本發(fā)明屬于船舶運(yùn)動(dòng)控制，尤其是涉及一種雙齒條液壓缸的被動(dòng)式液壓系統(tǒng)與控制方法。

背景技術(shù)：

1、船舶運(yùn)動(dòng)控制一直是船舶操縱性的核心問(wèn)題之一。由于海浪的干擾，船舶的使用受到了很大的限制，一方面在大浪中船舶會(huì)有傾覆的危險(xiǎn)，使得在風(fēng)浪很大的情況下船舶不得不停港，以避免風(fēng)浪帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。特別是在深海，經(jīng)常會(huì)有大風(fēng)浪出現(xiàn)，這使得船舶的使用范圍受到了很大的限制。另一方面，風(fēng)浪引起的船舶的振動(dòng)會(huì)對(duì)船舶的結(jié)構(gòu)造成惡劣影響，如疲勞損傷，嚴(yán)重限制了船舶的使用壽命。同時(shí)，波浪引起的船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)乘務(wù)人員和乘客的生理和心理上造成極大的不適。特別是當(dāng)船上裝載有精密儀器等對(duì)振動(dòng)敏感的裝置時(shí)，船舶對(duì)海浪干擾的抑制能力就顯得更為重要了。因此，在海面上航行，船舶的橫搖會(huì)影響船舶的適航性、安全性、船上設(shè)備的正常工作以及船員的舒適性。為了使得船舶在復(fù)雜海況下能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定作業(yè)，各類船舶均對(duì)減搖系統(tǒng)有著迫切需求。

2、目前，基于控制力矩陀螺的減搖系統(tǒng)（陀螺減搖裝置）得到廣泛應(yīng)用，利用其高速轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定動(dòng)量矩輸出，用一個(gè)小的力矩輸入產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)，可獲得放大的輸出力矩來(lái)抑制船舶橫搖，但該減搖系統(tǒng)仍存在減搖控制裝置復(fù)雜，液壓系統(tǒng)冗余，控制策略的海浪適用性差等問(wèn)題。

3、由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和各種控制理論的成熟，各種主動(dòng)陀螺減搖裝置被大量研究，并開(kāi)始在市場(chǎng)上流行。船舶動(dòng)力生產(chǎn)的陀螺減搖裝置，它通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和齒輪傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生減搖力矩。該系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)控制，減搖效率高。但是存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)是，電機(jī)一旦發(fā)生故障，主動(dòng)控制失效，高速旋轉(zhuǎn)的陀螺容易加劇船舶的橫搖，甚至存在一定的翻船風(fēng)險(xiǎn)。

4、n.c.townsend等人提出了一種全新的陀螺減搖控制策略。根據(jù)其設(shè)計(jì)的陀螺減搖裝置可以產(chǎn)生比現(xiàn)存的陀螺減搖裝置更大的減搖力矩。與以往的陀螺轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)控制策略不同，文中提出讓陀螺轉(zhuǎn)子以一個(gè)恒定的角速度沿著一個(gè)方向做連續(xù)的進(jìn)動(dòng)，而不是在船舶垂直軸附近振蕩。這樣，陀螺轉(zhuǎn)子就可以在一個(gè)波周期內(nèi)沿著陀螺框架軸做整周旋轉(zhuǎn)。但這種控制策略的自適應(yīng)性差，針對(duì)不同海洋環(huán)境，特別是海浪干擾激勵(lì)不同，需要實(shí)時(shí)調(diào)整陀螺轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)的頻率和相位，操作繁瑣。

5、澳大利亞維姆有限責(zé)任公司提出了一種基于進(jìn)動(dòng)信息而使海船運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)和方法。所述控制系統(tǒng)采用自動(dòng)增益控制(agc)進(jìn)動(dòng)控制器。該系統(tǒng)利用增益系數(shù)操作，所述增益系數(shù)逐漸最小化以使所述陀螺儀飛輪盡可能多地?cái)U(kuò)大進(jìn)動(dòng)，也就是進(jìn)動(dòng)越大，橫搖穩(wěn)定力矩越大。該連續(xù)增益變化提供對(duì)海況及航行條件變化的適應(yīng)性，并在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了容錯(cuò)的船舶減搖裝置控制系統(tǒng)。但該控制系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)液壓缸來(lái)帶動(dòng)高速轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)，存在液壓系統(tǒng)冗余難題，增加了液壓裝置的復(fù)雜性。

6、吳振亞以旋轉(zhuǎn)葉片式液壓阻尼器為進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)研制成功抑制船舶非線性橫搖的液壓阻尼陀螺減搖裝置，在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)讓陀螺重心下移避免了陀螺輸出奇異，研究所設(shè)計(jì)的陀螺減搖裝置對(duì)一漁政船的減搖率達(dá)到82.03%。然而，旋轉(zhuǎn)葉片液壓阻尼器的自適應(yīng)性差，且阻尼進(jìn)動(dòng)不可根據(jù)海況及航行條件進(jìn)行調(diào)控。

7、2010年陳少楠應(yīng)用輸入輸出線性化技術(shù)和反步控制方法設(shè)計(jì)了抑制船舶橫搖的非線性增益控制器，并仿真驗(yàn)證了他設(shè)計(jì)的這套裝置對(duì)實(shí)船具有優(yōu)良的減搖能力和橫傾干擾恢復(fù)平衡能力。然而該控制策略復(fù)雜，工程應(yīng)用并未見(jiàn)到相關(guān)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的問(wèn)題是提供一種雙齒條液壓缸的被動(dòng)式液壓系統(tǒng)與控制方法。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種雙齒條液壓缸的被動(dòng)式液壓系統(tǒng)，包括雙齒條液壓缸和二位四通比例換向閥，所述雙齒條液壓缸包括兩個(gè)平行設(shè)置的缸體，所述缸體內(nèi)安裝有齒條活塞，兩個(gè)所述缸體內(nèi)的齒條活塞運(yùn)動(dòng)方向相反，兩個(gè)所述缸體之間安裝有傳動(dòng)軸，所述傳動(dòng)軸外側(cè)設(shè)置有齒輪，該傳動(dòng)軸通過(guò)齒輪與兩個(gè)齒條活塞的齒條相連，所述傳動(dòng)軸和陀螺減搖器的進(jìn)動(dòng)軸連接；所述陀螺減搖器產(chǎn)生的進(jìn)動(dòng)力矩通過(guò)齒輪傳遞到缸體內(nèi)的齒條活塞上，推動(dòng)液壓油流動(dòng)，產(chǎn)生壓強(qiáng)；兩個(gè)所述缸體內(nèi)的液壓油分別通過(guò)二位四通比例換向閥擠入另一缸體，形成液壓回路；所述液壓回路是一個(gè)已經(jīng)預(yù)充的閉合回路，雙齒條液壓缸的作用相當(dāng)于柱塞泵，為液壓回路提供動(dòng)力。建立調(diào)控所述液壓回路的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)調(diào)控液壓回路中二位四通比例換向閥的閥口大小，可以調(diào)控壓差，對(duì)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)提供制動(dòng)，從而對(duì)陀螺減搖器的陀螺轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼力矩，達(dá)到減搖效果。

3、可見(jiàn)，所述液壓回路是產(chǎn)生控制陀螺進(jìn)動(dòng)的阻尼力矩的關(guān)鍵。液壓回路能夠調(diào)控陀螺轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)，在陀螺轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)方向增加一個(gè)阻尼力矩。

4、進(jìn)一步地，所述齒條活塞與缸體之間設(shè)置有缸套，所述缸體兩端安裝有端壁，所述端壁與缸體之間設(shè)置有墊圈，該端壁上安裝有調(diào)節(jié)螺釘，所述調(diào)節(jié)螺釘上安裝有緊固螺帽；所述缸體內(nèi)部端口位置設(shè)置有擋圈，所述擋圈外側(cè)與端壁相接觸，該擋圈與缸體內(nèi)壁之間安裝有o型密封圈。

5、其中，所述調(diào)節(jié)螺釘和緊固螺帽用于缸體內(nèi)壓力的測(cè)試和排氣。所述墊圈和o型密封圈用于缸體的密封。所述擋圈用于控制齒條活塞的行程。所述齒條活塞和齒輪配合用于液壓的流體傳動(dòng)轉(zhuǎn)換為傳動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)。所述傳動(dòng)軸和陀螺減搖器的進(jìn)動(dòng)軸連接，進(jìn)而通過(guò)雙齒條液壓缸控制陀螺的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而控制船舶的橫搖。

6、進(jìn)一步地，所述液壓回路上還設(shè)置有儲(chǔ)能器，所述儲(chǔ)能器上安裝有壓強(qiáng)傳感器。

7、進(jìn)一步地，建立調(diào)控所述液壓回路的數(shù)學(xué)模型，包括以下步驟：

8、s1、雙齒條液壓缸的受力為：

9、

10、

11、其中，為雙齒條液壓缸抵抗進(jìn)動(dòng)阻力，為雙齒條液壓缸回路促進(jìn)進(jìn)動(dòng)的動(dòng)力，為雙齒條液壓缸的內(nèi)徑，為雙齒條液壓缸抵抗進(jìn)動(dòng)的壓強(qiáng)，為雙齒條液壓回路的壓強(qiáng)，為定值，由儲(chǔ)能器決定。

12、s2、通過(guò)雙齒條液壓缸的運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，所述齒條活塞的線速度為：

13、

14、其中，為齒條活塞的線速度；為缸體內(nèi)的液壓流量；為齒輪的半徑；為進(jìn)動(dòng)角加速度；可見(jiàn)，在工作過(guò)程中，雙齒條液壓缸的兩個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，其產(chǎn)生的速度和液壓阻力也相同。

15、s3、當(dāng)液壓油通過(guò)二位四通比例換向閥時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓差，當(dāng)二位四通比例換向閥的閥口的壁厚小于口徑的1/2，而且閥口邊緣是無(wú)倒角的銳緣時(shí)，則閥口處的流體僅與閥口邊緣相接觸，此閥口可認(rèn)為是薄壁銳緣閥口，所述閥口的流量計(jì)算公式為：

16、

17、其中，為閥口前后的壓差；為閥口面積；為液壓油的密度；為流量系數(shù)；為閥口處流量。則當(dāng)液壓油通過(guò)二位四通比例換向閥時(shí)產(chǎn)生的壓力差為：

18、

19、s4、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)雙齒條液壓缸兩側(cè)分別產(chǎn)生的液壓阻尼力矩為：

20、

21、

22、其中，為雙齒條液壓缸抵抗進(jìn)動(dòng)阻力的液壓阻尼力矩，為雙齒條液壓缸回路促進(jìn)進(jìn)動(dòng)的液壓阻尼力矩；

23、則總的液壓阻尼力矩為：

24、

25、其中，為總的液壓阻尼力矩；

26、聯(lián)立上述方程可得：

27、

28、因此，只要通過(guò)合理的控制二位四通比例換向閥閥口的大小就可以調(diào)節(jié)施加在陀螺進(jìn)動(dòng)方向的阻尼力矩，進(jìn)而控制陀螺的減搖力矩，達(dá)到減搖效果。

29、本發(fā)明還提供一種雙齒條液壓缸的被動(dòng)式液壓系統(tǒng)對(duì)陀螺減搖器的控制方法，通過(guò)模糊自適應(yīng)pid控制方法對(duì)陀螺減搖器進(jìn)行控制。

30、進(jìn)一步地，所述模糊自適應(yīng)pid控制方法包括以下步驟：

31、s100、將陀螺減搖器減搖的橫搖角目標(biāo)設(shè)計(jì)值設(shè)置為0；將陀螺減搖器進(jìn)動(dòng)角遠(yuǎn)離限位行程最大角的目標(biāo)設(shè)計(jì)值設(shè)置為0，將限位行程最大角的絕對(duì)值設(shè)置為70°。

32、s200、在模糊自適應(yīng)pid控制器中輸入誤差量、誤差變化速度和陀螺減搖器減搖的橫搖角目標(biāo)設(shè)計(jì)值，模糊自適應(yīng)pid控制器在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)和，再根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，對(duì)pid的響應(yīng)速度系數(shù)、穩(wěn)態(tài)誤差消除系數(shù)和動(dòng)態(tài)特性改善系數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以滿足不同時(shí)刻的和的需求，產(chǎn)生第一增益b1；

33、s300、在模糊自適應(yīng)pid控制器中輸入陀螺減搖器進(jìn)動(dòng)角遠(yuǎn)離限位行程最大角的目標(biāo)設(shè)計(jì)值、響應(yīng)速度系數(shù)、穩(wěn)態(tài)誤差消除系數(shù)和動(dòng)態(tài)特性改善系數(shù)，對(duì)、和進(jìn)行自適應(yīng)pid控制產(chǎn)生第二增益b2；

34、s400、將步驟s300的常規(guī)pid控制和步驟s200的模糊pid控制相結(jié)合的方式產(chǎn)生和兩種增益共同作用在二位四通比例換向閥上，控制陀螺減搖器合理進(jìn)動(dòng)。

35、所述陀螺減搖器上的傳感器將實(shí)時(shí)測(cè)量的陀螺減搖器的真實(shí)橫搖角和陀螺減搖器的實(shí)時(shí)進(jìn)動(dòng)角分別反饋給模糊自適應(yīng)pid控制器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整。

36、其中，所述限位行程是能夠保證陀螺進(jìn)動(dòng)不會(huì)達(dá)到奇異點(diǎn)的行程，因?yàn)橥勇葸M(jìn)動(dòng)的奇異點(diǎn)對(duì)陀螺減搖效果影響很大。

37、本發(fā)明具體的效果如下：

38、本發(fā)明的雙齒條液壓缸對(duì)高速轉(zhuǎn)子的陀螺進(jìn)動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)，通過(guò)被動(dòng)式液壓系統(tǒng)和基于模糊pid的控制策略，對(duì)減搖力矩進(jìn)行自適應(yīng)控制，從而達(dá)到抑制船舶橫搖的效果。尤其是波浪和環(huán)境激振力引起的船舶橫搖運(yùn)動(dòng)得到高效抑制。

39、本發(fā)明以雙齒條液壓缸被動(dòng)液壓阻尼器為進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的陀螺作為研究對(duì)象，被動(dòng)式液壓系統(tǒng)通過(guò)二位四通比例換向閥使兩個(gè)液壓缸內(nèi)液壓油產(chǎn)生壓差，從而對(duì)陀螺的進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼力。對(duì)其建立聯(lián)合動(dòng)力學(xué)方程，從而建立陀螺減搖器的被動(dòng)式液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型?；谀：齪id控制原理，建立陀螺減搖器的自適應(yīng)控制策略，并通過(guò)simulink仿真，驗(yàn)證基于雙齒條液壓缸的被動(dòng)船舶減搖裝置的減搖效果。