基于SimHydraulics物理模型的调距桨控制器设计*
2021-06-04叶珍霞常广晖陈志敏
叶珍霞 常广晖 陈志敏
（1.海装武汉局驻宜昌地区军代室 宜昌 443003）（2.海军工程大学动力工程学院 武汉 430033）
（3.海军工程大学舰船与海洋学院 武汉 430033）
1 引言
调距桨可以在一定范围内改变其桨叶角度，从而调节其载荷和推力，而不需要调整主机的转速甚至转向，这种方式提升了各种航行条件下的船舶推进效率［1～2］。由于这些优势都是定距桨所无法比拟的，所以调距桨在军用和民用船舶中具有广泛的应用。基于模型的设计（MBD）方法被证实是一种有效的控制器设计方法［8～9］。借鉴国内外航空、汽车电子领域先进的基于模型设计理念，开展调距桨控制器的基于模型设计研究具有重要的实际意义。基于MBD方法设计控制系统，需要遵循四个步骤：对系统进行建模，为模型设计控制算法，对控制算法进行仿真验证，最后将设计好的控制算法部署到真实系统上的嵌入式控制器上。模型是系统设计的核心［10］，本文选择Matlab/SimHydraulics对调距桨液压系统进行物理建模仿真，其优势在于：基于物理建模，模型参数和实际装置物理参数一一对应，这有助于更直观地了解其工作过程，分析其工作特性。其次SimHydraulics可以无缝连接到Simulink仿真平台中［5］，在此基础上可以利用Simulink控制箱快速进行调距桨控制算法设计，优化控制策略和开展软件在环测试。这样大大提高了调距桨装置设计开发的效率［2］。
2 某调距桨液压系统组成及工作原理
某调距桨液压系统主要由液压油泵P1、P2，手摇泵P4，压力保持泵P3，油箱与控制阀V2、V3，管路附件等组成。该调距桨的液压系统原理图如图1所示。该型调距桨液压系统由主液压油路和备用液压油路两个油路组成。主液压油路与备用液压油路基本一致，油箱中的液压油经电动泵P1或P2增压之后，经过滤器进入电磁比例阀V3，比例阀由调距桨电控系统控制，当正向调距时压力油经A口输出通过液压管路和配油器进入液压缸后腔，从而实现正向调距，与此同时，回油通过管路依次经过配油器B口、回油冷却器、过滤器回到油箱。反之负向调距时液压油从B口进，从A口回油。
3 调距桨系统仿真模型
3.1 SimHydraulics简介
利用SimHydraulics可以方便对各类液压系统进行物理建模［5～6］。SimHydraulics库提供了超过75个的液压和流体机械元件，包括液压管路、蓄能器、气缸、一维机械单元和油泵等，在这里可以找到大部分商品化元器件所对应的模型。SimHydraulics能够自动从模型原理图中综合出描述系统行为特征的方程组，从而得到可以直接使用Simulink求解器直接求解的方程组形式，而不是采用同步仿真方法，这样就可以实现调距桨液压系统模型和调距桨电控系统Simulink模型的集成［5］。另外利用Malab/SimHydraulics建立液压模型，我们可以自定义流体属性和模型，这样大大提高了模型的灵活性，消除了繁琐的数学公式推导，令建模仿真变得更加直观和友好。
3.2 调距桨液压系统建模
利用SimHydraulics根据上述调距桨液压系统原理图建立如图2所示物理仿真模型。其中在液压源模块中，定量泵含有三个端口，其中T、P端口分别为泵的进油端和出油端，而S端口则接到泵的驱动器，即连接一个理想的液压源。然后根据实际情况设置各模块参数，其中通过常量模块来设置泵的额定压力为1MPa，设置液压油模块的液压油类型为Oil SAE-30。而求解器模块一般按照其默认设置即可。
图2 带控制器的调距桨液压系统仿真模型
为了模拟调距桨桨叶在海水中工作时的受力情况，在双作用液压缸后面增加阻尼模块、质量模块和弹簧模块。质量模块设为450kg，阻尼系数设置为100N/（m/s），弹性系数设置为205N/m。液压缸自身A、B端面积分别为0.104m2，0.052m2，活塞行程为19.6cm，连接刚性系数1e8/m连接阻尼系数150 N/（m/s）。液压系统在仿真是可以通过理想位移传感器（Ideal TranslationalMotion Sensor）和流量传感器（Hydraulic Flow Rate Senso）实时测量系统的管路的流量、电磁阀阀芯位移和液压缸活塞位移等物理参数，可便于分析其工作特性。
3.3 调距桨控制系统建模
该型调距桨设有自动随动控制和本地手动控制两种方式［7］。在自动控制方式下由集控台的车钟下达螺距指令，通过PID控制器构成闭环回路实现随动控制。在本地手动控制方式下，分别按压正车和倒车按钮进行调距桨开环作用下的正向和负向调距。自动控制的PID控制器选用Simulink中通用PID Controller模块，其传递函数为
其中比例系数P=0.12，积分系数I=0.1，微分系数D=0.01，滤波系数N=20，抗积分饱和算法选用back-calculation算法。
手动控制时通过自复位按钮调节螺距的增减，两者形成互锁，互不干扰。为了实现以上逻辑手动控制策略建模如图3所示。为了使整个仿真模型更加简洁直观，将手动控制系统封装成本地控制子系统，加上电控系统后的整个调距桨仿真模型图2所示。
图3 调距桨手动控制仿真策略
4 嵌入式控制器设计
4.1 嵌入式控制电路板
调距桨的嵌入式控制电路板采用核心板+底板结构的模块化设计方案。核心板采用Cortex-M3内核ARM STM32F103ZET6作为MCU，在此基础上集成DM9000BI以太网通信电路［11］和FLASH存储电路等。底板主要是电流采集电路、电流输出电路、数字接口电路等。电流采集电路用于采集调距桨反馈的0～20mA电流信号形式的螺距信号，而控制器输出0～20mA电流信号形式的控制信号通过信号隔离模块转换成±10V电压信号，然后驱动比例阀放大器从而控制调距桨液压系统动作。数字接口电路主要是接受本地控制的按钮信号。底板电路如图4所示。
图4 底板电路图
4.2 代码自动生成
代码自动生成的目的就是将上述抗积分饱和PID控制器以及手动控制策略生成为直接可以控制实际调距桨装置的C代码。
自动生成的控制代码同底层驱动代码数据交互采用Simulink全局变量的方式实现，将控制模块的输入输出信号取名为current_feedback（螺距反馈），current_setpoint（螺距设定），control_ouput（控制输出）digital_in1（螺距加），digital_in2（螺距减），并将信号设置为Test Point，储存类型设置为ExportedGlobal，这样在驱动程序中就可以方便调用这些变量了。
接下来在Simulink配置对话框中，选用ert.tlc系统目标文件，硬件类型选择ARM Cortex类型，设置好之后就可以将使用build命令利用Embedded Coder将控制模块生成高效率的嵌入式C代码［12～13］，生成的代码如图5所示。
图5 自动生成代码图
4.3 代码软件集成
调距桨控制软件采用实时操作系统uCOS-II进行模块嵌入式系统软件设计，基础是线程设计。控制软件应实现电流信号形式的螺距反馈信号采集和开关量形式的本控按钮输入、螺距的PID控制以及以太网通信程序（向上位机实时上传控制数据）等功能，因此模块驱动软件应包含1个ISR和4个线程分别是DM9000数据接收中断服务程序、信号测量线程、螺距控制线程、以太网通信线程。为了实现自动代码和控制软件的集成，将上节自动生成的控制代码中的PIDcontrol_step（）函数在螺距控制线程的线程函数中进行调用，并将线程的任务延时设定为5ms（与仿真步长一致），这样就实现了调距桨的实时控制。
5 实验验证
5.1 自动控制实验
为了验证上述基于模型设计方法，实验通过固纬AFG-2225多功能信号发生器模拟车钟产生的螺距指令信号给嵌入式控制电路板通过自动生成的代码实现螺距的自动调节。螺距给定值设为1.2（实际调距桨螺距调节范围为-0.6～1.36），实验结果如图6所示。
图6 螺距随时间变化曲线
5.2 手动控制实验
在本地控制模式下连续按压正车手动开关，使调距桨从零螺距增大到正向最大螺距，以及连续按压倒车手动开关，使调距桨从零螺距减少到负向最小螺距的实验结果如图7所示。
图7 手动控制仿真结果
5.3 实验结果分析
从实验结果可以看出，在自动控制工况时调距桨从零螺距变化到1.2螺距时需要大约6s时间，在前4.6s电磁比例方向阀V3的阀芯处于正向最大位置0.005m处，此时流量不变，螺距基本按照一定的斜率进行调距，当接近设定螺距时为了减少系统超调在PID控制下阀芯位移开始减小，这增加了螺距调节的光滑性改善了系统调节性能。而手动控制时由于控制的是电磁换向阀V2，调距过程中阀芯开度不变，所以调距过程基本成线性关系。手动调距零螺距到最大正向螺距需要大约6s，零螺距到最大负向螺距需要大约3s，与实际装置原PLC控制系统控制结果基本相同。
6 结语
本文采用Simulink/SimHydraulics平台实现了某调距桨系统的模型构建，同时SimHydraulics的模块化建模过程还可以帮助工程研究人员摆脱繁琐的数学建模过程，使建模环境更加直观和友好。模型的物理参数和运行特性与实际调距桨装置一致，这样就可以方便在Simulink环境下设计合适的螺距控制器。控制器设计完成后通过Embedded Coder将控制器生成高效率的嵌入式C代码与底层驱动代码以实时操作系统多线程的方式进行集成并最终部署于基于STM32的调距桨嵌入式控制电路板中。通过自动控制、手动控制实验，验证了使用MBD方法简化了嵌入式控制器的设计过程，缩短了设计时间和提高了设计效率。该MDB方法流程为其他复杂系统控制器的设计提供了很好的借鉴。
