板上的手動鈕控制閥V5、V2及V4，即實第 9 頁

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現(xiàn)了“手動控制”功能，其時的油路工作原理與“容錯控制”時完全一樣，只是人工面板控制手動鈕取代了電柜自動控制。? 緊急停機：當出現(xiàn)機組事故緊急停機信號時，系統(tǒng)將V7投入，向“主配”Q2供油，Q1回油，同時，用V5切斷V6（伺服控制）油路，用V2切除V4（容錯或手動控制）油路，“主配”以最大開口向主接力器關(guān)閉側(cè)供油，導葉緊急關(guān)閉，機組停機。

五、操作說明

1、機械外罩正面元件布置說明（示例）

圖4 機械外罩正面元件布置

1．各運行指示燈表示的狀態(tài)及含義(1)“操作電源”：

操作回路的DC24V、DC220V電源監(jiān)視電源，正常時常亮，若燈不亮，則表示DC24V、DC220V操作電源至少一個消失，此時手自動切換及手動增減均不能進行，需緊急處理，檢查DC24V、DC220V操作電源。如果只是DC24V消失外部緊急停機失效，可以操作面板緊急停機按鈕操作急停。

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ZFL/D型水輪機調(diào)速器單調(diào)節(jié)液壓裝置技術(shù)使用說明書(2)“導葉功放”：

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燈常亮時表示導葉功放模件工作正常，燈滅時表示功放保護動作，可能是傳感器，伺服閥反饋斷線以及伺服閥過流所引起，需作緊急處理。若恢復(fù)正常需將功放模件電源斷開再合上，可將調(diào)速器切至手動方式，操作柜內(nèi)開關(guān)FU1進行，再將調(diào)速器切至自動方式。(3)“導葉手動”：

當導葉控制手自動把手位于手動時，該燈被點亮，切換回自動方式時燈滅。(4)鎖錠拔出，鎖錠投入

當鎖錠拔出和投入時分別被點亮，用于監(jiān)視鎖錠的狀態(tài)，當鎖錠投入燈亮時，不允許進行手動操作導葉接力器，否則會造成鎖錠損壞。(5)“油濾堵塞”

當濾油器前后的壓差達到一定數(shù)值時，該燈被點亮，壓差可通過波油器前后的壓力表觀察到，當發(fā)生堵塞時，應(yīng)及時進行濾油器切換或更換工作部分濾油器濾芯。

(6)“緊急停機”：

當緊急停機操作執(zhí)行時燈亮并自保持，此時須再執(zhí)行復(fù)歸才可使燈滅。緊急停機燈點亮表示調(diào)速器進入緊急停機狀態(tài)，其他操作都被禁止。

5-2 液控柜操作說明 5-2-1．導葉控制部分的操作：(1)自動運行：

表示導葉不運行在手動控制方式，此時手動增減操作閉鎖，緊急停機可以操作。在手動控制方式運行時可以操作切自動把手切換至自動控制方式運行。(2)手動運行：

操作導葉控制手動把手，此時導葉手動燈亮，然后再操作增減把手即可手動控制導葉接力器的位置。5-2-2．緊急停機的操作

若機組出現(xiàn)過速等機械或電氣事故需緊急停機時，應(yīng)向液壓柜下發(fā)緊急停機令（脈沖令脈寬大于2S），也可以手動操作面板急停按鈕，調(diào)速器直接將導葉接第 11 頁

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力器關(guān)到全關(guān)，實現(xiàn)緊急停機。此狀態(tài)一直保持，直到急停復(fù)歸令下發(fā)或手動操作復(fù)歸按鈕方可解除急停狀態(tài)。

六、安裝與調(diào)整

6-1．機柜的安裝

本機械柜是分解成兩大部件運輸?shù)?，它們是：主配壓閥及控制集成塊部分一箱，機殼一箱。

現(xiàn)場安裝時，方法如下：

先將主配壓閥部分吊裝至基礎(chǔ)板上（基礎(chǔ)板事先校平），其中濾油器所在的一邊為正后邊，讓小基板上的四個安裝孔與基礎(chǔ)板上的螺孔分別對齊，用汽油清洗小基板上的四個安裝孔，和四只安裝螺栓，然后，擰緊四只螺栓，接著，再往小基板上的四個安裝孔內(nèi)填滿703硅膠。（這主要是防止接油盆內(nèi)有油通過該孔往下滲漏）。

最后將機殼罩上，電線插頭互連，即可。6-2．開關(guān)機時間整定

參見圖5，開關(guān)機時間整定可以通過調(diào)整開側(cè)調(diào)節(jié)鏍母和關(guān)側(cè)調(diào)節(jié)鏍母來實現(xiàn)，當關(guān)側(cè)調(diào)節(jié)鏍母靠近調(diào)節(jié)支架時，關(guān)閉時間變長，反之則時間變短。同理，若整定開啟時間，當開側(cè)調(diào)節(jié)鏍母靠近調(diào)節(jié)支架時，開啟時間變長，反之則時間變短。開關(guān)機時間整定可以通過手動來操作，利用秒表來記時。整定好后可以將開關(guān)側(cè)調(diào)節(jié)鏍母固定。

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主配傳感器關(guān)側(cè)調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)支架開側(cè)調(diào)節(jié)螺母

圖5：開關(guān)機時間、主配傳感器調(diào)整示意圖

6-3．主配傳感器調(diào)整

參見上圖5，一般主配位移傳感器在拆卸、更換以及零點偏移時需要重新調(diào)整零位，該調(diào)整對于調(diào)速器的自動運行非常重要，方法如下：

1． 將導葉液壓控制部分切換到手動狀態(tài)，操作增減把手，使接力器保持在中間某位置不動。

2． 測量傳感器的供電電源（+15V及-15V），電源應(yīng)保持對稱且不低于±14V。

若供電電源為+12V，則不應(yīng)低于+11V。

3． 測量傳感器的反饋電壓，如偏離零伏電壓，則慢慢調(diào)整傳感器的鐵芯，使反饋電壓接近零伏，然后用內(nèi)六角扳手調(diào)整傳感器側(cè)面的鏍母進行微調(diào)，直到零伏電壓。

七、典型故障說明

7-1．導葉液壓故障

現(xiàn)象：電柜報導葉液壓故障，伺服閥自動調(diào)節(jié)失靈，只能脈沖控制。處理方法：

（1）首先檢查BOSCH功放板顯示是否正常（正常只有一個綠燈亮），24V、±15V電源，伺服反饋等是否正常，然后檢查主配反饋是否在中位，電柜輸出板開關(guān)電壓是否正常，排除以上電氣故障后，再進行液壓系統(tǒng)部分檢查。

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（2）檢查自動狀態(tài)下各電磁閥位置是否正確，參見附圖2：液壓系統(tǒng)原理圖。主要檢查手自動切換閥V3D是否在自動位。

（3）若液壓部分有卡澀，則需對液壓部件進行清洗。

伺服閥清洗：取下電磁閥線圈及反饋接線，旋下4個固定螺絲，擰開一邊閥蓋（與線圈一邊相反），小心取出閥芯，用干凈汽油清洗閥芯和閥塊。

手自動切換閥清洗：摘下電磁閥線圈接線，旋下4個固定螺絲，擰開一邊閥蓋，小心取出閥芯，用干凈汽油清洗閥芯和閥塊。

集成塊清洗（有必要時）： 旋下集成塊上所有的閥及工藝堵頭及組合墊圈，用干凈汽油或煤油沖洗集成塊上所有的孔，同時用手電照射檢查所有內(nèi)孔，看孔中是否有鐵屑及毛邊，如有毛邊或鐵屑就用銅條將其去除，然后再用干凈的油沖洗，再用干凈的高壓空氣沖射每只孔，最后將各工藝堵頭及組合墊付墊圈旋上并將所有閥件就位即可。（注意：各工藝堵頭上的組合墊圈及集成塊頂面上的“O”型密封圈及閥件安裝面上的“0”型密封圈在安裝時要小心不可漏花）。7-2．“油濾堵塞”燈亮 處理方法：

（1）檢查濾油器前后壓力表的壓差，及時進行濾油器切換或更換工作部分濾油器濾芯。濾芯更換方法如下：參見附圖1，先將需要更換的濾芯切換到備用，然后用扳手扳住濾油器底部的鏍絲，慢慢將濾油器旋下，取出濾芯，檢查濾芯內(nèi)雜質(zhì)和積水情況。

（2）檢查壓差發(fā)訊器動作是否正常，壓差整定值一般為0.25MPa。

八、原理說明附圖

8-1．附圖

1．附圖1：主配壓閥裝配圖 2．附圖2：液壓系統(tǒng)原理圖

3． 附圖3：機械柜基礎(chǔ)架示意圖

4．附圖4：機械柜外型尺寸圖 5．機械柜現(xiàn)場布置圖

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附圖1：主配壓閥裝配圖

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附圖2：液壓系統(tǒng)原理圖

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附圖3：機械柜基礎(chǔ)架示意圖

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附圖4：機械柜外型尺寸圖

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附圖5：機械柜現(xiàn)場布置圖

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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。它有機械式和液壓式兩種。機械式千斤頂又有齒條式與螺旋式兩種，由于起重量小，操作費力，一般只用于機械維修工作，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)行元件等運動元件進行潤滑。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。可壓縮性小可以確保傳動的準確性。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，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)當中及機械校調(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)生的油壓被擠進大活塞，由帕斯卡原理（液壓傳遞壓強不變的原理，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)，油液進入大油缸將負載頂起。將負載頂?shù)侥繕烁叨群?，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，消除操作者心里負擔，我們的設(shè)計除液壓自鎖外，還設(shè)置了機械自鎖裝置。

機械自鎖：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)耐鈿ぃ簤焊谆钊怀惺茌d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，達到鎖緊目的（如圖3）。

四、結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）螺旋傳動機構(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，將活塞桿進行改良設(shè)計，如圖4所示，加設(shè)螺旋配合機構(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)螺紋提升螺旋桿達到提高行程的目的。在不需要增大起重行程時，螺旋桿旋進活塞桿，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。這是遠遠不夠的，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。可以看出，1通道為油液進入手動油泵的通道（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?？紤]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)實生活中的標準。我們作為機械工程專業(yè)的學生，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)想就永遠只能是幻想，永遠無法成為設(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，我們必須學會熟練的掌握它。

在設(shè)計過程結(jié)束后，我自己學到了不少的知識，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)計過程中所學到的東西將是我人生路上強有力的墊腳石，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

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

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

在機械制造廠的生產(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。如機床夾具、檢驗夾具、焊接夾具、裝配夾具等。

機床夾具的作用可歸納為以下四個方面：

1.保證加工精度

機床夾具可準確確定工件、刀具和機床之間的相對位置，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.減少勞動強度

采用機械、氣動、液動等夾緊機構(gòu)，可以減輕工人的勞動強度。

4.擴大機床的工藝范圍

利用機床夾具，可使機床的加工范圍擴大，例如在臥式車床刀架處安裝鏜孔夾具，可對箱體孔進行鏜孔加工。

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

1.培養(yǎng)學生綜合運用機械設(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)訓練可以鞏固、加深有關(guān)機械課設(shè)方面的理論知識。

2.學習和掌握一般機械設(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)，做好準備。

3.使學生具有運用標準、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)前準備

1.1年生產(chǎn)綱領(lǐng)

工件的年生產(chǎn)量是確定機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、機動夾緊或自動化程度較高的設(shè)計方案，采用此方案時，機床夾具的結(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，它決定了工件在機床夾具中的放置方法，是設(shè)計機床夾具總體結(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、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、已加工表面決定了機床夾具的方位方案，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床、刀具的依據(jù)。確定夾緊機構(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、可靠同時夾緊機構(gòu)不能與刀具的運動軌跡相沖突。

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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)標準正確選擇定位元件或定位的組合。在機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，選用標準定位元件增加了夾具零件的互換性，方便機床夾具的維修和維護。

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

2.2夾緊機構(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.選擇夾緊機構(gòu)：

設(shè)計夾緊機構(gòu)一般應(yīng)遵循以下主要原則： 1)夾緊必須保證定位準確可靠，而不能破壞定位。沈陽理工大學應(yīng)用技術(shù)學院機械制造裝備課程設(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)夾緊機構(gòu)必須可靠。夾緊機構(gòu)各元件要有足夠的強度和剛度，手動夾緊機構(gòu) 4)必須保證自鎖，機動夾緊應(yīng)有聯(lián)鎖保護裝置，夾緊行程必須足夠。5)夾緊機構(gòu)操作必須安全、省力、方便、迅速、符合工人操作習慣。6)夾緊機構(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夾緊機構(gòu)

選用螺栓螺母夾緊機構(gòu)來對被加工工件進行夾緊。

螺栓螺母夾緊機構(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擴力比80以上，行程S不受限制；④加緊工作慢，效力低。

2.3機床夾具的總體形式

機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： 沈陽理工大學應(yīng)用技術(shù)學院機械制造裝備課程設(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、加緊機構(gòu)和聯(lián)接體，并于機床可靠聯(lián)接。2.3.2確定聯(lián)接體：

聯(lián)接體是將導向裝置與夾具體聯(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)按制圖標準繪制。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、夾緊機構(gòu)、導向裝置的位置。3.按夾緊狀態(tài)畫出夾緊元件和夾緊機構(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 沈陽理工大學應(yīng)用技術(shù)學院機械制造裝備課程設(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)夾具與機床的聯(lián)系尺寸，即夾具在機床上的定位尺寸。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)標注尺寸和配合種類。

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

6.夾具裝備圖上應(yīng)標注的技術(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)定位表面與導向元件工作面間的相互位置精度。

(4)各導向元件的工作面間的相互位置精度。

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

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

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。

完整填寫標題欄，如裝配圖號、名稱、單位、設(shè)計者、比例等。

沈陽理工大學應(yīng)用技術(shù)學院機械制造裝備課程設(shè)計說明書

完整填寫明細表，一般來說，加工工件填寫在明細表的下方，標準件、裝配件填寫在明細表的上方。注意，不能遺漏加工工件和標準件、配套件。8.機床夾具應(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、減輕勞動強度 機床夾具要有工作安全性考慮，必要時加保護裝置。要符合工人的操作位置和習慣，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度。

4)排屑順暢 機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)機床夾具應(yīng)有良好的強度、剛度和結(jié)構(gòu)工藝性 機床夾具設(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。讓我認識到了仔細認真的重要性。

這次課程設(shè)計讓我們更能注意到細枝末節(jié)。這次課設(shè)使我對機床夾具設(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，有一個認真仔細的心態(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，沈陽理工大學應(yīng)用技術(shù)學院機械制造裝備課程設(shè)計說明書

利用銷定位、螺柱、螺母和內(nèi)六角螺釘進行定位、夾緊。這樣將工件穩(wěn)固的夾緊在機床上，能更方便，準確的進行鉆孔加工。通過以上這些步驟，此機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，但是我也學到了不少東西。在一定程度上，使我對以前學習過的東西有了加深理解和熟練操作。課程設(shè)計是機械專業(yè)學習的一個重要的、總結(jié)性的理論和實踐相結(jié)合的教學環(huán)節(jié)，是綜合運用所學知識和技能的具體實踐過程。通過本次夾具設(shè)計，我對所學的專業(yè)知識有了更深刻的理解和認識。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。上學期在沈飛進工廠實習或參觀的時候?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識

我們在這次的學習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，使我綜合的運用了幾年所學的專業(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，感謝學校給我們提供這次難得的實習機會，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)計中能讓我們學習到一些課本中不能引起我們注意的細節(jié)東西，感謝學校為我們提供的寶貴學習機會！

我非常感謝我的指導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肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，不論天氣有多么的炎熱，都會在我們身邊細心指導。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。當我的提出的方案不是經(jīng)濟實用的時候老師會細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、嚴謹?shù)闹笇拢业恼n程設(shè)計才能順利進行，這篇論文也才得以順利完成。兩位 沈陽理工大學應(yīng)用技術(shù)學院機械制造裝備課程設(shè)計說明書

老師不僅在學習上對我嚴格要求，在我們的思想行為上都給予了教育與指導。

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、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。

感謝兩位老師的細心指導！

參考文獻

[1] 作者：吳宗澤，羅圣國，書名《機械設(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《機械制造裝備設(shè)計》，出版者：機械工業(yè)出版社，出版年：2008年，版次：2版

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

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

沈陽理工大學應(yīng)用技術(shù)學院機械制造裝備課程設(shè)計說明書

第四篇：船用液壓舵機系統(tǒng)設(shè)計說明書

重慶大學 碩士學位論文

船舶液壓舵機系統(tǒng)設(shè)計研究

姓名：王月

申請學位級別：碩士 專業(yè)：機械設(shè)計與自動化

指導教師：陳波

2012-06 重慶大學碩士學位論文

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后進入了快速發(fā)展

階段，海運事業(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。舵機是控制船舶航向的重要設(shè)備，其性能的好壞對于船舶運動的 控制起著非常關(guān)鍵的作用。但目前國內(nèi)對于船舶舵機的研究大多集中于船舶航向 及舵跡控制方面，對于舵機本身的運動轉(zhuǎn)換機構(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)高性能船舶舵機并實現(xiàn)量產(chǎn)，對于我國船舶行業(yè)配 套能力的加強、競爭力的提高具有重要意義。

本文通過分析研究船舶舵機作用原理及目前常用轉(zhuǎn)舵機構(gòu)，提出采用滾珠逆 螺旋機構(gòu)作為轉(zhuǎn)舵機構(gòu)，構(gòu)建新式舵機。根據(jù)船舶對舵機要求及螺旋作動器實際 需要，進行深入分析比較后，設(shè)計了舵機液壓傳動原理圖，確定了電氣控制方案。對舵機液壓系統(tǒng)進行必要的簡化后，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)學模型，經(jīng)適當變換最終得到了舵機的數(shù)學模型，并對舵機系 統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了分析。由于舵機閉環(huán)時域響應(yīng)緩慢，且船舶在航行過程中受風、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)進行了仿真分析。根據(jù)船舶舵機需遠距離傳送信號且干擾源多的情況，采取了操作室與舵機室分散控制，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)計的船舶舵機系統(tǒng)，采用了新型轉(zhuǎn)舵機構(gòu)，有效減小了舵機體積及重 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校正與先進的模糊控制相結(jié)合，提高了 舵機的動態(tài)性能，增強舵機自適應(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。對高性能船舶舵機的設(shè)計據(jù)有一定的指導意義。

關(guān)鍵詞：船舶舵機，建模，模糊PID，仿真分析，PLC控制

I 重慶大學碩士學位論文

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 重慶大學碩士學位論文

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 重慶大學碩士學位論文

緒論 緒

論

1.1 船舶舵機介紹

1.1.1 舵機作用原理

舵機是船舶上的一種大甲板機械，是船舶最重要的輔機之一，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，對船的運動方向不產(chǎn)生影響。當舵葉偏轉(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； 重慶大學碩士學位論文

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

在舵機設(shè)計時，確定舵機結(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航速前進時，將舵轉(zhuǎn)到最大舵角所需要的扭矩來確定的。

1.1.2 船舶對舵機的要求

舵機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 重慶大學碩士學位論文

緒論

夠的強度并能在船舶處于最深航海吃水并以最大營運航速前進時將舵自任何一舷

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 有足夠的強度，且能在船舶處于最深航海吃水，并以最大營運航速的一半且不小

o o 于7 kn 前進時，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)在駕駛臺和舵機室都設(shè)有控制器；當主操舵裝置設(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，差距相當大。

LPG船、化學品船、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)

船舶主機目前缺口達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 構(gòu)已經(jīng)對船舶舵機系統(tǒng)已經(jīng)進行了較多的研究，但大多集中于對自動舵、航跡舵 等舵機控制方法上的研究。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 重慶大學碩士學位論文

緒論

已嚴重脫節(jié)。因此，在重慶市科委的領(lǐng)導下，重慶大學與重慶液壓件廠合作，對 舵機運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)、液壓及控制系統(tǒng)進行深入研究，開發(fā)高性能船舶液壓舵機，這對中高檔船舶配套設(shè)備的國產(chǎn)化具有重要意義。

本課題以船舶舵機運動轉(zhuǎn)換機構(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。深入分析液壓傳動原理，研究舵機控制原理及其控制理 論，采用先進的控制方案。最終實現(xiàn)高性能液壓舵機的批量生產(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。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、執(zhí)行機構(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、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，五十年代后期，進一步發(fā)展了電液傳動系統(tǒng)，這對減輕操舵人員的勞 動強度改善操舵條件，簡化舵機結(jié)構(gòu)具有重要意義。八十年代是舵機更新?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失靈而觸礁，造成嚴重污染和重大經(jīng)濟損失。為此，舵機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，其中對舵機的要求提出了重要的新條款。舵機更新的另一原因，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 得進展，邏輯閥等新型液壓元件開始應(yīng)用于舵機和其它船用液壓裝置中，另外，舵機電氣遙控系統(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 浮動桿機械追隨機構(gòu)也顯得陳舊。進入八十年代以來，世界舵機主要制造廠家都 開始認真檢查其產(chǎn)品，并按1981年修正案的要求重新設(shè)計各自的舵機，力爭在市 場上保持較大的競爭優(yōu)勢。新一代的舵機的性能和可靠性更趨完善。目前國外舵 機最新變化動向如下。

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 重慶大學碩士學位論文

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 閥控型舵機的應(yīng)用功率范圍在擴大，性能也在改善。閥控型舵機因穩(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?，F(xiàn)在隨著閥控型舵 機設(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系列閥控型舵機最 大公稱扭矩已達到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、流量進行連續(xù)的、按比例的遠程控制的比 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。日本川崎泵控型舵機的液壓系統(tǒng)即使用了邏輯閥。丹 麥狄沙麥潤四缸活塞式舵機的控制系統(tǒng)中使用了比例方向閥，取消了機械追隨機 構(gòu)，從而轉(zhuǎn)舵精度可達土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、機械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)控制船舶舵機。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界的重視，各先進資本主義國 家也形成了研究機構(gòu)和一批知名企業(yè)。到目前為止只有少數(shù)經(jīng)濟發(fā)達資本主義國 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50年代，經(jīng)典理論達到了旺盛時期，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) 重慶大學碩士學位論文

緒論

律。由于P調(diào)節(jié)器不需要詳細的有關(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) 用中還無法完全達到要求，但熟練的舵手運用他們的操舵經(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動船舶的記錄，能自制船用蒸汽往復(fù)機以及由其驅(qū)動的機 艙輔機，甲板機械等。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、導航儀等都依賴進口，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年成立六機部，組建國產(chǎn)化協(xié)作機制，造船從仿制改進到自行研制（研制出核

潛艇、遠洋探測船、萬噸輪等），但該機構(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。重慶大學碩士學位論文

緒論

1.4 主要研究內(nèi)容

本課題針對當前舵機體積大、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)用先進的傳動機構(gòu)，采用適應(yīng)性強的控制方法，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。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 運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)的選擇。綜合分析了國內(nèi)外現(xiàn)有轉(zhuǎn)舵機構(gòu)的特點及存在的問 題，根據(jù)舵機要求體積小、質(zhì)量輕、傳動效率高等特點，選擇滾珠螺旋作動器作 為運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)。

② 液壓系統(tǒng)的設(shè)計。為提高舵機轉(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。由于舵機操舵室與舵機室距離遠，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。并建立舵機系 統(tǒng)的數(shù)學模型，對系統(tǒng)的動態(tài)性能進行了仿真分析。重慶大學碩士學位論文

系統(tǒng)方案設(shè)計 系統(tǒng)方案設(shè)計

船舶舵機主要有有運動轉(zhuǎn)換機構(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 船舶舵機系統(tǒng)組成Fig.2.1 Component of steering gear

2.1 轉(zhuǎn)舵機構(gòu)

轉(zhuǎn)舵機構(gòu)是將油泵供給的液壓能變?yōu)檗D(zhuǎn)動舵桿機械能的一種機構(gòu)，目前常用 的機構(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，當轉(zhuǎn)舵扭矩較小時常用雙向雙缸單撞桿的型式，而當轉(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)舵機構(gòu)

Fig.2.2 Crosshead-style steering structure 重慶大學碩士學位論文

系統(tǒng)方案設(shè)計

當舵轉(zhuǎn)至任意舵角α時，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)，當公稱轉(zhuǎn)舵扭矩既定時，滑式轉(zhuǎn)舵機構(gòu)最大工作油壓較其它轉(zhuǎn)舵 機構(gòu)要小。撥叉式與十字頭式原理類似。

2）滾輪式轉(zhuǎn)舵機構(gòu)

圖2.3滾輪式轉(zhuǎn)舵機構(gòu)

Fig.2.3 Roller steering structure

滾輪式轉(zhuǎn)舵機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點：在舵柄端部以滾輪代替滑式機構(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 D、R0

和 P 既定時，滾輪式轉(zhuǎn)舵機構(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，只達到滑式機構(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)舵機構(gòu) 重慶大學碩士學位論文

系統(tǒng)方案設(shè)計

圖2.4 擺缸式轉(zhuǎn)舵機構(gòu)

Fig.2.4 Swing-cylinder steering structure

擺缸式轉(zhuǎn)舵機構(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 大的舵機中。

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

圖2.5 轉(zhuǎn)葉式轉(zhuǎn)舵機構(gòu)

Fig.2.5 Rotating blade steering structure 重慶大學碩士學位論文

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)，扭矩特性在坐標圖

上是一條與橫坐標平行的直線。其優(yōu)點是：(1)占地面積小（約為往復(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)舵機構(gòu)[13,14]

重慶大學機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構(gòu)。該機構(gòu)如圖2.7所示，由液壓缸、傳 動軸、滾珠副等部分組成。重慶大學碩士學位論文

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，可達到較高的工作壓力，加工簡單、技術(shù)成熟。采用該機構(gòu)作為 轉(zhuǎn)舵機構(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)舵機構(gòu)既 擁有轉(zhuǎn)葉式舵機的優(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，在坐標圖上是一條與橫坐標平行的直線。雖然該機構(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)舵機構(gòu)。本文設(shè)計的就是基于此種轉(zhuǎn)舵機構(gòu)的舵機。

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

舵機達到更好的性能?，F(xiàn)有液壓舵機的種類很多，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 重慶大學碩士學位論文

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-機械轉(zhuǎn)換 力或力矩馬達，功耗小比例電磁鐵，功耗中 步進電機、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)特點導致中位泄漏量大，閥的負載剛性差，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)雜程序和運動的控制，通過電信號實現(xiàn)遠距離控制，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。重慶大學碩士學位論文

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)費用。3.快速地換裝專用閥塊，使舵機裝置現(xiàn)代化。提高了舊船的經(jīng)濟性能。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油與回油壓降相等，如果壓降不等，則液壓缸進

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，電機及泵的體積、重量都大增，功率損耗也隨之增大； 為使舵機的體積質(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保護壓力表，壓 力表6顯示液壓系統(tǒng)壓力，精過濾器8保護比例方向閥，比例方向閥9控制液壓 缸運動方向及運動速度，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載 時損壞，減壓閥15使油壓符合比例先導閥的供油要求。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，液壓泵2開始供油

（油液經(jīng)電磁溢流閥4流回油箱），當操舵員向左轉(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控制，另一路經(jīng)比例方向閥

9、液壓鎖

10、截止閥

11、進入液壓缸12上腔，活塞桿驅(qū)動螺旋作動器運動，舵運 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。重慶大學碩士學位論文

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)及計算機與單片機控制系統(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 重慶大學碩士學位論文

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。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)，嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進抗 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。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械內(nèi)部，是實 現(xiàn)機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)。是集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和人機交互技術(shù)為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。具有控制功能強、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 重慶大學碩士學位論文

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采用樹狀拓撲和并行連續(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的標準信號，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)?，F(xiàn)場總線是綜合運用微處理器技術(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)場總線強調(diào)遵循公開統(tǒng)一的技術(shù)標準，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 重慶大學碩士學位論文

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，安裝費用低，維護簡便。

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)議標準，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)一的標準，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擔。

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)和拓撲結(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)拓撲結(jié) 構(gòu)。這種傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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。

④ 計算機與單片機控制系統(tǒng)

計算機控制以其強大的計算性能見長，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)的上位機使用。

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

統(tǒng)構(gòu)建麻煩，且系統(tǒng)搭建后普通人員維護困難，遠不如使用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。

2.3.2 控制系統(tǒng)方案

舵機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，這就要求舵機控制器可靠性要高。由于操作室與舵機安 裝倉間距比較大，大型船舶控制線路可達幾百米，這就要求舵機控制及反饋信號 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。重慶大學碩士學位論文

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控制及計算機與單片機控制的比較，根據(jù)舵機控制器的設(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。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)舵機構(gòu)，根據(jù)船舶對舵機的要求，提出采用重慶大學機

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

舵機系統(tǒng)建模 舵機系統(tǒng)建模

舵機角度調(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)的性能及所能達到的精度對舵機的性能與舵角精度影響很大。為了對系統(tǒng) 性能進行定量分析，了解系統(tǒng)的技術(shù)指標，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)及舵機其它組成環(huán)節(jié)進行詳細的建模分析。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；都導致液壓系統(tǒng)表現(xiàn) 出來的并非是一個嚴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

載部分，電氣控制模塊。根據(jù)舵機系統(tǒng)實際情況，建立了舵機系統(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、先導閥、功率閥芯組成。重慶大學碩士學位論文

舵機系統(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

—電流負反饋系數(shù)；()ifut

—反饋電壓，V。

由于采用了深度負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—真空磁導率，Hm/

；70410μπ?=×

A —氣隙部位垂直于磁力線的面積，m2。重慶大學碩士學位論文

舵機系統(tǒng)建模

對式（3.5）進行線性化處理可得：

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閥工作，需克服的負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)及深度電流負反饋的作用

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

特性的傳遞函數(shù)： 重慶大學碩士學位論文

舵機系統(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： 重慶大學碩士學位論文

舵機系統(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)。

由于先導閥的外負載力幾乎為零，故略去負載力的輸入，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)，主閥芯相當于活塞。則：

經(jīng)線性化處理，先導閥的流量方程：

=?

（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

—先導閥的流量增益系數(shù)； —主閥總泄漏系數(shù)；

vpA

—先導閥的流量-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載力。

對（3.17）、（3.18）、（3.19）進行拉氏變換得：

()()()

（3.20）

=?vLeqvecvLQsKxsKPs

Vvt

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

（3.21）

vLvtpvLvpvvL β e

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

（3.22）

vpvLvtvvtvvtvvAPsmsxsBsxsKxsFs整理可得主閥芯位移為： 重慶大學碩士學位論文

舵機系統(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動速度小得多，即21

位移對先導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載力；

—活塞及負載折算到活塞上的總質(zhì)量；

ptK

pLF

ptm ptB

—粘性阻尼系數(shù)； —負載的彈簧剛度。

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： 重慶大學碩士學位論文

舵機系統(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大于先導級的銜鐵-彈簧組件 諧振頻率，故功率級滑閥相對于先導級閥的動態(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。所以可將舵機方塊圖簡化為如圖3.5所示。重慶大學碩士學位論文

舵機系統(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/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，當負載增加時 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 重慶大學碩士學位論文

舵機系統(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

隨負載變化而變化

重慶大學碩士學位論文

舵機系統(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)向時舵機可能無法跟隨操 作命令作出迅速反應(yīng)。為了能達到較好的操舵性能必須對舵機系統(tǒng)加校正環(huán)節(jié)使 其達到更好的性能。

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)學模型，經(jīng)適當處理得到了舵機系統(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)。重慶大學碩士學位論文

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，根本無法建立準確的數(shù)學模型，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： 重慶大學碩士學位論文

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)學模型，當被控對象存在結(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，加上舵機液壓系統(tǒng)的不確定性因素以及微機控制和數(shù)字化等問題，普遍存在較大 程度的外負載干擾、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，使得舵機系統(tǒng)很難建立非常精確的數(shù)學模型，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中，微機根據(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，然后運用推理對PID參數(shù)進行調(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知識庫中，然后微機根據(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

重慶大學碩士學位論文

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

重慶大學碩士學位論文

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

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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

積分作用，有利于減小系統(tǒng)靜差，但是過強的積分作用，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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出現(xiàn)較大的超調(diào)，IK

值要小,通常取

IK

= 0；當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；當偏差較小

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)適當選取 DK。其原則是: 當偏差變化率較小時，DK取大一

些;當偏差變化率較大時，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)計算機輔助設(shè)計軟

件。MATLAB語言是一種用于科學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。其強大的矩陣運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工具箱建立舵機仿真模型。建立的舵機數(shù)學模型，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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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。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)舵機實際情況選擇了模糊PID控制方案，設(shè)計了舵機模糊控制器。并對舵機閉環(huán)、常規(guī)PID調(diào)節(jié)和模糊PID調(diào)節(jié)三種控制方式進行了仿真比較。得 出模糊PID控制可使舵機獲得較好的動態(tài)性能，適合高性能舵機的需要。

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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、工程機械、船舶 運輸、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 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可達10Km（速率在5kbps以下），通信速

率最高可達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110個。在標準

幀報文標識符有11位，而在擴展幀的報文標識符（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)有的單片機開發(fā)工 具。

CAN總線的通信線路由兩條導線組成，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，并通過它進行通信。CAN通信線路的總線值為 兩種互補邏輯數(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)議的標準化。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 給出了標準和擴展的兩種報文格式。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通 運輸工具—數(shù)字交換—高速通信控制器局域網(wǎng)（CAN）國際標準（ISO11898），為 CAN進一步標準化、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準，也遵從網(wǎng)絡(luò)標準模型。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、標準化的高 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)中提供標準的、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)運而生，此協(xié)議是在20世紀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)在運動控制、車輛工業(yè)、電機 驅(qū)動、工程機械、船舶海運等行業(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 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 入液壓缸推動螺旋作動器運動，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)主泵電機備用泵電機變壓器及急停開關(guān)及控制部分熔斷器主泵、備用泵電機控制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

第五篇：山東眾力液壓技術(shù)股份有限公司股權(quán)掛牌交易說明書摘要pdf_百解讀

山東眾力液壓技術(shù)股份有限公司天津股權(quán)交易所 掛牌交易說明書摘要 保薦機構(gòu)

濟南恒銀股權(quán)投資合伙企業(yè)(有限合伙 2013年12月18日 目錄

第一章扉頁(1

一、重要聲明與提示(1

二、釋義(1 第二章風險因素(4

一、行業(yè)周期風險(4

二、公司管理水平滯后風險(4

三、市場競爭的風險(4

四、技術(shù)風險(5

五、原材料成本價格風險(5

六、技術(shù)人才流失或不足的風險(6

七、實際控制人和控股股東控制風險(6

八、短期償債風險(6 第三章公司基本情況(8

一、公司概況(8

二、公司股權(quán)結(jié)構(gòu)及股東情況(9

三、公司業(yè)務(wù)(11

四、公司會計信息(12

五、利潤分配政策(20

六、發(fā)展規(guī)劃概況(20 第四章掛牌各方當事人(23

一、掛牌公司基本情況(23

二、本次掛牌交易的有關(guān)機構(gòu)(23 第一章扉頁

一、重要聲明與提示

本說明書摘要的目的僅為向投資者提供有關(guān)本次掛牌交易的基本情況,投資者在作出交易決定之前,應(yīng)仔細閱讀掛牌交易說明書全文,并以其作為投資決策依據(jù)。現(xiàn)就本次掛牌交易事宜作如下聲明和提示:

一、本公司董事會保證本說明書摘要內(nèi)容真實、準確、完整,全體董事承諾對本說明書摘要的虛假記載、誤導性陳述或重大遺漏負連帶責任。

二、本公司提醒投資者注意,凡本說明書摘要未涉及的有關(guān)內(nèi)容,請投資者仔細閱讀掛牌交易說明書全文或通過天津股權(quán)交易所向本公司查詢。

三、根據(jù)《公司法》及有關(guān)法律、行政法規(guī)和天津股權(quán)交易所有關(guān)規(guī)定,本公司董事、監(jiān)事、高級管理人員已依法履行誠信和勤勉盡責的義務(wù)和責任。

四、天津股權(quán)交易所以及有關(guān)備案機構(gòu)對本公司股權(quán)掛牌交易及有關(guān)事項的意見,均不表明對本公司的任何保證。

五、天津股權(quán)交易所不承擔任何由于政策和市場變化給股權(quán)掛牌交易和投資者帶來的風險。

二、釋義

在本股權(quán)掛牌交易說明書中,除非另有說明,下列簡稱具有以下含義: 本公司、公司、眾力液壓指山東眾力液壓技術(shù)股份有限公司 眾力有限指山東眾力液壓技術(shù)有限公司

股權(quán)定向發(fā)行指采用非公開方式,在天津股權(quán)交易所核準后向特定對象發(fā)行股份。

控股股東、實際控制人指秦洪明

董事會指山東眾力液壓技術(shù)股份有限公司董事會 監(jiān)事會指山東眾力液壓技術(shù)股份有限公司監(jiān)事會 天交所指天津股權(quán)交易所有限公司 公司法指《中華人民共和國公司法》 證券法指《中華人民共和國證券法》

公司章程指《山東眾力液壓技術(shù)股份有限公司章程》 保薦機構(gòu)、保薦人、濟南恒

指濟南恒銀股權(quán)投資合伙企業(yè)(有限合伙 銀

報價商指濟南恒銀股權(quán)投資合伙企業(yè)(有限合伙 律所、邦盛律所指北京市邦盛(濟南律師事務(wù)所

審計機構(gòu)、會所、大正會所指德州大正有限責任會計師事務(wù)所 驗資機構(gòu)指德州大正有限責任會計師事務(wù)所 祥光精飾指沂水縣祥光金屬表面精飾有限責任公司 許家湖信用社指山東省農(nóng)村信用社沂水聯(lián)社許家湖信用社 工商銀行沂水支行指中國工商銀行股份有限公司沂水支行 民生銀行臨沂分行指中國民生銀行股份公司臨沂分行 沂水縣工商局指沂水縣工商行政管理局 臨沂市工商局指臨沂市工商行政管理局

報告期、兩年一期指2011、2012、20131月-11月企業(yè)產(chǎn)品和行業(yè)專業(yè)詞語釋義: 氣動元件通過氣體的壓強或膨脹產(chǎn)生的力來做功的元件,即將壓縮空氣 特別說明:本說明書中部分合計數(shù)與各分項數(shù)值之和如存在尾數(shù)上的差異,均為四舍五入原因造成。的彈性能量轉(zhuǎn)換為動能的機件。

液壓傳動 以液體作為工作介質(zhì)來傳遞能量和進行控制的傳動方式。液壓 傳動系統(tǒng)一般由動力元件、執(zhí)行元件、控制調(diào)節(jié)元件、輔助元 件和工作介質(zhì)組成。

液壓缸 油缸或液壓油缸,是液壓系統(tǒng)中的一種重要執(zhí)行元件,其功能 就是將液壓能轉(zhuǎn)變成直線往復(fù)式的機械運動。液壓缸一般由缸 筒、缸蓋、活塞、活塞桿、密封裝置與緩沖裝置等部分組成。缸筒

缸筒是液壓缸的主體,其內(nèi)孔一般采用鏜削、鉸孔、滾壓或珩 磨等精密加工工藝制造,使活塞及其密封件、支承件能順利滑 動,從而保證密封效果,減少磨損;缸筒要承受很大的液壓力, 因此,應(yīng)有足夠的強度和剛度。

缸蓋 缸蓋安裝在缸體的上面,從上部密封氣缸并構(gòu)成封閉空間。它 經(jīng)常與高溫高壓燃氣相接觸,因此承受很大的熱負荷和機械負 荷。

活塞桿 活塞桿是支持活塞做功的連接部件,大部分應(yīng)用在油缸、氣缸 運動執(zhí)行部件中,是一個運動頻繁、技術(shù)要求高的運動部件。其加工質(zhì)量的好壞直接影響整個產(chǎn)品的壽命和可靠性?；钊麠U 加工要求高,其表面粗糙度要求為Ra0.4~0.8um ,對同軸度、耐磨性要求嚴格。

密封件 密封件是指安置在液壓與氣壓傳動系統(tǒng)及其元件中,防止工作 介質(zhì)的泄露及外界塵埃和異物的入侵,起密封作用的元件,常 由橡膠材料合成。

拋光

指利用機械、化學或電化學的作用,使工件表面粗糙度降低, 以獲得光亮、平整表面的加工方法。第二章風險因素

一、行業(yè)周期風險

經(jīng)濟發(fā)展都具有一定的周期性特征。公司所處的液壓缸行業(yè)為挖掘機等大型基建設(shè)備、海洋工程設(shè)備、港口船舶、大型工業(yè)設(shè)備等重型裝備關(guān)鍵配套件行業(yè),其發(fā)展與宏觀經(jīng)濟形勢具有較強的相關(guān)性?！笆濉逼陂g,受我國城鎮(zhèn)化步伐加快、重大工程開工、以及我國機械裝備制造業(yè)升級改造需求的帶動,裝備制造業(yè)的固定資產(chǎn)投資仍將十分強勁。但是,如果國家宏觀經(jīng)濟政策轉(zhuǎn)向緊縮,企業(yè)壓縮投資規(guī)?；蚪档屯顿Y速度,則將對液壓設(shè)備及配套液壓機械行業(yè)的整體需求和經(jīng)營情況產(chǎn)生不利影響。

應(yīng)對措施:近兩年,公司業(yè)務(wù)受上游機械行業(yè)需求不振的影響較大,但公司仍然保持了穩(wěn)定發(fā)展的勢頭。一方面,公司不斷拓展銷售渠道,通過增加供應(yīng)商、產(chǎn)品出口抵消國內(nèi)需求下降的負面影響。另一方面,公司正在開展的高端密封件研發(fā)項目投產(chǎn)以后,將實現(xiàn)公司產(chǎn)品的多元化,降低行業(yè)風險對公司經(jīng)營的影響。

二、公司管理水平滯后風險

公司的不斷發(fā)展壯大對公司管理層提出了越來越高的要求。公司需要不斷完善管理制度、建立健全與企業(yè)發(fā)展狀況相適應(yīng)的內(nèi)控制度、進一步提升管理能力以適應(yīng)發(fā)行人經(jīng)營規(guī)模的迅速擴大。如果發(fā)行人管理層不能適時完善管理體制,未來可能存在管理水平滯后,不能滿足公司業(yè)務(wù)發(fā)展的管理風險。

應(yīng)對措施:公司已完善了治理結(jié)構(gòu),設(shè)有股東大會、董事會、監(jiān)事會和經(jīng)理層等決策、監(jiān)督及經(jīng)營管理機構(gòu)。一方面,公司已經(jīng)建立了完整的組織機構(gòu),并制定了相應(yīng)的內(nèi)部管理和控制制度,使各部門之間分工明確、各司其職、相互配合,構(gòu)成一個

有機整體,保證公司管理運作有序。另一方面,公司注重對管理人員的培訓和鍛煉,不斷提升公司的管理能力。

三、市場競爭的風險

目前,在高端液壓機械領(lǐng)域,國內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模較大、技術(shù)工藝較為成熟、產(chǎn)品性能好且可靠性強、業(yè)內(nèi)口碑較好的企業(yè)較少。經(jīng)過多年的發(fā)展,眾力液壓已在

核心產(chǎn)品、技術(shù)創(chuàng)新、生產(chǎn)能力、市場品牌等方面形成了較強優(yōu)勢,并在主要產(chǎn)品技術(shù)方面具備了替代進口的能力,但如果公司不能抓住有利時機擴大現(xiàn)有優(yōu)勢產(chǎn)品的生產(chǎn)能力并及時進行產(chǎn)品的升級換代,迅速擴大競爭優(yōu)勢,則可能面臨較大的市場競爭風險。

應(yīng)對措施:公司正積極進行產(chǎn)品升級和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整,提高公司產(chǎn)品的市場競爭能力。加強與現(xiàn)有客戶的溝通,了解客戶需求,提升合作水平。同時逐步實現(xiàn)公司產(chǎn)品的多元化,提高公司的市場競爭能力。

四、技術(shù)風險

隨著科學技術(shù)的發(fā)展及與裝備制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,客戶對公司現(xiàn)有產(chǎn)品在技術(shù)和質(zhì)量上提出了更高的要求,如果本公司不能準確預(yù)測產(chǎn)品的市場發(fā)展趨勢,及時研究開發(fā)新技術(shù)、新工藝及新產(chǎn)品,或者科研與生產(chǎn)不能同步跟進,滿足市場的要求,產(chǎn)品可能面臨被淘汰的風險。此外,如果公司生產(chǎn)所依賴的技術(shù)被淘汰,公司的生產(chǎn)經(jīng)營將會受到較大的影響。

應(yīng)對措施:創(chuàng)新與研發(fā)是公司持續(xù)發(fā)展的源動力,公司一直注重新產(chǎn)品的研發(fā)與現(xiàn)有技術(shù)的改造,技術(shù)研發(fā)投入不斷提高。同時,公司高度重視與高等院校、科研院所的合作,通過共同研發(fā)和技術(shù)引進增強企業(yè)的科技水平,力爭使公司的研發(fā)水平保持在同行業(yè)的前列。

五、原材料成本價格風險

液壓企業(yè)生產(chǎn)所需主要原材料包括鋼材鍛件、密封件等,而上述原材料成本在企業(yè)生產(chǎn)中可以占主營業(yè)務(wù)成本的比例較高。雖然公司產(chǎn)品價格會隨原材料成本變動做相應(yīng)調(diào)整,但產(chǎn)品價格調(diào)整具有滯后性,如果產(chǎn)品價格調(diào)整不能抵銷原材料價格變動的影響,或上述原料庫存調(diào)配不合理,原材料的價格波動將直接影響公司產(chǎn)品制造成本的變動,從而影響公司的利潤。

應(yīng)對措施:首先,隨著我國鋼鐵產(chǎn)能過剩及鋼材需求增幅的下降,鋼材價格大幅上漲的可能性較小。其次,公司采購部門一直密切關(guān)注原材料價格動向趨勢,做好批量采購,加強原材料管理,嚴把進料關(guān)。最后,公司一直嚴把生產(chǎn)質(zhì)量關(guān), 降低次品率,最大幅度的降低生產(chǎn)成本。

六、技術(shù)人才流失或不足的風險

公司發(fā)展與高級管理人員和核心技術(shù)人員的貢獻密切相關(guān)。公司已制定并實施了針對上述核心人員的績效激勵和約束制度,但隨著市場競爭的不斷加劇,液壓行業(yè)對專業(yè)人才需求加大,仍不排除核心技術(shù)人員流失的風險。此外,隨著市場競爭的加劇和客戶需求的不斷提高,必然擴大對技術(shù)人才的需求,公司也將面臨技術(shù)人才不足的風險。

應(yīng)對措施:公司經(jīng)過十余年的發(fā)展,高級管理人員與核心技術(shù)人員相對穩(wěn)定。企業(yè)十分注重培育企業(yè)文化,通過企業(yè)文化建設(shè)增強員工向心力和團隊凝聚力,通過定期或不定期的培訓提高員工的素質(zhì)。隨著公司效益的提升,不斷提高員工待遇,豐富員工福利。

七、實際控制人和控股股東控制風險

公司董事長、法定代表人秦洪明為公司控股股東、實際控制人。雖然公司建立了較為完善的公司治理制度,但公司的實際控制人仍可憑借其控股地位,通過行使表決權(quán)等方式對公司的人事任免、生產(chǎn)和經(jīng)營決策等進行不當控制,從而損害公司及公司中小股東的利益。

應(yīng)對措施:目前公司在業(yè)務(wù)、資產(chǎn)、人員、財務(wù)及機構(gòu)上已經(jīng)獨立運作,不存在被實際控制人和控股股東操縱的現(xiàn)象。公司已建立了規(guī)范的法人治理結(jié)構(gòu),對股東的權(quán)利義務(wù)以及參與公司決策的程序做出了規(guī)定,及加強對大股東的規(guī)范和對中小股東權(quán)益的保護。此外,作為公司的實際控制人和控股股東已做出書面承諾,將嚴格按照《公司法》及《公司章程》的有關(guān)規(guī)定,不侵犯公司及其他股東的合法權(quán)益,不利用其大股東地位做出有損于其他股東權(quán)益的行為。

八、短期償債風險

2013年11月30日的資產(chǎn)負債率為79%,處于較高水平。如果宏觀經(jīng)濟形勢發(fā)生不利變化或者信貸緊縮,同時公司銷售回款速度減慢,則公司正常運營將面臨較大的資金壓力。

應(yīng)對措施:公司資產(chǎn)負債率較高主要是由于公司引進的高端密封件項目目前處于試驗調(diào)試階段,資金投入較大。另一方面,公司對其子公司祥光精飾投資,而其主營的鍍鉻、鍍鋅業(yè)務(wù)投資回收周期長。

公司主要供應(yīng)商相對穩(wěn)定,主要客戶大多為國內(nèi)的知名企業(yè),商業(yè)信用良好;同時公司針對應(yīng)收賬款建立了嚴格的管控制度,貨款能夠及時收回,為償付到期債務(wù)提供了可靠的資金保障。同時,隨著子公司祥光精飾的經(jīng)營日漸完善,公司的投資收益將逐步顯現(xiàn)。未來公司高端密封件項目的投產(chǎn),預(yù)計2014年銷售收入達到1.5億元,實現(xiàn)利稅4000萬元。

第三章公司基本情況

一、公司概況

公司名稱:山東眾力液壓技術(shù)股份有限公司 住所:沂水縣工業(yè)園(經(jīng)濟開發(fā)區(qū) 注冊資本:壹仟貳佰萬元

實收資本:壹仟貳佰萬元 公司類型:股份有限公司(非上市 成立日期:2003年9月19日 注冊號:37***27 法定代表人:秦洪明

經(jīng)營范圍:前置許可經(jīng)營項目:無。

一般經(jīng)營項目:生產(chǎn)、銷售:液壓機械、貨物與技術(shù)的進出口。(國家法律、行政法規(guī)禁止經(jīng)營的除外,需許可經(jīng)營的,須憑許可證或資質(zhì)證經(jīng)營。

山東眾力液壓技術(shù)股份有限公司成立于2003年,是重型自卸汽車、工程機械液壓缸的專業(yè)化生產(chǎn)廠家。公司主要產(chǎn)品有重型自卸汽車液壓缸及放大架、環(huán)保設(shè)備液壓缸、農(nóng)業(yè)機械裝備液壓缸、煤機缸、工程機械液壓缸、設(shè)備用液壓缸、液壓系統(tǒng)等系列產(chǎn)品。多年以來,公司與中集、重汽、一汽、二汽、東岳、五岳等著名大型企業(yè)建立了良好的合作關(guān)系,在國內(nèi)擁有30多家經(jīng)銷商及服務(wù)站,并出口韓國、俄羅斯等國家。

公司先后通過了ISO9001、TS16949質(zhì)量管理體系認證,圍繞涉及產(chǎn)品質(zhì)量形成全過程的各個環(huán)節(jié),從人員培訓、設(shè)計、采購、生產(chǎn)、安裝、出廠檢驗等環(huán)節(jié)建立了嚴格的質(zhì)量控制體系,處于同行業(yè)領(lǐng)先水平。

公司為省級企業(yè)技術(shù)中心,高新技術(shù)企業(yè)(2012年12月31日到期,現(xiàn)在重新申請中,市級液壓缸工程技術(shù)中心;已授權(quán)實用新型專利11項;研發(fā)的新

型自卸汽車多級液壓缸,分別獲得了山東省中小企業(yè)科技進步一等獎、市科技成果二等獎;重型自卸汽車液壓缸獲得了山東省名牌產(chǎn)品稱號。

公司一貫注重自主創(chuàng)新,注重新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用,密切同高等院校、科研院所合作,不斷提高公司的研發(fā)能力、管理水平。公司抓住山東省政府建設(shè)山東半島機械制造業(yè)基地的機遇,以高新技術(shù)為先導,不斷拓展產(chǎn)品種類,形成了具有行業(yè)和企業(yè)自身特點的新工藝、新技術(shù),促進了產(chǎn)品的更新?lián)Q代,提高了產(chǎn)品的市場定位。由于產(chǎn)品質(zhì)量好,企業(yè)信譽高,市場占有率不斷提高。

二、公司股權(quán)結(jié)構(gòu)及股東情況(一股權(quán)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

(二公司前十名股東持股情況 序

號姓名性別證件號碼持股數(shù)量(萬股 持股比例

(% 1 秦洪明男37282719630730**** 720 60 2 秦全男37282719520122**** 180 15 3 吳憲云女23112319841226**** 90 7.5 4 秦少華男37***6**** 90 7.5 5 秦皓文男37***9**** 90 7.5 6 濟南恒銀--*** 30 2.5 合計----1200 100(三公司控股股東及實際控制人情況

公司的股東秦洪明認繳注冊資本720萬元,占總注冊資本的60%,為公司控股股東。秦洪明自公司成立以來的持股情況如下: 時間持股數(shù)量持股比例2003.09.19 240萬股80% 2009.08.17 640萬股80% 2013.12.17 720萬股60% 自公司成立以來,秦洪明一直擔任公司執(zhí)行董事兼總經(jīng)理,2013年11月25日,眾力液壓召開第一屆董事會第一次會議,選舉秦洪明為董事長,同日公司聘任秦洪明為公司總經(jīng)理。

保薦人經(jīng)核查認為,秦洪明是公司的實際控制人,并自公司設(shè)立以來未發(fā)生變化。

秦洪明,男,1963年7月出生,大專學歷,身份證號:37282719630730****,家住山東省沂水縣沂水鎮(zhèn)前埠東村144號。1982年參加工作,1982年6月至1990年1月任沂水縣沂東木器廠廠長;1990年1月至2003年1月任沂水縣沂東油缸廠廠長;2003年

至今創(chuàng)立山東眾力液壓技術(shù)有限公司任執(zhí)行董事兼總經(jīng)理。現(xiàn)任公司董事長、總經(jīng)理。

(四持有5%以上股份股東情況 序

號姓名性別證件號碼持股數(shù)量(萬股 持股比例(% 1 秦洪明男37282719630730**** 720 60 2 秦全男37282719520122**** 180 15 3 吳憲云女23112319841226**** 90 7.5 4 秦少華男37***6**** 90 7.5 5 秦皓文男37***9**** 90 7.5 合計----1170 97.5(五報價商簡介和報價商持股情況

1、報價商簡介

濟南恒銀股權(quán)投資合伙企業(yè)(有限合伙資金規(guī)模5000萬元人民幣,法定代表人:柴修申。濟南恒銀股權(quán)投資合伙企業(yè)(有限合伙致力于發(fā)現(xiàn)、挖掘具有良好發(fā)展前景的優(yōu)秀企業(yè),推薦企業(yè)在股權(quán)交易市場掛牌,本著與掛牌企業(yè)共同成長的理念,專注于投資掛牌企業(yè)股權(quán),助力掛牌企業(yè)更快、更好發(fā)展,為企業(yè)提供保薦服務(wù)、報價服務(wù),是在天津股權(quán)交易所有限公司注冊的合格投資人、報價商和保薦機構(gòu)。

2、報價商持股情況

報價商濟南恒銀股權(quán)投資合伙企業(yè)(有限合伙持有公司股份30萬股,占總股本的2.50%。

三、公司業(yè)務(wù)(一公司主營業(yè)務(wù)介紹

公司主營業(yè)務(wù)為液壓缸的生產(chǎn)和銷售。

液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)換為往復(fù)直線運動的機械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。液壓缸的輸入量是流體的流量和壓力,輸出的是直線運動速度和力。液壓缸廣泛應(yīng)用于各種工程機械、起重機械、礦山機械及農(nóng)用運輸車、自卸汽車等的液壓傳動。

(二公司主要產(chǎn)品流程

產(chǎn)品研發(fā)是公司生產(chǎn)過程中的重要業(yè)務(wù)流程之一。公司研發(fā)部門主要根據(jù)客戶提供的產(chǎn)品要求和型號或根據(jù)公司銷售部門的市場調(diào)研,設(shè)計新產(chǎn)品、改良現(xiàn)有產(chǎn)品,然后批量生產(chǎn)。

主要產(chǎn)品液壓缸的生產(chǎn)流程:

四、公司會計信息

(一最近兩年及一期的資產(chǎn)負債表

1、資產(chǎn)負債表(資產(chǎn) 單位:元 資產(chǎn)行 次

2013年11月30日 余額

2012 年末余額2011年末余額 流動資產(chǎn):

貨幣資金 1 12,260,154.63 18,784,114.94 5,214,597.78 交易性金融資產(chǎn) 2 應(yīng)收票據(jù) 3 應(yīng)收賬款 4 11,870,426.70 14,179,218.07 14,430,674.60 預(yù)付款項 5 586,872.89 1,733,457.00 5,057,209.18 應(yīng)收利息 6 應(yīng)收股利7 其他應(yīng)收款8 524,432.75 286,517.25 893,316.59 存貨9 17,542,645.91 17,734,657.31 8,856,899.30 一年內(nèi)到期的非流動 10 資產(chǎn)

其他流動資產(chǎn)11 流動資產(chǎn)合計12 42,784,532.88 52,717,964.57 34,452,697.45 非流動資產(chǎn): 可供出售金融資產(chǎn)13 持有至到期投資14 長期應(yīng)收款15 長期股權(quán)投資16 投資性房地產(chǎn)17 固定資產(chǎn)18 56,300,516.38 60,939,821.29 36,923,895.53 工程物資19 在建工程20 3,483,326.94 2,483,014.89 固定資產(chǎn)清理21

生產(chǎn)性生物資產(chǎn)22 油氣資產(chǎn)23 無形資產(chǎn)24 5,722,054.35 5,849,422.07 5,976,789.80 開發(fā)支出25 商譽26 長期待攤費用27

2、資產(chǎn)負債表(負債與所有者權(quán)益 單位:元

(二最近兩年及一期利潤表 單位:元

(三最近兩年及一期現(xiàn)金流量表

(四公司主要財務(wù)指標

五、利潤分配政策(一近兩年股利分配 最近兩年未進行股利分配。(二滾存利潤分配

公司掛牌前滾存未分配利潤由掛牌后公司新老股東共享。

六、發(fā)展規(guī)劃概況

(一公司未來兩年的發(fā)展目標

1、銷售目標

2014年,抓住我國城鎮(zhèn)化步伐加快、重大工程開工、以及我國機械裝備制 造業(yè)升級改造的大好時機,完成汽車缸的新產(chǎn)品上市,實現(xiàn)液壓缸銷售收入 1.3億元。2015年至 2016年,通過努力,公司實現(xiàn)液壓缸銷售收入 2-3億元。

2、產(chǎn)品研發(fā)目標

密封件是公司生產(chǎn)液壓缸的重要原材料, 其密封性和穩(wěn)定性直接影響公司產(chǎn) 品的使用安全和使用壽命。公司目前正與俄羅斯國家科學院西伯利亞分院合作, 引進俄方具有國際先進水平的抗侵蝕耐低溫彈性密封復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù), 組織實 施研究與生產(chǎn)試驗,實現(xiàn)抗侵蝕耐低溫彈性密封復(fù)合材料液壓密封件規(guī)模生產(chǎn), 建立產(chǎn)業(yè)化基地,達到年產(chǎn)高端液壓密封件 2000萬件的生產(chǎn)能力。

3、技術(shù)研發(fā)目標

加快企業(yè)技術(shù)改造,繼續(xù)加大產(chǎn)品研發(fā)的投入,搶占液壓缸技術(shù)的至高點。第一, 加強同山東大學合作, 由眾力液壓具體組織, 成立沂水縣氣動液壓技術(shù)聯(lián) 盟;第二,完成汽車前置缸的技術(shù)改造;第三,籌備建立省級液壓缸工程技術(shù)中 心。

4、人力資源建設(shè)目標

隨著公司產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模的擴大、銷售收入的增加以及公司快速發(fā)展的要求, 公司現(xiàn)階段員工的素質(zhì)將很難適應(yīng)公司規(guī)?；笊a(chǎn), 引進高端人才, 尤其是引 進生產(chǎn)技術(shù)方面和業(yè)務(wù)銷售方面的人才成為公司發(fā)展的需要。公司未來兩年要建 立一支高素質(zhì)的管理團隊;穩(wěn)步提高員工待遇,增強企業(yè)凝聚力。

(二公司未來兩年的發(fā)展規(guī)劃

1、引進國外先進技術(shù),生產(chǎn)高端密封件

目前我國的密封件技術(shù)水平整體低下, 導致產(chǎn)品早期故障率高、使用壽命短、可靠性差, 與世界先進水平相比存在較大差距, 已經(jīng)嚴重影響機械裝備制造業(yè)的 核心競爭力。通過引進俄方技術(shù), 生產(chǎn)出的高端密封件, 抗侵蝕性提高 50%以上, 耐低溫達到零下 50攝氏度,材料彈性由 150%提高到 240%。

通過本項目的成功實施, 開發(fā)多種系列復(fù)合材料密封件產(chǎn)品, 一方面有助于 公司新型耐低溫耐腐蝕液壓缸的研發(fā), 另一方面實現(xiàn)了公司產(chǎn)品的多元化, 提高 抗風險能力。

2、市場營銷與公司營銷網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃

現(xiàn)階段公司產(chǎn)品通過經(jīng)銷商、主機廠直接供貨、出口等方式, 客戶群體比較 穩(wěn)定。然而受下游工程機械等行業(yè)需求不振等因素的影響, 公司營業(yè)收入增長放 緩,公司產(chǎn)能尚未完全釋放。在未來兩年,公司將引進更多的營銷人才,鞏固現(xiàn) 有業(yè)務(wù)關(guān)系, 在現(xiàn)有營銷體系的基礎(chǔ)上建立自己的營銷網(wǎng)絡(luò)。公司未來兩年的營 銷規(guī)劃為:建立起業(yè)務(wù)能力強的營銷團隊, 形成自己產(chǎn)品的營銷網(wǎng)絡(luò), 提高營業(yè) 收入。

3、公司經(jīng)營理念建構(gòu)規(guī)劃

經(jīng)營理念是管理者追求企業(yè)績效的根據(jù), 是顧客、競爭者以及職工價值觀與 正確經(jīng)營行為的確認,是形成企業(yè)基本設(shè)想、技術(shù)優(yōu)勢、發(fā)展方向、共同信念和 企業(yè)追求的基礎(chǔ)。公司一直以來十分重視內(nèi)部管理和內(nèi)部資源的整合, 不斷改革 和完善公司治理結(jié)構(gòu),理順內(nèi)部管理體系,不斷對企業(yè)文化、組織架構(gòu)、績效考 核、業(yè)務(wù)流程、產(chǎn)品開發(fā)、人力資源等方面進行理念塑造和制度建設(shè),塑造公司 員工的共同價值觀,提高員工的自我管理能力,提升工作團隊的自我治理能力, 提高執(zhí)行力和資源利用效率。通過建立有效的激勵機制, 為員工利益著想, 充分 調(diào)動員工的積極性。

第四章 掛牌各方當事人

一、掛牌公司基本情況

掛牌公司:山東眾力液壓技術(shù)股份有限公司 法定代表人:秦洪明 注冊地址:沂水縣經(jīng)濟開發(fā)區(qū) 電 話:0539-2221993 傳 真:0539-2238166 聯(lián) 系 人:李娟

二、本次掛牌交易的有關(guān)機構(gòu)(一掛牌交易保薦機構(gòu)

名 稱:濟南恒銀股權(quán)投資合伙企業(yè)(有限合伙 法定代表:柴修申

地 址:山東省濟南市歷下區(qū)解放路 26號綜合辦公樓 4樓 經(jīng) 辦 人:柴霄 徐騰飛 電 話:*** 傳 真:0531-81958765(二掛牌交易報價商

名 稱:濟南恒銀股權(quán)投資合伙企業(yè)(有限合伙 法定代表:柴修申

地 址:山東省濟南市歷下區(qū)解放路 26號綜合辦公樓 4樓 經(jīng) 辦 人:柴霄 徐騰飛 山東眾力液壓技術(shù)股份有限公司 股權(quán)掛牌交易說明書摘要 電 傳 話：*** 真：0531-81958765

（三）律師事務(wù)所 名 地 稱：北京市邦盛（濟

南）律師事務(wù)所 址：山東省濟南市歷下區(qū)解放路 26 號綜合辦公樓四樓 負 責 人：董偉 經(jīng)辦律師：開慶江 電 傳 陳亮亮 話：0531-67870999 真：0531-67870999

（四）審計機構(gòu) 名 地 稱：德州大正有限責任會計師事務(wù)所 址：德州市德城區(qū)湖濱中大道 1319 號 負 責 人：崔洪章 經(jīng)辦會計師：崔洪章 電 傳 呂光軍 話：*** 真：0534-2312391

（五）驗資機構(gòu) 名 地 稱：德州大正有限責任會計師事務(wù)所 址：德州市德城區(qū)湖濱中大道 1319 號 負 責 人：崔洪章 經(jīng)辦會計師：崔洪章 電 呂光軍 話：*** 24 山東眾力液壓技術(shù)股份有限公司 股權(quán)掛牌交易說明書摘要 傳 真：0534-2312391

（六）申請掛牌的股權(quán)交易所 名 稱： 天津股權(quán)交易所有限公司 法定代表人： 高巒 注冊地址： 天津市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)第三大街 52 號 W6-6 電 傳 話: 022-66216888 真： 022-66285277

（七）股權(quán)登記托管機構(gòu) 名 稱： 天津股權(quán)交易所有限公司 注冊地址：天津市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)第三大街 52 號 W6-6 法定代表人： 高巒 電 傳 話: 022-66216888 真： 022-66285277 25 山東眾力液壓技術(shù)股份有限公司 股權(quán)掛牌交易說明書摘要 26