船舶舵机试验台电液伺服加载系统控制性能研究

摘要

船舶舵机试验台是测试舵机受载性能的试验装置，其功能是模拟舵机的舵叶在运动到不同角度时所受到的力矩，并将此力矩实时地施加于舵叶，从而检测出舵机的技术性能指标。该试验台能将舵机在实际工况下的全实物试验转化为实验室条件下的半实物仿真，可以达到缩短研制周期，降低研发成本，提高可靠性和稳定性的目的。随着船舶工业的不断发展，对高性能船舶舵机试验台的需求越来越迫切。但试验台加载系统属于典型的被动式电液力矩控制系统，在舵机的位置干扰下会产生巨大的多余力矩，从而严重影响加载性能和跟踪精度。如何最大限度的消除多余力矩，提高负载试验台加载控制性能，一直是当前国内外学者研究的重点和难点。 （1）在查阅大量文献的基础上，本文综述国内外电液伺服加载系统的研究现状，分析了消除多余力矩不同方法的优缺点，确定了本文的研究方向。 （2）指出了船舶舵机试验台的结构原理，并根据液压系统原理图分析其工作过程；建立电液伺服加载系统和电液比例位置系统的数学模型，求解将两者之间的耦合关系后建立总体液压系统数学模型。选取并计算相关参数，对加载和位置系统无扰和有扰情况下的频率响应特性进行理论分析，为舵机试验台的加载性能控制方法的提出提供了理论基础。 （3）随后从阀控液压动力元件的工作原理出发，本文揭示了多余力矩的产生机理及其本质特征，分析了多余力矩的影响因素和消除方法。在采用结构不变性补偿方法消除多余力矩的基础上，针对其不足提出了改进的前馈补偿方法，以提高加载精度，改善试验台的动态加载性能。 （4）然后基于PID控制和模糊控制提出了模糊PID控制，以充分发挥两者的优势，最大限度的改善试验台加载系统和位置系统跟踪任意指令的能力。 （5）最后利用Matlab/simulink软件对加载和位置系统无扰时域响应、有扰时加载系统多余力矩、结构不变性补偿和前馈补偿消除多余力矩效果、整体液压系统性能曲线进行仿真。仿真结果表明，采用前馈补偿消除多余力矩和模糊PID控制保证静态跟踪性能有效可行，改进后试验台的性能曲线能够满足要求。 本文所研究的内容为船舶舵机试验台的设计和研制提供了理论基础。同时文中提出的方法和得出的结论对于其他被动式加载系统同样适用。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2试验台加载控制性能

1.3多余力（矩）研究现状

1.4论文主要工作

第2章 试验台结构原理与液压系统数学模型的建立

2.1舵机试验台加载系统的结构原理

2.2试验台数学模型

2.3仿真参数确定

2.4频率特性分析

2.5本章小结

第3章 加载系统多余力矩的补偿策略

3.1电液伺服系统的多余力矩

3.2结构不变性补偿

3.3前馈补偿

3.4本章小结

第4章 试验台液压控制系统模糊PID控制

4.1传统PID控制

4.2模糊控制

4.3模糊PID控制

4.4模糊PID控制器的设计

4.5本章小结

第5章 仿真分析

5.1加载系统无扰时域响应

5.2位置系统无扰时域响应

5.3动态加载多余力矩

5.4结构不变性和前馈补偿对比仿真

5.5试验台整体液压系统仿真

5.6本章小结

第6章 总结与展望

6.1总结

6.2不足与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果