基于虚拟仿真技术的船舶舵机液压培训系统设计∗

朱祥红 刘继先 陈 华 吴子豪

（中国卫星海上测控部 江阴 214411）

1 引言

随着航运业的发展，对船舶航行性能提出了更高的要求。近几十年来，为了提高船舶的推进效率、操纵性和安全性，越来越多的新型船舶配备了可调螺距螺旋桨［1～2］。虽然可调螺距螺旋桨推进系统具有速度快、可控性好、操纵性强、经济性好的特点，但管理人员必须提高其素质，以适应其复杂的内部结构和昂贵的价格［3］。同时船员实际操作水平，在很大程度上，取决于他们的操作培训效果。因此通过船用机舱模拟器培训提高船员和船舶管理者的培训效果是当务之急。在此背景下，对海洋工程管理进行液压系统船用可调螺距螺旋桨训练仿真软件的研究和开发具有重要意义。与此同时，利用模拟训练，船舶维修技师可以熟悉液压系统的可调螺距螺旋桨故障的工作原理和精确地确定可能的系统故障。

目前，关于可调螺距螺旋桨液压伺服仿真系统的文献研究很少，主要是在分析建模领域，文献［4～6］只研究了模型的调试和精度，并没有开发出完整的仿真系统。本文利用模块化建模方法，建立了管网模型、液压泵模型、液压缸模型、冷却器模型和螺距调节器模型，并将故障系数添加到容易发生故障的调节器模型部件中。最后本文还研究开发了可调螺距螺旋桨液压伺服仿真系统的智能测试功能，以提高学员培训效果的评价。

2 螺距螺旋桨液压仿真系统的组成

可调螺距螺旋桨液压仿真系统由算法动态库、界面动态库、数据库和测试数据库组成。将算法和接口动态库添加到DMS-2016［7］仿真平台，通过数据库实现算法模型与接口模型的连接，其结构如图1所示。

图1 多用户协同操作考核系统的结构

液压系统各部件的仿真算法包含在可调螺距螺旋桨液压仿真系统的动态库中。接口动态库的操作界面设计与船舶相同，并添加相应的故障点修复按钮。将仿真和系统就绪变量用于数据库中包含的算法和接口，对每个仿真变量进行描述和检测。通过项目库专家认可的大量试题，仿真平台可以对试验中的培训人员进行评估。

3 可调螺距螺旋桨液压系统建模

可调螺距螺旋桨液压伺服系统模型包括管网模型、液压油箱模型、液压泵模型、阀门模型、液压缸模型、冷却器模型和螺距调节器模型［8～9］。液压油箱模型和阀门模型是船用机舱模拟器仿真系统不可缺少的部分，具有完善的建模方法和高精度模型。

3.1 液压油泵和节点压力模型

在实际航行中，大部分时间，螺距保持稳定值［10］。在模拟系统中，液压泵的简化模型如图2所示［11～12］。

图2 泵的简化模型

液压油泵过滤器的入口压力为P1，泵的出口压力为P2，齿轮泵吸入压力为Ps，出口压力为Pd，实际流量为Q，理论流量为Qt，有

在式（1）中，A代表开放区域；t是水深度；n表示旋转速度。

在式（2）中，ην代表泵的容积效率，在0.75～0.95之间。

计算管道中各节点压力的公式为

在式（3）中，K表示校正因子，在实际系统的基础上进行校正。Pn+1是这个节点压力，Pn表示最后一个节点压力，∑Qι˙表达了连接到这个节点的代数和，∑Cι˙代表连接到该节点的每个线性化电导和，ι˙代表管道号。

3.2 螺距调节器模型

在偏差信号的基础上，可调螺距螺旋桨液压伺服系统中的螺距螺旋桨将改变输出信号，影响控制阀开启和位置的变化，并调节进入液压缸的油量，因此，可以通过调整螺距来调节液压缸活塞的位移［13～14］。螺距控制原理图如图3所示。

图3 螺距控制原理图

在式（4）中，en表示该采样间距的偏差值；en-1是最后采样间距的偏差值；ΔT表示采样周期；Tι˙表示积分时间常数；Kp代表比例增益因子。

在式（5）中，yn表示该信号输出值；yn-1是最后的信号输出值。

为了使仿真系统的结果符合实际导航中的运算结果，在程序执行到PI算法之前，本文将采用程序中的绝对值函数来判断偏差区域范围，然后根据判断结果做出进一步行动的选择。绝对值函数如下：

在一般情况下，螺距调节器采用PI控制算法。通过桨距控制器Δy的信号输出变化来校正误差。其PI算法如下：

在式（6）中，e()d是可变参数，其绝对值代表螺距调节器的死区范围。

3.3 液压缸模型

螺旋桨桨距控制最终取决于进入液压缸的液压油，以驱动伺服活塞运动，实现螺距的调整［15］。通过分析液压缸的油流量，液压缸的可用流量连续性方程式如下：

在式（7）中，λ表示泄漏系数；ΔP是伺服活塞两端的压差；Vt表示油泵出油量；Bc表示粘性阻尼系数；dt表示采样周期；A表示伺服活塞的有效区域；y′表示伺服活塞的速度。

液压缸的流量变化最终以压力的形式对伺服活塞产生影响，液压缸的静力平衡方程如下：

在式（8）中，J表示运动部件kg·m2的转动惯量。Fl的承载能力为表示伺服活塞的加速速度通过式（7）和式（8），可以求解伺服活塞的位移，表达式如下：

在式（9）中，Sn和Sn-1分别代表这个和最后一个伺服活塞的位移。

3.4 冷却器模型

液压油冷却器采用壳管式冷却器，在建模过程中，假定管壁的热传导是稳定的热传导，内外金属管表面总是相等的，并且污垢水平是相同的。

分析冷却器高温液压油的传热关系，可以得出一个方程式：

在式（10）中，ΔTm表示冷却器的平均温差；W1是液压油的热容量表示冷却器中液压油的质量，ch表示液压油的比热；mb代表铜管的质量；cb表示黄铜的比热；R表示冷却器的传热阻力分别是进出冷却器的液压油的温度。

分析冷却器低温冷却水的传热关系，可以得出一个方程：

在式（11）中，W2表示热容量，W2=mlcl+mbcb，ml为冷却器冷却水的质量，cl表示冷却水的比热，tlι˙和tlo分别表示冷却水进出冷却器的温度。将平均温差ΔTm作为对数平均温差：

通过式（10）、式（11）和式（12），可以获得液压油的动态微分方程和冷却水的出口温度。图4是冷却器的简化模型。

图4 冷却器模型图

4 仿真系统的设计与实现

4.1 仿真系统的功能实现

仿真系统软件可以在实际导航中完全表达可调螺距螺旋桨液压系统的相关操作，实现可调螺距螺旋桨液压系统各部件的功能，例如泵操作面板的操作按钮，压力调节阀和安全阀的压力设定，油箱的液位，泵出口压力和螺距等，并提供清晰和直观的界面。在仿真平台上，培训人员还可以独立加载可调螺距螺旋桨液压系统的相关问题，实现评估工作所需的相关操作和故障排除，加深对液压系统的理解，培训人员完成答案后，还可以在评估记录中查找相关分数和扣除分数。

4.2 仿真软件界面

仿真系统软件采用C++语言开发，软件界面分别如图5和图6所示。图5是Alphatronic2000推进控制系统［16］，通过界面操作，培训人员可以选择控制位置、发动机转速和可调螺距螺旋桨模型。可调螺距螺旋桨液压伺服系统如图6所示，显示了可调螺距螺旋桨的液压油路系统、液压系统。该界面还显示了系统的压力、温度、节距、液位和螺距，显示每个相关参数的警报。

通过系统的操作，可选择主机转速或螺旋桨螺距的控制方式。

当需要操作阀门、过滤器、油泵时，可以点击界面上的相关组件，操作弹出对话框或控制面板，如界面上的伺服泵，伺服泵控制面板将弹出，如图7所示。当需要观察泵的压力值、系统温度值和液压系统的当前螺距值时，可以点击控制框中的伺服界面并观察相关的情况，如图8所示。

图5 推进控制系统界面

图6 螺距螺旋桨液压伺服仿真系统界面

图7 伺服泵控制面板仿真图

图8 伺服控制框面板仿真

4.3 应用程序的评估

仿真教学系统是多功能的，如发出测试试题，自动评价和判断结果。服务器将包括测试项目、描述、测试问题的编号和测试时间在内的测试信息传输到客户端。完成测试后，学员的操作记录将自动上传到服务器。

例如软件仿真系统可以加载资格考试，要求答复人员正常启动可调螺距螺旋桨液压系统，在此过程中，如发现故障请排除，则必须在1500s内完成测试故障的排除。测试项目描述如图9所示。

图9 自动发出测试题

5 结语

利用本文所设计的仿真培训系统，学员将更加熟练掌握可调螺距螺旋桨液压伺服系统的工作原理，操作过程，提高故障诊断和排除故障的能力。所设计和实现的仿真培训系统不仅可以降低硬件成本，还可以降低培训成本。除了单独使用外，仿真系统还可以作为子系统连接到主推进仿真系统，因此所实现的仿真培训系统不仅具有较强的工程实用价值，而且对学员的操作培训具有重要意义。