计算机智能控制在船舶运动模拟平台液压传动中的应用研究

高曦

摘 要：船舶运动模拟平台可以帮助航海人员进行晕船训练、日常航海技能训练和武器装备模拟训练等，具有非常重要的作用。但以往控制船舶运动模拟平台的方法很容易被纵摇与垂荡液压缸活塞杆的变化影响，导致控制效果一直不理想。对此，建议将计算机智能控制应用在船舶运动模拟平台液压传动中。通过结构设计和传动系统等的细节改动，本文分析了运动模拟平台的功能和视域控制模型，并使用二进制编码获取最优参数，继而分析纵摇与垂荡液压缸活塞杆的理论上位移曲线和实际位移曲线，不断提升船舶运动模拟平台的控制效果。

关键词：计算机;智能控制;船舶运动;模拟平台;液压传动

中图分类号：TP273.5;U664.82 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）26-0008-03

Application Research of Computer Intelligent Control in

Hydraulic Transmission of Ship Motion Simulation Platform

GAO Xi

（Wuhan Technical College of Communications，Wuhan Hubei 430065）

Abstract： The ship motion simulation platform can help mariners to carry out seasickness training， daily navigation skills training and weapon equipment simulation training， etc.， which plays a very important role. However， in the past， the method of controlling the ship motion simulation platform was easily affected by the variation of the tilting and tilting hydraulic cylinder piston rod， resulting in an unsatisfactory control effect. In this regard， it is recommended to apply computer intelligent control in the hydraulic transmission of the ship motion simulation platform. Through the careful modification of structural design and transmission system， this paper analyzed the function and visual field control model of the motion simulation platform， and used binary coding to obtain the optimal parameters， then analyzed the theoretical displacement curve and actual displacement curve of the pitch and heave hydraulic cylinder piston rods， in order to continuously improve the control effect of the ship motion simulation platform.

Keywords： computer;intelligent control;ship motion;simulation platform;hydraulic transmission

船舶运动模拟平台是现代海上军事或是海上运动中常用的测试船舶设备性能、研究抗晕训练和药物的必需性设备，其通过模拟船舶航海时的自然运动，以达到不在海上航行仍有在海上航行的效果，在海上的应用较为频繁。例如，在还没造出航空母舰时，我国一直利用船舶运动模拟平台训练海军，提高海军的军事能力，在后来装备航空母舰后，海军也能迅速掌握并尽快提高航空母舰作战能力。

液压传动技术与控制类工程技术都是现代机械制造业中比较常用的技术，虽然现代控制类工程技术多采用电动或气动传动的方式，但液压传动凭借其负载较重、惯性较小、动作相对灵敏、能夠做到更频繁启动和换向的优势在机械传动场合得到大范围的应用。计算机智能控制系统作为最新型的机械控制方式，目前逐渐在各机械传动场合风靡开来，而在船舶运动模拟平台方面，将液压技术与计算机智能控制技术结合，能够大幅度提升运动模拟平台的控制精确度和高效性[1]。

1 船舶运动模拟平台液压传动原理

在船舶运动模拟平台模拟液压传动模式时，人们可以利用微电子技术，改变传统的传动方式，使之成为一种智能化的控制方式，即在与微电子控制器连接后，直接控制船舶运动模拟平台液压传动。因为船舶运动模拟平台自身兼具性能较优的动态性能，可以利用节流控制保证变量泵的恒压处在可控范围内。船舶在海上的运动主要是纵摇和垂荡两类操作，基于这两类操作并综合考虑船舶运动模拟平台的设计和实际需求，模拟液压传动原理。考虑到纵摇与垂荡运动对设备的动力需求较小，为取得不同方向阀的压力平衡，要先应用导式减压阀减小入口压力，使不同方向阀所在的油路构成并联关系，而通过控制不同方向的比例方向阀，能够逐渐独立控制液压缸，继而实现纵摇与垂荡运动的复合，再使用位移传感器就可以反馈出活塞杆位移信号并构成闭环控制[2]。

2 液压传动系统设计

2.1 运动模拟平台结构设计

将传统的机械传动与微电子技术结合形成一种全新的智能控制方式，可在一端连接现代的微电子控制设备，另一端连接功率较大的控制对象。例如，本研究的船舶运动模拟平台就可以模拟出4 000吨级船舶在4级复杂海况的海上运动情况。舰船在此时的海上运动共有横摇、升沉和纵摇三个方向与横摇、纵摇、垂摇、纵荡、横荡五个自由度，航海人员晕船或是舰船的武器使用精度被影响都与横摇、升沉和纵摇三个方向完全相关，是由其独立运动或合成其他方向的运动造成的。横摇、纵摇、垂摇三个自由度则由横摇液压缸、纵摇液压缸和垂荡液压缸分别提供，而垂荡液压缸配合球形铰链则能够提供纵荡、横荡的自由度[3]，具体的船舶运动模拟平台如图1所示。

2.2 液压传动系统设计

本研究主要使用液压传动进行船舶运动训练模拟，使得液压传动系统性能直接影响船舶运动模拟平台的质量。而液压传动系统的设计与系统要求的性能与功能有着极大的关系，除模拟平台要求的设计指标外，控制系统方面也需要较高的动态和稳态性能，会使用液压阀与流量共同结合控制的方法，而液压传动系统的设计如图2所示。

液压传动系统使用的控制阀为电液比例方向控制阀，设计时使用2个直动式比例方向阀对液压缸进行横向与纵向的控制，主要原因是横向和纵向摇动需要的运动动力较小，垂荡时需要的运动动力较大，使用先导式比例方向阀会取得更有效的效果。再加上阀的系统压力存在差异，应用时还要在油路上添加一个先导式减压阀，并设计一个压力表观测压力值，使得制动式比例方向阀和先导式比例方向阀构成并联关系，利用计算机控制比例方向阀就可以直接控制三个阀，实现各个方向的摆向运动。而且，利用液压缸内的位移传感器可以通过返回液面位移调节方向阀实现闭环控制，这里可以使用磁致伸缩线性位移传感器[4]。

3 计算机智能控制系统设计

本研究使用的是先导式电液比例方向控制阀和直动式电液比例方向控制阀，其中的阀芯位移量与控制信号成一定比例关系。结合本研究船舶运动模拟平台的功能性要求，液压系统可使用PC实施电液比例位置控制，使得电子和液压两方的优点可以得到有效发挥，即在产生巨大的力与力矩、承受较大载荷的同时兼具高超的控制精度和优秀的频响能力，而计算机智能控制系统编程也具备优良的灵活性和适应性[5]。

船舶运动模拟平台的动力装置由3个单活塞阀控液压缸组成，使得计算机的控制信号可以在经信号放大器放大后直接送至先导式电液比例方向控制阀和直动式电液比例方向控制阀，而在控制信号的引导下，比例方向控制阀会控制液压缸中2个型腔内的液压轴，继而推动活塞杆的运动。液压缸中的磁致伸缩线性位移传感器会通过数据采集板将活塞杆的实际位置传送至计算机，并将活塞杆的理论位置与实际位置的差别当作输入的控制信号，继而达到由计算机闭环组成的控制液压缸的活塞杆反复运动。

因为被当作控制信号的模拟信号本就具有平滑性、连续性和过渡性的优势，用计算机产生的模拟信号也具有优秀控制液压传动系统的性能，但当比例方向控制阀的输入信号要求设置为数字信号时，不同的信号要进行A/D转换和D/A转换。船舶运动模拟平台的控制目标是实现目标范围内任意角度、任意位置的精确控制，利用数字调节器时可以按照闭环控制原理达到船舶运动模拟平台的控制目标。

而根据船舶运动模拟平台的功能要求，PID控制数量要设置为全部输出量，同时应用误差信号来反馈输入量，并使用位置数字调节器，此时应用的控制时域模型为：

[μ=mpemt+ttij=0mejt+tdtemt-emt-t]  （1）

式中，采樣周期为[t];实际参数为[e];比例调节系数为[mp];积分调节周期为[ti];微分调节周期为[td]。

依照此控制时域模型，选择不同品质的控制参数，接下来使用二进制编码并经迭代处理，可获取最优参数。

在考虑到船舶运动模拟平台液压传动的控制方法研究后，开展一定的试验有效性分析，笔者确认，纵摇与垂荡液压缸活塞杆的位移量曲线幅值大小为100左右，频率波动控制在0.2Hz，存在着纵摇与垂荡的理论位移量和实际位移量的区别。而经一定比对后，笔者确认智能控制方法和实际的位移量基本保持一致，但传统方法与实际的位移量存在较大差别。因此，使用智能控制方法控制液压缸活塞杆的运动效果更佳，这就说明船舶运动模拟平台液压传动中应用计算机智能控制方法的有效性更高。

4 结语

本研究基于船舶运动训练和对抗晕船的基本需求，尝试创建船舶运动模拟平台，以其结构作为切入点进行分析，并逐渐深入液压传动的研究，通过模拟船舶在海上行驶时的动力特性，帮助航海人员抵抗晕船，继而从船舶系统和航海人员本身提高航海效率。目前，使用计算机智能控制船舶运动模拟平台模拟液压传动的行为尚未在不同天气环境中有着可靠的依据，需要进一步研究，使其在恶劣天气中也能正常应用，继而不断优化船舶运动训练和提高人员综合素质，提升我国的海上军事水平。

参考文献：

[1]郝立华，吴鸣宇.船舶液压传动技术的应用与发展[J].机械制造与自动化，2015（6）：33-34.

[2]张建鹏，叶小松，王传斌.智能化电缆输送系统在船舶岸电中的应用[J].船电技术，2018（11）：32-34.

[3]石君.液压传动和液压控制在船舶动力系统的应用[J].舰船科学技术，2017（20）：61-63.

[4]徐林.船舶液压舵机控制系统的仿真研究[J].中国水运（下半月），2018（9）：88-89.

[5]白志平.船舶液压推进系统设计与性能研究[D].大连：大连海事大学，2014.