1、机电设备 2004 年第 6 期 1 可调螺距螺旋桨控制系统仿真平台设计 Design of Simulation Platform for Controllable Pitch Propeller Control System 洪术华 焦 侬 上海船舶设备研究所 上海 200031 摘 要 针对船舶可调螺距螺旋桨 以下简称调距桨 控制系统设计 调试困难的现状 设 计了调距桨控制系统仿真平台 以使调距桨控制系统的设计及调试变得简单 便捷 仿真结果表 明 该平台极大地方便了调距桨控制系统的设计 对实际系统的调试具有指导作用 关 键词 调距桨 仿真 PID 整定 遗传算法 Abstract In
2、order to make the design and adjustment of controllable pitch propeller CPP control system simpler and more convenience the authors designed a simulation platform themselves to simulate the operation of control system The article introduces the platform its functions and simulating results The simul
3、ating experiment shows that the design of the platform is a success The design and adjustment of CPP and its control system can be done under the guide of simulating results Keywords controllable pitch propeller simulation PID tuning genetic algorithms 中图分类号 U664 33 文献标识码 A 文章编号 1005 8354 2004 06 00
4、01 04 控制系统的计算机仿真是对控制系统进行科学 研究的十分重要的手段 通过计算机仿真对比各种 控制策略和方案 确定并优化相关参数 以获得最 佳控制效果是多年来控制系统设计尤其是新型控制 策略与算法研究中必不可少的过程 本文所研究的 某型船的动力推进系统采用的是先进的可调螺距螺 旋桨 其控制系统的调试异常困难 因此有必要设计 一个船舶调距桨系统的仿真平台 使得调距桨控制 系统的设计 调试及优化变得容易 直观且迅速 1 调距桨控制系统 1 1 调距桨控制系统简介 调距桨能在所有工况下充分吸收主机的全功 率 提高螺旋桨效率 在部分负荷时可实现螺旋桨 与主机转速的最佳匹配 有良好的机动与操纵性能
5、 且易于实现遥控 因而已在国内外多种船舶上得到 广泛应用 目前 调距桨控制系统一般采用传统的 PID 控制方法 某型船舶的调距桨控制系统框图如 图 1 所示 图 1 调距桨控制系统框图 由于船舶调距桨系统本身是非线性的 对如此 复杂系统认识的局限和实现的困难以及随机因素 如 风 浪 流等 的影响 导致系统的不确定性 加之系统参数 如推力减额系数 伴流系数等 的 时变性 使得船舶航行工况并不仅仅局限于几个典 型工况 以港作拖轮为例 尽管其典型工况名义上只 有两个 一个是自由航行 另一个是拖带航行 但 实际上拖带阻力随对象而变 显然是一随机变量 当船舶按典型工况下的最佳操纵特性操作时 必定 不能达
6、到最佳控制效果 因此 调距桨控制系统的 参数整定 评价环节 辨识环 节 调距桨液压 伺服系 统 PID 控制器 a0 t e t u t a t 2 机电设备 2004 年第 6 期 PID 参数并非为一组固定值 而是随着工作条件的 变化而改变的 PID 参数的整定也因此成为困扰船 舶控制系统专家们的一道难题 实际工作中船舶调 距桨控制器 PID 参数整定 以手动调节为主 这样不 仅工作繁重复杂 且整定的结果也难以达到最佳的 效果 本设计旨在通过调距桨控制系统的仿真平台 进行调距桨控制系统的 PID 整定仿真研究 从理论 上得到各种工况下调距桨的 PID 优化参数 从而极 大地方便调距桨控制系
7、统的设计 指导实际系统的 调试 1 2 调距桨液压系统模型 调距桨动力推进必须考虑变距驱动控制系统 变距机构可以手动 电动或者液压控制 多数大型 调距桨变距装置采用的是液压驱动方式 1 对于本 文所研究的某型船的调距桨螺距是由螺距设定信号 并通过比例方向阀控制液压油缸实现的 建立的是 实际液 压系统的数学模型 1 2 1 比例阀模型 本调距桨控制系统的液压系统由比例方向阀驱 动伺服油缸实现调距 比例方向阀的闭环传递函数 可简化为 1sK2KTsK T2K 1K sT K1s vfv v v I2 vv Iv 2 vv 2 vv 3 1 X w x w x ww 式中 KX 为阀芯位移反馈增益
8、wv xv 分别为阀 固有频率和阻尼 TI 为放大器时间常数 Kv 为与放 大器及比例阀有关的增益值 这是个三阶系统 可用一阶和二阶因式表示 即 1s2s1s K1s ncnc 2 ncb X 2 wxww 实际上 比例阀的传递函数在系统中究竟用什 么典型环节来近似表示 可根据比例阀在系统中使 用的频带决定 固有频率较 低时 可用一阶环节表 示 固有频率较高时 可用二阶环节表示 这里将比 例阀近似为二阶系统 这样 得到比例阀特性 12 1 22 sTsT K s V s X vvv X P x 1 式中 Tv 为比例阀等效时间常数 1 2 2 液压缸模型 调距桨执行机构是一个液压缸 在本文所研
9、讨 的某型船的液压缸采用的是占用空间小 制造简单 成本低廉的单活塞杆液压缸 参考文献 1 和 2 可以 得出这种液压缸的传递函数为 ss s A Q s F s K V AA K A s XK s Y h h h v tad L cee e v ce v q 12 14 2 2 1 w x w b 2 式中 Kq 为阀的流量增益 Kce 为总流量 压力 系数 Ve 为等效容积 A1 为液压缸无杆腔活塞面积 Av 为平均活塞面积 wh 为液压系统的固有频率 xh 为阻尼系数 be 为附加系数 Qtad为附加泄漏量 由 于其引起的附加干扰力 fad 数值不大 所以在仿真时 可以忽略 这样由式 1
10、和 2 就可得到调距桨液压系 统的仿真模型 完成了调距桨控制系统分析 并对其液压部分 建立了合适的数学模型后 便可进行调距桨控制系 统仿真平台的设计 2 调距桨控制系统仿真平台设计 利用计算机强大的 科学运算功能 现代计算机 软件灵活的程序设计流程 高质量的图形可视化与 界面设计以及便捷的程序接口功能 设计了调距桨 控制系统仿真平台 2 1 仿真平台设计目标 要求依据图 1 的调距桨控制系统框图 搭建的 调距桨控制系统仿真平台能够对于多种工况下的调 距桨模型进行仿真 整定出优化的 PID 控制器参数 组合 并有图形显示功能 在仿真平台上有多个可选 的整定方法 以便对各种控制方法进行比较 寻求
11、一种较为理想的整定方法 基于可靠性考虑 给系 统设计了传统的 CC 法 ZN 法等经典整定方法 这 是因为这些方法的超调虽然较大 但是因为是在 试 验基础上建立的经验整定方法 可靠性较强 为了得 到优化的 PID 参数整定结果 需要给平台设计一种 机电设备 2004 年第 6 期 3 优化的 PID 整定方法 对于各种整定方法 要求能 够指示引入阶跃信号后的各种静 动态性能指标 为了考验系统的抗干扰能力 在图 1 中的控制器输 出端引入了阶跃冲击信号 并在平台上能够反映冲 击后的最大动态降落和恢复时间等性能指标 考虑 到系统调试时经常对 PID 参数采取手动调节的实际 情况 要求平台具有手动调
12、节模拟功能 2 2 仿真平台设计功能 依据仿真平台设计目标 本着仿真设计简单 直观以及迅速的原则 设计了友好的仿真界面 见 图 2 图 2 调距桨控制系统仿真界面 现对该界面的功能介绍如下 1 图形显示功能 位于界面的左上角 可以实时地动态显示仿真图形 并可给图形添加网格等 2 调距桨液压系统显示功 能可以显示调距桨液压系统的主要系统传递函数模 型 3 控制策略选择功能位于界面中上偏左 可以 选择调距桨系统的不同控制算法 比较使用各种不 同的控制策略时 调距桨系统阶跃响应图形的变化 从而为系统选择合适的控制算法 设置这些算法的 另外一个功能是可以预先采取传统的控制方法 如 CC 法 ZN 法等
13、 以确定控制器参数的大致范围 为遗传算法整定做 准备 4 控制器参数指示功能位 于界面的中下方 可以随着控制方法的不同 动态 地调整显示三个参数的实际值 其中滚动条和显示 在框中的值相互对应 手动拉动滚动条 可以进行 手动调节 逐个调节滚动条 可以看到调距桨系统 阶跃响应随着参数的变化而变化的情况 5 阶跃响 应性能指标指示功能位于界面的右侧 可以随着控 制算法的变化 动态地显示阶跃响应的超调量 调 节时间 响应误差等 6 扰动响应性能指标指示功 能位于界面中上偏右 为了考察系统的抗干扰能力 在系统的控制器输出端口加入了阶跃干扰 并在此 模块中显示干扰作用下的一些主要参数 本调距桨仿真平台可供
14、选择的控制方法有 CC 法 ZN 法 稳定边界法 IAE 法 ISE 法 ITAE 法以及 GA 法 其中 CC 法和 ZN 法均将对象近似成 一阶加滞后的广义传递函数模型 G s e ts K Ts 1 的形式 如果已知模型不是这种形式 则可将模型 经过转换计算求得拟合的对应参数 K T t 3 根 据广义对象模型由经验公式给出整定结果 4 稳定 边界法是目前应用较广的一种控制器参数计算方 法 这个方法是基于系统的稳定性理论 也即系统 闭环特征方程的根 即闭环极点 均在其复平面的 左侧时 闭环系统稳定 当闭环特征方 程有纯虚根 时 系统的根轨迹与虚轴相交 其响应等幅振荡 系统临界稳定 根据这
15、一特点求出闭环系统根轨迹 与复平面虚轴的交点 便可确定控制器的参数 IAE ISE 和 ITAE 法是一类最优控制 误差积分指 标最优 的控制方法 GA 法则是基于遗传算法的 一种 PID 优化整定方法 所谓遗传算法是基于遗传 理论 即采用 自然选择 适者生存 的生物进化 原理 模拟生物进化机制而发展起来的一种全局搜 索和实现特定目标优化的方法 5 通过调节控制器参数指示区中的三个参数滚动 条即可模拟手动调节 PID 三个参数的过程 可以单 独改变其中任一参数 然后通过图形显示模块或者 阶跃响应性能指标指示模块比较不同参数的作用 可以看到 单独增大比例增益时 系统响应的速度 也将加快 但闭环系
16、统响应的超调也随之增大 当 它达到某个比较大的值时 闭环系统将趋于不稳定 单独增大积分增益时 闭环系统的稳态误差可逐步 减小甚至消除 但积分增益大到一定值时容易造成 系统的振荡 单独增大微分增益时 系统的响应速 度增快 超调量变小 但稳态误差随之增加 3 调距桨控制系统仿真 目前调距桨控制系统一般采用 PID 控制方法 4 机电设备 2004 年第 6 期 主要是因为 PID 控制结构简单 易于实现 然而在 PID 参数整定时却多 采用传统的 ZN 法或试凑法 往往不能得到最佳的整定效果 在本文所研究的调 距桨仿真平台上 采用基于遗传算法进行参数整定 的方法很好地解决了这一问题 使用调距桨仿真
17、平 台进行仿真时 首先对系统施以 CC 整定和 ZN 整 定 系统的超调明显过大 这也正是这类经典整定 方法的缺陷所在 然而由于此类方法是在大量实验 基础上建立起来的 其控制效果具有普遍的意义 4 且这种方法可以给出系统参数整定的大致范畴 利 用传统整定方法整定出控制器参数的合理内核 可 以缩短基于遗传算法整定的搜索时间 为遗传算法 快速 准确的搜索出控制器参数最优组合打下 基础 经典的 ZN 整定法和基于遗传算法整定法的仿真结 果表明 以某型船设计的调距桨仿真平台是合理的 仿真界面是友好的 仿真平台中采用的基于遗传算 法整定效果明显优于传统的参数整定方法 因此我 们设计的调距桨仿真平台是成功
18、的 图 3和图 4分别 给出了 ZN 法和遗传算法的整定结果 图 3 ZN 法整定结果 图 4 遗传算法整定结果 4 结论 针对调距桨系统设计的调距桨控制系统仿真平 台使复杂的调距桨控制系统仿真变得简单 方便 为调距桨控制系统的设计提供了很好的实验平台 针对调距桨控制系统参数整定难的现状 提出了基 于 遗传理论的参数整定 并利用自行设计的仿真平 台进行了仿真研究 结果表明仿真平台极大地方便 了调距桨控制系统的设计 对实际系统的调试具有 很好的指导作用 5 参考文献 1 翁史烈 船舶动力装置仿真技术 M 上海 上海交通 大学出版社 1991 2 王庆丰 集成化电液控制执行机构的数字控制及系统 解
19、偶研究 浙江大学博士学位论文 1994 3 薛定宇 反馈控制系统设计与分析 MATLAB 语言应 用 M 北京 清华大学出版社 2000 4 邵惠鹤 工业过程高级控制 M 上海 上海交通大学 出版社 2003 5 李敏强 寇纪淞等 遗传算法的基本理论与应用 M 北京 科学技术出版社 2002 6 薛定宇 陈阳泉 基于 MATLAB Simulink 的系统仿真 技术与应用 M 北京 清华大学出版社 2002 7 张志涌 徐彦琴等 MATLAB教程 基于 6 X 版本 M 北京 北京航空航天大学出版社 2001 作者简介 洪术华 1980 男 工业自动化专业在读 硕士研究生 使用碳氢化合物的新欧洲标准 自 2004 年起 CEI 60365 2 40 家用空调 移动 式装置 分体式 空调 安全性欧洲标准公布 其中 包含了在空调装置中少量使用碳氢化合物 至今在 居住和公共场所都是禁止使用的 因此除了使用传 统的含卤素的 FKW 制冷剂如 R134a R407C 或 R410A 还有可燃的制冷剂如 R290 Propan 在这 类制冷 空调装置中使用
