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1、大连海事大学毕业论文“育鲲”轮减摇鳍系统控制浅析及可靠性的提高专业班级：轮 机 2006-4姓 名：指导教师： 轮机工程学院目 录前言41减摇鳍简介41.1减摇鳍的作用41.2“育鲲”轮减摇鳍的参数41.3“育鲲”轮减摇鳍的优点42减摇鳍减摇原理53减摇鳍液压系统73.1液压泵站93.2油路板（元件 16）93.3比例阀（元件17）93.4旁通阀（元件13）/双向溢流阀（元件2）103.5减摇鳍收放阀（元件1）和平衡阀（元件36）103.6负载感应/插装补偿阀组103.7油冷却器（元件31）和回油滤器（元件29）114减摇鳍控制原理114.1减摇鳍控制系统114.2电动机控制134.2.1主电
2、动机的起动134.2.2主电动机的保护144.2.3主电动机的停止154.2.4应急电动机起动单元154.3叶片伸出和回笼控制154.3.1叶片伸出154.3.2叶片回笼164.3.3SOLAS面板164.4叶片倾斜控制174.4.1 电液随动系统17（1）随动系统的工作原理17（2）船舶航速控制17（3）稳心优化作用184.4.2叶片倾斜的具体实现185 提高“育鲲”轮减摇鳍可靠性195.1 航速控制的改进195.1.1 航速控制规律的设计195.1.2 航速信号的接入205.2 叶片助摇问题的解决205.2.1 叶片助摇监测205.2.2 助摇现象的解决22结论22【参考文献】22“育鲲”
3、轮减摇鳍系统控制浅析前言1减摇鳍简介1.1减摇鳍的作用船舶在海上航行，由于风、浪的扰动，要产生摇摆，包括纵摇、横摇、首摇等等。由于船舶横摇阻尼较小，往往导致过大的横摇摆动，船舶横摇会增加船舶倾覆的危险性，增加甲板上浪次数，产生船体和设备的附加应力，增加人员的疲劳程度。特别是在“育鲲”轮教学实习船上，横摇会影响学生的实习效果，设计横摇性能优良的船舶非常必要。1.2“育鲲”轮减摇鳍的参数“育鲲”使用的减摇鳍型号是Aquarius 50系列，每舷各有一个叶片，叶片面积为3.03，总重量为20.3吨,叶片伸出长度2.75m，叶片长宽比为2.5，工作叶片角为21.5，最大叶片角为25，叶片角减小发生在船
4、舶航速16.7节以上。“育鲲”轮减摇鳍在船舶航速为16.7节（海浪输入为4.111）的表现：没有安装减摇鳍时横摇角为16.5，安装减摇鳍后的横摇角为3.5，横摇减少百分比为80%每个叶片上的升力为160.435KN力矩臂为11.318m稳定力矩为3671.747KN.m每个海浪输入度的横倾力矩为1277.22 KN.m波倾斜能力（叶片功率）为2.8431.3“育鲲”轮减摇鳍的优点Aquarius折叶式减摇鳍用紧凑的、轻量级的设计和最先进的控制来提供高性能的横摇阻尼，用最小尺寸、最小重量、最小数量零部件的鳍板操作机构满足更小船舶的需求。1、采用大升力的鳍片来提高减摇效果2、液压、机械和控制设备安
5、装费用低3、船舶的报警和监视系统结合容易4、鳍叶的倾斜和伸展由线性执行器完成5、采用内部润滑系统6、液压系统采用负载感应2减摇鳍减摇原理AQUARIUS 折叶式减摇鳍减摇系统的设计，是通过控制两个（一个左舷， 一个右舷）叶片击水角度（攻角），来减少海浪导致的船舶摇摆力矩。假设在波浪作用下，作为刚体的船舶横摇可以用绕首尾线摆动的角度，角速度，角加速度来表征运动情况，并规定从船尾向船首看时，以顺时针方向为正，逆时针方向为负。船舶在海浪中的横摇所受的力矩可以看成船舶在静水中横摇所受的力矩加上波浪对正浮状态船体的扰动力矩。为此，船舶在海浪上的横摇受以下五种力矩的作用，如图2.1。图2.1 力矩对船舶的
6、作用（1）复原力矩当船舶横摇某一角度时，此时浮心和重心不在同一垂线上，形成了一个使船舶回复到原位置的力矩，即复原力矩，使船舶回复到原位置。当横摇角不大于1015度时，可以应用初稳性公式： （2.1）式中： 为船舶排水量，为初稳性高度。（2）阻尼力矩船舶在水中横摇，由于船体和水之间存在相对速度，船体必须受到阻尼，阻尼力矩大体受到三个原因的作用，摩擦阻尼，兴波阻尼，漩涡阻尼。小角度横摇时，认为船舶是时间恒定的线性系统，即阻尼力矩与角速度成线性关系。 （2.2）式中： 为阻尼力矩系数。（3）惯性力矩船舶在横摇过程中有角加速度存在，必然产生惯性力矩。横摇的惯性力矩是由两部分组成的，即船体本身的惯性力矩
7、和附加惯性力矩。惯性力矩与角加速度成线性关系。 （2.3）式中：为船体对轴的质量惯性矩，为船舶绕轴转动时其附连水的惯性矩。（4）波浪扰动力矩波浪改变了船体水下的体积形状，从而产生复原扰动力矩，船体的存在阻止了波浪的运动，反之波浪也给船体一个作用力矩，此力矩为阻尼扰动力矩，附加质量也存在有惯性扰动力矩。故扰动力矩可以写成： （2.4）式中：为有效波倾角。（5）扶正力矩由于减摇鳍的存在，当船舶在航行中，当两个叶片以一定角度倾斜，（根据流体力学，叶片前端向上倾斜时，产生正的液压升力。当叶片前端向下倾斜时，则产生负的液压升力，如图2.2，升力由式（2.5）计算。升力会在船舶上联合产生一个扶正力矩，作用
8、在点，以使船舶的横摇角减小，用于抵消波浪对船舶的作用力。图2.2 鳍片受力图 （2.5）式中：为扶正力矩，为鳍片攻角、为船舶航速，为有效受力面积 （2.6）式中：为升力的有效力臂。综合船舶在规则波的横摇时所受的各种力矩，由动平衡原理，船舶的平衡条件为力矩之和为零，故有： （2.7）从上式可以看出，我们可以通过改变减摇鳍所产生的扶正力矩来使所受的总力矩之和为零，而调节叶片角度可以改变扶正力矩的大小，来使船舶避免横摇。（说明有点少）3减摇鳍液压系统“育鲲”轮减摇鳍液压系统采用开式系统，实现叶片回笼和延展以及叶片倾斜操作，而且对流向叶片倾斜系统的流体实施闭合式电子-液压比例控制，并且还有负载感应功能
9、，如图3.1所示。图3.1 “育鲲”减摇鳍液压系统图1-减摇鳍收放阀；2-双向溢流阀；3-补偿阀；4-补偿阀先导溢流阀；5-溢流阀；6-节流阀；7-节流阀；8-单向阀；9-法兰；10-压力测试点；11-负载感应隔离阀；12-电磁线圈；13-截止阀；14-过载销；15-梭阀；16-油路板；17；电液比例阀；18-补偿阀盖；19-压力表截止阀；20-压力表；21-液位/温度指示器；22-油尺；23-吸入滤器；24-主电动机；25-应急电动机；26-双向叶片泵；27-齿轮泵；28-透气装置；29-回油滤器；30-溢流阀；31-冷却器；32-卸荷阀；33-放残阀；34-旋塞；35-油箱；36-平衡阀；
10、37-取样阀；38-抽吸管道；39、40-软管3.1液压泵站主泵由一个液压油泵（元件26）和一台主电动机（元件24）构成，泵的出口连接有一个旁通阀（元件32）。发动机通过活动耦合为泵提供动力。泵是连续运行双叶结构，一个泵壳内有两个独立的泵单元（即叶片盒）。泵有一个共用的抽吸管道，两条独立的输出线。泵盒的流量分布，使得高流量单元的流量约为低流量单元的 4倍。应急泵由一个齿轮泵（元件27）和一台应急电动机（元件25）构成，泵沿垂直轴定位，泵体完全浸没在罐内油中，以利于自吸。主泵的高流量单元的出口设有远程控制的泵卸载阀（元件32），除转叶操作外，在启动及所有其他操作中，高流量单元都在卸载。这使得发动
11、机可以在最小负载状态下启动。由于低流量单元流量较小，这也使得回笼和延展操作以及叶片对中操作减速进行。 3.2油路板（元件 16）油路板里面有叶片控制所需的全部阀门。主泵和应急泵的加压流体分别通过单向阀（元件 8）进入油路板进行分配和输出，进入一个共同的压力走廊，压力走廊被分割成多个部分，对应多个出口。流体流经压力走廊，进入比例阀（元件 17）以及回笼和延展阀（元件 1），作为控制油。压力走廊还通过管道分别连接至压力计（元件20）和取样阀（元件37），压力计的支架通过手动操作的切断阀（元件19）安装在动力单元上，通过取样阀可以对液压油进行取样化验，以保证液压油的质量。 压力走廊通过补偿阀（元件3
12、）和负载感应旁通阀（元件 5）与回路连接。同样，回路也是一个共同的压力走廊，将系统的多条回流通过油冷却器（元件31）和回路过滤器（元件29）导回供油罐（元件 35）。3.3比例阀（元件17）叶片倾斜操作的控制是通过电液压比例阀实现的，比例阀由电磁线圈操纵，为流向叶片倾斜机构的液压油提供流量和方向控制。比例阀由一个导阀和一个主阀构成。 导阀由两个比例减压阀组成，用两个电磁线圈控制。如果两个线圈中的一个带电，滑阀移动，距离与电子输入信号强度成正比。这就在主阀压力室中产生与输入电流成比例的压力。 主阀是一个简单的导向滑阀弹簧装置，两端各有一个压力室。如果两个压力室中的压力相等，对中弹簧使得主滑阀居中
13、（中位）。一个压力室的压力增大，就会产生一个新的力平衡，主滑阀处在新的位置。比例阀将变量电子信号转换为变量液压流体。控制电流先是通过电磁线圈，产生一个与之电流信号成正比的导阀滑阀位置，然后在主阀相应的压力室形成与导阀滑阀位置成正比的压力，最后产生一个比例主滑阀位置。当电流信号降到0的时候，主滑阀回到中位。比例阀的中央位置附近有一个静止带，以尽量减少内部泄漏，必须用伺服放大单元中的电子设备进行补偿漏泄。3.4旁通阀（元件13）/双向溢流阀（元件2）比例阀出口将液压油导至叶片倾斜柱塞，各个出口之间还有手动旁通阀和双向溢流阀互相连接。双向溢流阀使得高压（超过安全阀设置压力）可以从高压管路向回油管路释
14、放，避免系统内压力积累过高。所有正常操作中，手动的旁通阀都关闭，打开时可以将液压油导入另一管路，消除叶片倾斜柱塞上的方向压力。3.5减摇鳍收放阀（元件1）和平衡阀（元件36） 平衡阀（元件 36 中的元件 36.1 和 36.2）与回笼和延展汽缸的两条输入线连接，防止叶片在回笼和延展位置上有任何运动。在叶片延展操作中， 延展线圈 （元件1的b部分） 带电， 使得液压油通过补偿阀 （元件 36.1）的通道进入回笼和延展汽缸中环形区域（差动活塞的左部），把活塞杆推回原位。同时控制油流体被引导至对面的平衡阀（元件36.2），液体回流入罐。在延展位置上，液压拉力使得叶片保持外伸，十字箱的止停块提供了液
15、压推力的反作用力。在叶片回笼操作中，回笼线圈 （元件 1的a部分）带电， 使得液压油通过补偿阀 （元件 36.2）的通道进入回笼和延展汽缸中的主区域，回笼和延展活塞杆外伸，叶片回笼。导流体被引导至对面的补偿阀（元件 36.1） ，打开这个阀门，液体回流入油箱。叶片延展或回笼完成后，线圈都断电。3.6负载感应/插装补偿阀组负载感应/插装补偿阀组由补偿阀（元件3）、溢流阀（元件5）和负载感应隔离阀（元件11）组成，构成一个负载感应器和安全阀。补偿阀本质上是一个变量安全阀，与定量泵（元件26 和 27）共同使用，以防止产生过热（产生的热量等于流速与压力的乘积；在泵的最大流速固定的情况下，减小工作压力
16、十分关键）。当与比例阀（元件 17）共同使用时，补偿阀与比例阀（元件17）共享定量泵（元件 26和 27）的输出流体，其比例取决于比例阀（元件 17）的开口大小。比例阀开口为 0 ，补偿阀流量最大；比例阀完全打开，补偿阀流量最小（或者为零）。补偿阀与比例阀共享输出流体很重要，因为它决定了补偿阀的先导溢流阀（元件4）的设定值。比如，泵的输出为每分钟 100升，而为了实现要求的倾斜速率，倾斜转叶机构需要的最大量为每分钟 90升，那么经过补偿阀的流量必须上调，即减小先导溢流阀（元件4）的设定值，直到通过的流量小于每分钟 10 升。如果这种情况是在设定值为15bar的压力下出现的，那么整个系统的基本设
17、定置就是15bar。负载感应器：在叶片倾斜动作时，当负载感应隔离阀（元件11）带电，负载感应启动。若叶片受到海浪等因素的冲击力，使一个油路通道压力较高，这个压力就通过梭阀（元件 15）传递到补偿盖（元件18），再通过节流孔（元件7）传递到回油压力走廊。安全阀：在回笼和延展操作中，负载感应隔离阀（元件 11）断电，泵压力可以传递至补偿盖（元件 18）。压力逐步积累，直到补偿盖被液压冲开，将补偿阀（元件3）的顶端与油罐相连。这个阀门现在是回笼和延展系统的安全阀。3.7油冷却器（元件31）和回油滤器（元件29）油冷却器由一组管道构成，管道在一个圆柱体中排开，回流的油经过层层管道，而海水冷却剂通过端盖
18、流经管道。进水管必须有一个孔板，来限制流经冷却器的水流量。高速流水将导致设备过早报废。液压油从冷却器中流出，通过回路滤器进入油箱，滤器安装在罐体上，带一个目测指示器和旁通阀。旁通阀的设置压力约为1.5bar。 回路过滤器包含了主过滤芯的磁铁前芯，用来滤掉含铁杂质。流体从过滤器底部流出，这是一个孔洞结构，液压油流回油箱时可以减小湍流。 4减摇鳍控制原理4.1减摇鳍控制系统（需要改图：将局部控制单元简画）减摇鳍控制系统运用了专为满足严格的强度和可靠性标准而设计的现代工业可编程逻辑控制技术。使用串行通信网络以数字化形式进行信息传递，符合工业总线标准。可以提供高速、高质、可靠的通信。使用模块式总线终端
19、组合，将模拟信号与数字信号同通信网络对接，以提供一个灵活且易于维护的系统。 主要的人机交互界面由驾驶台控制站和工程控制站构成。驾驶台控制站包括一个电子设备单元和一个操作员面板，后者为方便使用而设计，可以清楚地指示每一叶片的运行状态。操作员面板部分由 SOLAS（海上人身安全）面板和减摇鳍控制面板构成。SOLAS面板用于在紧急情况下显示叶片是否回笼。工程控制站拥有一个中央控制单元和一个操作员触屏显示器。驾驶台电子控制单元、中央控制单元以及每一叶片的局部控制单元可以相互作用，这些个体单元配置安装于船体的适当位置，之后通过通信网络（PROFIBUS总线）实现相互连接。该系统和水力、叶片等子系统连接，
20、控制叶片运行顺序并监控故障情况。船航行信号以及由摇摆传感器传来的摇摆信号，经过中央控制单元的处理，得出对每一叶片角度的指令信号，通过总线传输到左右舷局部控制单元，伺服放大器单元提供叶片的闭合回路控制，与局部安装的连接盒一起安装在左右舷的水力单元上。连接盒通过电缆连接到局部控制单元，用于控制发动机起动器和动力单元功能。对每一叶片的紧急控制，属于局部功能，独立于控制系统。4.2电动机控制电动机的控制由电动机的起动单元控制，主电动机起动单元和应急电动机起动单元控制着主电动机的起动、停止、保护、以及抗冷凝加热器和局部控制单元的动力分配。图4.1 主电动机电路图4.2.1主电动机的起动首先闭合主电动机控
21、制面板上的空气开关Q1，使主电动机起动单元的主电网带电，然后闭合控制箱里面的带过载保护的空气断路器Q2，变压器T1将主电网380V供电变为230V，分别对热敏电阻继电器单元、主接触器控制电路、抗冷凝加热器单元、信号灯指示单元和局部控制单元（Local Control Unit,LCU）供电，此时电源接通状态指示灯H5亮。抗冷凝加热器单元有电后，闭合电动机加热器双位电闸S1，使抗冷凝加热器E1有电，对电动机外壳进行加热，并且加热器电源指示灯H1亮。热敏电阻继电器单元的热敏电阻B1、B2和B3对主电动机的过载情况进行监视，热敏电阻将温度信号转换为电阻信号，再经过热敏电阻继电器K2转换为电流信号，此
22、电流信号与设定值相比较。当过载发生时，使得触点K2（97、98）闭合，触点K2（95、96） 断开，过载指示灯H4亮；当不发生过载时，触点K2（97、98）断开，触点K2（95、96） 闭合，过载指示灯H4灭。而电动机还没有启动之前，过载情况是不会发生的，因此触点K2（95、96） 是闭合的。由于K2（95、96）是闭合的，当主接触器控制电路有电时，使得辅助继电器K3的线圈带电，触点K3（1、2）闭合。此时，应选择本地/遥控控制开关S4的位置，当置于遥控位置，其运行/停止状态由局部控制单元控制下的数字信号决定，反之其运行/停止状态由控制面板决定。遥控起动时，S4（21、22）断开，S4（14、
23、13）闭合，使得触点S4（33、34）闭合，局部控制单元的PLC接收到触点S4（33、34）的闭合状态信息，使局部控制单元的X1（27、28）有输入信号，并且还监视到X1（18、19）和X1（19、20）的遥控开关闭合，以及X1（20、21）中的应急电动机互锁开关闭合（还有其他逻辑条件吗？），然后使输出信号辅助继电器K5有电，触点K5（1、2）闭合，主接触器K1线圈有电；本地起动时，S4（21、22）闭合，S4（14、13）断开，按下起动按钮S2，主接触器K1有电。主接触器K1有电后，主触点K1（1、2）、K1（3、4）和 K1（5、6）闭合，主电动机机运转起来；辅助触点K1（13、14）闭合
24、，辅助继电器K4线圈有电，触点K4（13、14）闭合，实现发电机的自锁，触点K4（1、2）闭合，将触点K4（1、2）的开关状态输入到PLC中（用途呢？），当继电器K4线圈有电后，触点K4（5、6）闭合，电动机运行状态指示灯H2亮，触点K4（21、22）断开，电动机停止状态指示灯H3熄灭；同时主接触器K1的辅助触点K1（21、22）和K1（61、62）断开，形成了电动机与抗冷凝加热器运行状态互锁；同时触点K1（71、72）断开，将K1（71、72）开关量信号输入到PLC中，关闭应急电动机起动器，以实现一个互锁机制，禁止主发电动机起动器与应急发电机起动器同时运行。此外，主电动机运行时，运行时间计数
25、器P2开始工作，记录主电动机运行的时间。4.2.2主电动机的保护1、热继电器U1。当电机过载时，热继电器触点U1（95、96）断开，辅助继电器K3线圈失电，触点K3（1、2）断开，主接触器K1线圈失电，电机停止运行。同时触点K3（21、22）闭合，过载指示灯H4亮。2、空气开关Q1。具有欠压保护功能，一旦电压严重下降或断电时，主触点断开。3、带过载保护空气断路器Q2。同时具有过载保护和欠压保护功能。4、过载保护开关F1、F2、F3、F4、F5。分别对于抗冷凝加热器单元、热敏电阻继电器单元、主接触器控制电路、信号灯指示单元和局部控制单元（Local Control Unit,LCU）进行过载监视
26、，当过载发生时，过载保护开关断开，需要手动复位。5、熔断器F10。对电动机运行时间计数器进行过电流保护。6、互锁机制。抗冷凝加热器与电动机运行状态之间，以及主电动机与应急电动机之间的互锁。4.2.3主电动机的停止在遥控控制状态下，向PLC输入停止命令，然后PLC使得其输出量接触器K5的线圈失电，触点K5（1、2）断开，电动机停止；在本地控制状态下，按下停止按钮S3，即可停止主电动机的运行。4.2.4应急电动机起动单元应急电动机起动单元较主电动机起动单元相对简单，在其起动逻辑过程中没有热敏继电器单元，并且只能本地控制。4.3叶片伸出和回笼控制4.3.1叶片伸出叶片伸出由中央控制单元监控，叶片伸出
27、前应满足以下条件： 1. 左右舷叶片没有发生故障，即驾驶台操作面板上的左右舷叶片故障指示灯和中央控制单元主页面上的左右舷叶片故障指示熄灭。 2. 回到中央控制单元，确认两个“可用/离线”按键中的“可用”部分亮灯，即由驾驶台控制单元控制叶片伸出操作。选择离线状态后，每个叶片都由它的局部控制单元的主页面控制，能被回笼、延展、对中和测试。只有在驾驶台控制站或者工程控制站上使用“可用”模式，才能运行稳定功能。 从驾驶台控制单元或者中央控制单元，按一下“左舷延展”保护按键/指示灯，叶片将稍微向上转动，以解除叶片锁定块对叶片保护功能；再按一下以激活伸出动作，“回笼”指示灯将熄灭，而“延展”指示灯将闪烁，表
28、明叶片正在延展。叶片伸出机构有一个内置式线性传感器，控制系统用这个传感器来持续监测叶片的回笼和延展状态，确定叶片何时处在回笼和延展位置。当“延展”指示灯停止闪烁并完全点亮时，表明叶片已经充分展开。当第二次按下“左舷延展”保护按键时，减摇鳍收放阀（元件1）的电磁阀b有电，使其工作在右位，高压油进入C通道，到达平衡阀（元件36.1）分为两个油路，一路直接通过平衡阀（元件36.1）中的单向阀进入油缸E空间，推动叶片伸展；一路作为平衡阀（元件36.2）的控制油，再与油缸F空间回油共同作用，使平衡阀（元件36.2）处于开启位置，然后油缸F空间回油顺着D管道回到回油压力走廊。当叶片伸展到指定位置后，由止停
29、块来承受油缸高压端的油压，伸展完毕后，减摇鳍收放阀（元件1）的电池阀b失电，阀工作在中位（y型机能），使得主油路可以对油缸的泄漏进行补偿，以保证叶片的位置。同样在驾驶台控制单元或者中央控制单元对右舷叶片进行伸出操作。4.3.2叶片回笼叶片回笼有正常回笼操作和应急回笼操作。任何控制单元均可控制叶片的正常回笼操作，而应急回笼操作由手动控制。1、正常叶片回笼若左右舷叶片没有故障发生时，并且系统处于“可用”状态，从驾驶台控制单元或者中央控制单元，按一下“左舷回笼”按键/指示灯，启动回笼动作。“延展”指示灯会熄灭，而“回笼”指示灯将闪烁，表明叶片正在回笼。当“回笼”指示灯停止闪烁并完全点亮时，表明叶片已
30、经完全回笼。通过观察相关的叶片角度表上的指针（约为10度），可以确认锁定位置。如果右舷也需要回笼，则针对右舷重复以上过程。当按下“左舷回笼”按键/指示灯，减摇鳍收放阀（元件1）的电磁阀a有电，使其工作在左位，高压油进入D通道，到达平衡阀（元件36.2）分为两个油路，一路直接通过平衡阀（元件36.2）中的单向阀进入油缸F空间，推动叶片回笼；一路作为平衡阀（元件36.1）的控制油，与E空间的回油压力叠加，使得平衡阀（元件36.1）处于开启位置，然后油缸E空间回油顺着C管道回到回油压力走廊。当叶片回到指定位置后，减摇鳍收放阀（元件1）的电磁阀a失电，阀回到中位，此时叶片锁定块将叶片锁住。2、应急叶片
31、回笼当主电动机无法运行时，按照前面的方法，起动应急电动机，让压力走廊压力积累。在叶片子系统中，通过检查十字盒上端的叶片角度指示器，确保叶片已经对中（约在0度位置）。如果叶片不居中，手动操作比例阀（元件17）进行对中。再手动操作减摇鳍收放阀（元件1），使用推针，插入电磁线圈的尾端，直到叶片回笼操作完成。 4.3.3SOLAS面板SOLAS面板电源和叶片单元的开关输入信号独立于减摇鳍控制系统，在控制系统停电的情况下，通过SOLAS近距开关对回笼状态进行监测，远程传送到SOLAS面板上显示叶片的两种状态：回笼与没有回笼。4.4叶片倾斜控制4.4.1 电液随动系统叶片倾斜控制系统是一套“电液随动系统”
32、，随动系统接受控制信号，完成信号的功率放大，驱动鳍跟随控制信号运动，随动系统能“快速、准确、稳定”的工作，使鳍角尽可能跟踪控制信号。其原理结构图如图4.2所示：图4.2 电液随动系统图（1）随动系统的工作原理由角速度传感器（角速度陀螺仪）测得船舶横摇的角速度信号和船舶航速作为控制信号，经中央控制单元处理后，以电压信号形式输出，电压信号送入到比较放大器后与鳍角反馈电压在PLC内部通过函数计算得出电液伺服阀的控制电流信号，电液伺服阀根据电流信号的大小决定阀的开度，从而调节进入转鳍液压缸的液压油流量，使鳍以一定的速度转动，同时鳍角传感器监测鳍角信号并输出鳍角反馈电压。鳍角反馈电压被送回到比较放大单元
33、与输入信号相比较，当这两个信号大小相等，极性相反时，差值趋近于零，鳍就停止转动。这样，根据输入信号的大小，可以使鳍转到一个指定的角度，实现随动转鳍的目的。鳍动作后，将减小船舶的横摇，从而使角速度传感器的监测的横摇信号变小。（2）船舶航速控制由式（2.5）可以得知，叶片上所产生的扶正力矩与攻角、航速的平方成比例。对于叶片角度反馈，是按照扶正力矩和攻角成线性比例关系的规律来控制的，在横摇状态相同的情况下，认为叶片上所产生的扶正力矩纸盒叶片的转角有关，然而在实际上，减摇鳍的叶片在设计航速下计算出叶片应有的转角，那么当航速加快时，作用在叶片轴上的转叶力矩变大，叶片产生的扶正力矩就会变大，系统的稳定性变
34、差。当转叶力矩达到一定时，就会使转鳍油缸的功率不够用，导致不能驱动叶片转动，为了使得在不同航速下叶片上产生的最大升力不变，需要采取一定的措施，对不同的航速调整最大鳍角，使叶片产生的最大扶正力矩保持到设计值。“育鲲”轮上具体的航速调节：当航速很小时，其减摇能力很差，所以规定当航速小于1/3设计航速（16.7kn），鳍角为零；当航速大于1/3设计航速时才启动减摇鳍工作，最大鳍角为25，则中央控制单元中的PID调节信号再经过式4.1处理。 （4.1）式中，为实际航速，为最小航速， 为中央控制单元输出的电压信号，为最大叶片角对应的电压。（3）稳心优化作用在某些情况下中，船的GM（稳心高度）会有很大变化
35、。在这种情况下，可以通过手动进入GM值，来对控制系统加以调节使其适应负载状况，控制系统中用它作为调节参数来进行性能优化。（没有详细资料）4.4.2叶片倾斜的具体实现当叶片伸出后，系统将进行船舶减摇操作，通过对监测到的角速度信号分析处理，从中央控制单元输出处理结果，经PROFIBUS总线分别传输到左右舷局部控制单元，又传送到伺服放大器单元中，同时鳍角传感器产生的反馈信号通过局部控制单元也传送到伺服放大器单元中，两者经特定的函数计算后，传送给比例阀（元件17）的线圈c或线圈d一定大小的电流信号，如图4.3。图4.3 局部控制单元信号输入、输出我们以叶片向上倾斜为例，当比例阀（元件17）的电磁线圈d
36、有电后，电液比例阀（元件17）的主阀芯向左移动，阀在右位开度与电流信号成比例，从而控制进入A通道的流量，然后液压油进入转鳍油缸G空间，推动叶片向上倾斜，转鳍油缸H空间的回油经B通道回到回油压力走廊。当叶片倾斜动作执行后，鳍角发生变化，鳍角传感器监测的反馈信号（当叶片角度居于上倾 25度和下倾 25度之间时，传感器的额定输出为0到 10伏直流电）传送到伺服放大器单元中，实现对鳍角最精确的控制。鳍角变化后，将影响叶片在水中的升力大小，从而决定扶正力矩的大小，使船舶的横摇角变小，直接负反馈给角速度传感器。5 提高“育鲲”轮减摇鳍可靠性船舶在航行中，由于航速和海况的变化，叶片上所受的升力也在不断的发生
37、变化，随之转鳍液压缸的负荷也在不断的变化，这时就有可能要发生液压缸的过载；船舶在减摇过程中，有可能由于控制故障的原因导致助摇效果，即叶片减摇实际所需的叶片角与控制器执行的叶片角方向相反，那么可能引起船舶的摇晃加重。5.1 航速控制的改进5.1.1 航速控制规律的设计由式4.1可以知道，当船速靠近最小航速时，叶片会动作频，不利于减摇。因而把最小航速设置为一个空回特性，如式5.1所示，原理如图5.1所示，空回特性可以使船舶航速在最小航速附近时，的值时而为零，时而为。在船舶航速过高时候，应减小叶片角度，防止升力过大和油缸过载，此时的值见式5.1。 （5.1）式中，为设计航速，为经过PID调节后的控制
38、电压信号，和为最小航速空回特性的两个值。图5.1 航速控制规律5.1.2 航速信号的接入“育鲲”轮上，航速信号没有接入到控制单元，在使用过程中，均由手动键入船舶航速。“育鲲”轮上采用多普勒计程仪，航速的大小可以根据脉冲的时间间隔来确定，不同航速的脉冲信号的间隔时间不同。5.2 叶片助摇问题的解决5.2.1 叶片助摇监测船舶在正常海况情况下，没有安装减摇鳍时，其横倾角随时间的变化趋近于正弦模式，如图5.1；在安装减摇鳍后，其横倾角应该逐渐减小，形成随时间衰减变化，如图5.2；而在发生助摇时，其叶片产生的升力与所期望的升力方向相反或者不相配套，这样反而促进了横倾，如图5.3。在一定海况条件下，对横
39、倾角变化趋势进行连续监测，通过对图5.1、5.2、5.3的分析得出，在一段时间内，记录下横倾角的连续峰值，比较峰值的绝对值大小，若峰值的绝对值渐渐增大，则说明叶片发生了助摇现象。图5.1 没有安装减摇鳍的横倾角变化趋势图5.3 正常的减摇状态下的很倾角变化趋势图5.3 助摇状态下横倾角的变化趋势5.2.2 助摇现象的解决当减摇鳍发生助摇现象时，原因很大可能是角速度传感器发生了故障，因此可以增加一个备用角速度传感器。当发生助摇现象时，切换到备用传感器运行，如果此时不能消除助摇现象，原因应该是控制系统发生了很大的迟滞，这时应该停止减摇鳍的工作。结论【参考文献】1陈海泉编著.船舶液压设备原理及维修技
40、术.大连：大连海事大学出版社，20092蒋维清等著.船舶原理.大连：大连海事大学出版社，19983齐小伟.船舶减摇鳍仿真.（硕士学位论文）.大连海事大学.20084Rolls-Royce plc. Brown Brothers Aquarius series folding fin ship stabilizer operation and maintenance manual.20055 Rolls-Royce plc. steering and stabilization.20076张海鹏，吉明，金鸿章.可编程控制器在船舶减摇鳍随动系统中的应用.电子技术应用.2003（11）7Gheorghe SAMOILESCU, Serhei RADU.STABILISERS AND STABILISING SYSTEMS ON SHIPS.ENGINEERING FACULTY 8th INTERNATIONAL CONFERENCE.2002
