1、1船舶控制原理可调螺距螺旋桨及其控制多媒体课件简介一、课件背景可调螺距螺旋桨简称调距桨，它的每个桨叶都可绕其轴转动。在不改变原动机的转速和转向时，通过调节调距桨的螺距，可以控制桨的推力大小和方向。本教学环节的任务是学习和了解可调螺距螺旋桨及其控制，主要掌握两个知识点，即调距桨的机械构成和调距的控制。调距的控制又分为两个主要部分，即调距桨的调距方法和调距控制系统。本多媒体课件依托实际科研项目，以潜器全方位推进器为例对可调螺距螺旋桨及其控制进行讲解。在课件中给出全方位推进器的构成原理及其调距控制系统的设计和实现方案，并且结合实际科研项目形成的原理样机以动画的形式形象生动地对可调螺距螺旋桨的机械结构
2、、调距控制系统的系统构成、潜器全方位推进器运动姿态进行演示。全方位推进器(Variable Vector Propeller)简称 VVP 是可调螺距螺旋桨的一种形式，它的叶片安装在能对转轴倾斜的旋转斜盘上，桨叶可以绕桨轴旋转一定的螺距角。全方位推进器通过调整螺旋桨叶片的螺距角，来产生上下方向、左右方向和前后方向的推力，满足潜器对推进和各运动方向操纵性能的要求。本教学软件涵盖了船舶控制原理课程的教学大纲要求的内容，具体包括：全方位推进器机械构成演示、全方位推进器调距系统构成演示、全方位推进器运动演示、潜器全方位推进器运动姿态演示。软件中，对这些演示的目的、原理、内容等内容进行了相应介绍，使学生
3、能很好地消化所学的理论知识并加深对可调螺距螺旋桨（调距控制系统）的结构的认识和特性的理解，掌握设计可调螺距螺旋桨调距控制系统的方法。二、课件构成及原理课件中我们首先介绍了全方位推进器的有关基础知识，为后面全方位推进器调距控制系统的设计和实现做准备。1.潜器全方位推进器的工作原理A. 潜器全方位推进器的工作原理全方位推进器(Variable Vector Propeller)简称 VVP 是一种在桨叶旋转一周的过程中，2通过桨叶螺距角的周期性变化，产生前后，左右，上下任意方向的推力和力矩的螺旋桨。VVP 的叶片安装在能对转轴倾斜的旋转斜盘上，各叶片螺距可改变是其特性。螺距改变是通过旋转斜盘的轴向
4、平移和对轴倾斜，产生可调螺距和周期螺距变化完成的，通过单独的或其组合能产生任意方向的推力，具体如图 1 所示。(1) 旋转斜盘基准位置的无螺距改变的状态，各方向推力等于 0。(2) 通过液压缸使旋转斜盘沿轴向平行移动（可调螺距的方式，即校正螺距 发生0改变），螺旋桨所有叶片螺距角同时作同方向变化，产生桨轴方向的推力。(3) 通过倾斜旋转斜盘，周期改变螺距（周期螺距方式，即周期性螺距 发生改变），螺旋桨相对叶片的螺距角相互反方向改变，产生与桨轴垂直方向的推力。(4) 由 2 和 3 组合的状态，即使斜盘平移，另外加倾斜，产生对轴来说任意方向推力状态。图 1 全方位推进器工作原理 图 2 可变矢量
5、推进器原理3潜器姿态与全方位推进器工作状态的关系如下表所示：操纵模式 方式 注前后进 使用全方位推进器（校正螺距控制）掉头 使用全方位推进器（周期性螺距 及相角 控制）有时左右推进器并用横移使用全方位推进器（周期性螺距 及相角 控制）使用左右推进器（转速 控YN制）升降 使用上下推进器（转速 控制）ZB. 全方位推进器的调距方法全方位推进器推力的大小，靠改变叶片螺距角大小，能产生任意大小的推力。为使斜盘移动倾斜任意方向，最少需要 3 个以上油压缸。校正螺距和周期螺距同时变化时桨叶的螺距角变化状态如图 2 所示。调距桨的桨叶的偏转大多是由电液伺服系统控制，全方位推进器液压伺服系统的实物图如图 3
6、 所示。图 3 液压伺服系统实物图潜器全方位推进器的叶片螺距角周期性的改变需要一套复杂的调距控制系统，因而它的实用化必须与现代控制技术的发展相结合。4变螺距机构主要由液压控制器，液压杆，固定盘（外侧），可旋转圆盘（内侧），连接杆，液压缸，螺距调节杆，链等构成。旋转斜盘内侧与螺距调节杆相连，并随螺旋桨旋转，而外侧则与液压杆相连不转动。在整体螺距状态时，通过液压缸使旋转斜盘沿桨轴方向平行移动，此时，全部桨叶的螺距角将向同一方向变化，与普通螺旋桨一样，仅产生轴向推力。在周期螺距状态时，通过旋转斜盘的周期性倾斜，使相应的桨叶螺距角周期性变化，可产生侧向推力。如果改变斜盘的倾斜方向，使螺距角变化的相位错
7、开，则可以任意变化产生侧向力的方向其原理如图 3 所示。图 3 潜器全方位推进器螺距可调机构2.全方位推进器机械构成本软件演示的全方位推进器的机械结构演示图如图 4 所示，通过形象、生动的机械结构动画演示给学生一个更加直观的视觉效果，利于学生了解全方位推进器的机械构成。图 4 全方位推进器机械结构演示图本教学软件是依托科研项目进行的，学生在对全方位推进器的机械构成有了初步5了解之后，可以依靠项目的原理样机进一步的将理论知识与实际应用连接起来，全方位推进器实物如图 5 所示。图 5 全方位推进器实物照片3.调距控制系统设计研究全方位推进器调距控制系统数学模型的建立是对潜器全方位推进器调距控制系统
8、分析的基础，数学模型建立的准确与否，很大程度上决定了控制精度。A. 调距控制系统结构及主要元件选择为了使同学们对全方位推进器调距控制系统的建模过程有一个明确的认识和了解，我们在这里首先对调距控制系统的结构和各主要部件进行简要的介绍和演示。a) 全方位推进器调距控制系统结构要对一个系统进行建模，必须系统的结构组成有一个充分的认识和了解，下面我们来学习一下全方位推进器调距控制系统结构组成。潜器全方位推进器是通过调整螺旋桨螺距角，来产生不同方向的力（矩），从而使潜器全方位推进器按预期的方向运动。我们采用的全方位推进器的调距方法是电液伺服系统控制，螺距角的调整是通过液压缸驱动旋转运动斜盘的运动带动联接
9、到斜盘上的机械传动装置驱动实现的。所以对潜器全方位推进器的控制是通过对斜盘的控制实现的。运动斜盘的转动用三个液压油缸的位移运动完成，将三个液压油缸位移运动的组合转换成运动斜盘空间三个自由度的运动（两个旋转角，一个位移），而每个液压油缸的位移运动是由一个闭环电液伺服系统来控制和驱动的。螺旋桨主轴的旋转运动是由一套电力推进系统来控制和驱动的。潜器全方位推进器控制系统示意图如图 6所示，调距控制系统结构原理如图 7 所示。6为满足运动斜盘空间位置和运动姿态的要求，就要把三个独立的电液伺服系统有机地协调起来，使其按照设计的要求，实现三个液压缸伸缩程度和伸缩速度的不同组合，决定斜盘在 3 维空间的不同位
10、置和运动姿态。图 6 全方位推进器控制系统示意图 运 算 分 解 位 移 传 感 器 控制器 功放装置 液压油缸 运 动 斜 盘 机械传动装置 液 压 伺 服 系 统 2 液 压 伺 服 系 统 3 全 方 位 推 进 器 液 压 伺 服 系 统 1 螺 距 角 控 制 指 令 图 7 潜器全方位推进器调距控制系统原理图本课件中进行实物动画演示的全方位推进器调距控制系统原理图如图 8 所示。7图 8 液压伺服系统原理图全方位推进器调距控制系统的三个液压伺服系统结构完全相同，为了研究方便我们以一个液压伺服系统通道为例进行研究设计。单通道液压伺服系统原理图如图 9 所示。 液压缸 D/A 伺 服
11、放 大 器 伺服阀 位 移 传 感 器 图 9 单通道液压伺服系统原理图在了解了全方位推进器调距控制系统原理结构以及液压伺服系统原理结构之后，我们需要知道调距控制系统各主要部件的特性及选择依据。b) 电液伺服阀的选择在潜器全方位推进器调距控制系统中电液伺服阀是一个重要的组成元件，电液伺服阀必须满足负载压降和负载流量的要求，可根据电液伺服阀的压降和输出流量进行选择，取电液伺服阀的供油压力 。MPaps3.6负载压力为：839201.65.7LFPMPaA因此，电液伺服阀的压降为：.4.9VSL设液压缸最大行程为 s=0.15m，全行程所用时间为 2s，则最大速度为：max0.15.83/.92v
12、mst液压缸需流油量为：36071.2/inDmaxQVAL取阀的负载流量：1.51.8.0/miVLDQ:由于电液伺服阀的最大输出功率点（恒压油源下的最大效率点）： ，23LSP，流量压力系数 变化不大， ，其中 为伺服阀的额SLP32LsK0)5.(eLQ0e定无载流量。因此一般都将负载压力限制为： 。在本课题中也是如此。选取SP32伺服阀 QDY1C32，其它技术指标如下表所示。其额定流量为 32L/min 额定电流 10mA线圈电阻 10 额定压力 4MPa使用压力 4MPa滞 环 %)(x3分 辨 率 %25.线 性 度 5.7对 称 度 10各项零漂 2频率响应 Hz3)9(c)
13、液压泵、电机以及联轴器的选择根据三自由度旋转斜盘运动分析可知，旋转斜盘沿 轴方向平动时，系统所需要Z的流量最大，此时油源的流量： 3 331.2.7510./8.4/minpiKQVsLT9式中： 液压泵的流量，pQsm/3工作循环周期时间，T系统的泄漏系数， （取 K 为 1.2）K2.1K第 i 个执行元件的瞬时流量，iVs/3所需电机的功率为： 61.7.09QPNKW式中： 为实际使用的流量，Qmin/L实际使用的压力，PMa为总效率，取9.0联轴器的计算转距为： 50172.8WcWZTZTPTKKNmn式中： 驱动功率，WP7.5工作转速， nmin/90r动力机系数，取 1K启动
14、系数，为 11.3，取 1.3Z温度系数，取 1.2T选取器件指标如下表所示。器件选型 主要参数恒压变量泵 63PCY14-1B 排量 63mL/r功 率 7.5KW额定电流 17 A电机 Y160M-6额定转速 970rpm联轴器 MLL4 公称转距 Tn=250N.md) 蓄能器的选择10本调距控制系统所用蓄能器是一个比较关键的组成部分，肩负着系统要求的流量峰值到来之时，对系统进行补油和消除压力脉动的双重作用，前者要求蓄能器在短时间内输出一定的流量，而后者又要求供油压力脉动不过大（一般在 5%）左右。在这里首先将蓄能器的压力脉动范围限定在系统允许的范围内，适当增大蓄能器的有效容积以满足流量
15、的要求，并对蓄能器的响应特性进行了动态效验。系统要求的最大补油量： wV1 61.32.750.20.2560npiQtKL式中： 第 个液压执行器所需液压油的体积，i L系统的泄漏系数，K2.1泵的理论流量，pQmin/L升沉时从最低位置上升到最高位置所用的时间，t s系统的最高工作压力 。油源压力基本恒定，压力波动控制在 10%之内，MPap3.62所以系统的最低工作压力 。在保护胶囊，延长其使用寿命的条件下，蓄751能器的充气压力 。8.4.0由于蓄能器的补油过程和自身的充油过程很快（远远小于 1min），因此可按绝热过程计算。 00.7150.71524.()()wVLp选择囊式蓄能器
16、，它是一种储能装置，它的主要作用是储存能量、吸收脉动和缓和冲击，它具有体积小、重量轻、反应灵敏等优点。蓄能器的型号：NXQ-6.3-L-A 公称容积：6.3L 数量：1 个e) 位移传感器以及供油压力的选取位移传感器的频率响应能力、灵敏度、精度应尽量高并注意消除反馈通道上运动的非线性和柔度的影响。位移传感器的传递函数选为比例环节 。fKWDL-LTM 系列传感器的主要参数如下表所示。11电器行程 550mm 最大允许电压 60V线性精度 0.050.1%（5 级） 建议电流 A1最大容许电流 mA10最大容许电压 60V阻抗温度漂移度 Cp2电压温度漂移度 Cpm5.在本课件中位移传感器的行程
17、为 0.2m，输出电压为 5V，则 。20.fKV在液压系统中，功率相同时，压力越高，油源体积越小，总重量越小，且容易获得较快的响应速度。较低的油源压力可减少液压系统的漏损及能量损失；并且对液压元件的要求较低，造价低，维护较方便；有利于延长元件的寿命，减小噪音；有利于系统的稳定和设计。由于本系统要求具有可移动性，综合以上因素，选择中等压力=6.3MPa。spB. 调距控制系统建模如图 7 所示可以知道全方位推进器调距控制系统的三个通道是完全一样的，在研究时我们以一个通道为例进行具体的研究。a) 液压控制回路工作原理在对调距控制系统进行建模之前，我们先来认识和了解一下液压控制回路的工作原理，液压
18、控制回路是为调距控制系统提供能源和动力的重要机构。潜器全方位推进器调距控制系统电液伺服系统原理图如图 9 所示，液压部分的总能源来自液压泵站上的恒压变量泵，用来驱动支撑调距控制系统的三个液压缸，并通过电液伺服阀控制旋转斜盘的速度和位置，以实现旋转斜盘的运动。液压泵的输出压力油分成三路，分别经电液伺服阀后进入液压缸。为准确控制旋转斜盘的运动速度和位置姿态，在本系统中所有执行器都采用伺服阀节流调速控制。图 10 中液压能源的压力由恒压变量泵调定，蓄能器有应急动力源和消除压力脉动的作用，与恒压变量泵一起为伺服系统提供稳定的供油压力，为高性能的液压控制系统提供了有效的保证。液压泵的入口过滤器和出口单向
19、阀起到防止污物进入液压泵和防止系统的压力回冲的作用，对液压泵进行保护，延长恒压变量泵的使用寿命。进油路和回油路经过滤器为液压伺服系统提供了清洁的油液。12图 10 潜器全方位推进器调距控制系统电液伺服系统原理图电液伺服阀的流量受控制电流的影响，能很容易地实现同步，即可同时升降或分别按特定的曲线运动。只要发生预想的控制电流波形，并用它来控制伺服阀，旋转斜盘就能输出相应的波形和做出相应的空间位置姿态。液控单向阀是由液压开启，用来隔离局部压力回路，作为在管子破裂时防止负载降落的保护，也可防止负载下爬。限压阀用来防止液压冲击。位移传感器用来对液压缸的实际位置进行检测，检测到的数据用来显示及构成闭环控制
20、。因为潜器全方位推进器调距控制系统的三个通道是完全一样的，所以在研究时，我们以一个通道为例进行具体的建模和仿真。下面我们分别对调距控制系统的各个部件的模型进行研究。b) 液压缸的数学模型液压缸的结构如图 11 所示，A 1、P 1、V 1 分别为液压缸有杆腔的工作面积、油压力和腔内容积；图中 A2、P 2、V 2 分别为液压缸无杆腔的工作面积、油压力和腔内容积； F 为液压缸的载荷； Q1、Q 2 分别为进出油缸的有杆腔和无杆腔的流量。零位时，活塞在油缸的中间位置。所以， ， 。 为液压油的体积弹性模量，一般112取为(0.71.4) 109Pa。本文的控制系统较复杂，本节仅以中间油缸深沉运动
21、时的情况来计算分析系统的参数。13图 11 单出杆液压缸的结构图(1) 液压缸原始参数的计算油缸的工作面积： 、321.760Am32.7510Am活塞的工作行程： 5油腔的容积： 、31.24V32.6V折算负载的质量： 90.8Fkgg(2) 液压缸固有频率的计算向上运动时：2932210(.7510).7518.64/25.664hAE radsHzVm 向 Z 轴正方向与向 Z 轴负方向运动时，液压缸的固有频率相同，都为 。.(3) 阻尼系数的确定 是由动力执行元件所决定的，它容易变化且难以测试，计算的值误差很大，根据类似的大量系统综合分析得出一个经验值，在液压位置伺服系统中 =0.1
22、0.2。(4) 向 Z 轴正方向运动时，从伺服阀的输出流量到液压缸位移之间的传递函数： 23 2157.860411hysAEWQsss以干扰力 F 为输入，液压缸位移 为输出的传递函数 为（不计泄露系数 ）y5WmL14。 22825 221()4.9310.15.6mhVsLCAEsWs sc) 电液伺服阀的数学模型 电液伺服阀是液压伺服系统中的关键环节。伺服阀的实际动态响应既不是典型的惯性环节，也不是典型的振荡环节，其传递函数形式应根据伺服阀所在液压控制系统的频宽值来确定。在实际应用中，经常采用电液伺服阀的简化传递函数，这种近似为工程计算与分析带来了方便，一般遵循以下原则：(1) 当阀的
23、频率比执行部分液压固有频率高约 5-10 倍以上时，电液伺服阀的动态特性可简化为比例环节；(2) 当阀的频宽为执行部分液压固有频率的 3-5 倍时，简化为惯性环节；(3) 当伺服阀的频宽与执行部分液压固有频率相近时，则取伺服阀为振荡环节。在本系统实际应用中，由于电液伺服阀的频宽与执行部分液压固有频率相近，所以取伺服阀传递函数为： 12sTsKIQsWVVQV在上式中，可由伺服阀的频宽来近似确定 ，已知伺服阀的相频宽，则：9035fHz sfTV045.32190一般取 。流量越大，伺服阀的-3dB 时的频宽 越低， 值越大；反0.69V bfV之亦然。由电液伺服阀的参数可知： 5303210.
24、min.10eQKLAmsAI 式中： 额定无载时伺服阀的流量系数，0 s3伺服阀的额定无载流量，e in15伺服阀的额定电流，eI mA5303.071sLQepKmsA式中： 实际负载时伺服阀的流量系数，QK额定无载时伺服阀的流量系数，0 s3伺服阀的额定工作压力，epMPa系统的供油压力， 负载压力，s LpMPa所以伺服阀的传递函数为： 52 5233.0711.891QVs VKsWITsssd) 控制系统传递函数的给出根据图 12 所示的电液伺服系统方框图，我们给出电液伺服系统的传递函数，这里伺服放大器被认为是比例环节。 523.07189s257.860411saK2 5放大器电
25、液伺服阀 液压缸与负载sVW3WsQIfK传感器Us YF+- +-图 12 电液伺服系统方框图根据液压缸传递函数、电液伺服阀传递函数，位移传感器的行程为 0.2m，输出电压为 5V，则 。可得潜器全方位推进器调距控制系统电液伺服系统的开环25fKVm传递函数： 3755432()0.961.0.1681.071KasVfaWsKss式中： 伺服放大器的增益，a mA电液伺服阀的流量系数，QKs316位移传感器的增益，fKmV闭环传递函数为： 755432()()10.178.30.681.010.4396gBK a aWsKssssK系统的特征方程式为： 755432107.assss 根据
26、劳斯判据可知系统稳定的条件为 。086aK4.单通道电液位置伺服系统的控制实现在建立了潜器全方位推进器调距控制系统数学模型的基础上，对调距控制系统实施控制，最终实现运动斜盘的运动，并通过连杆带动全方位推进器桨叶偏转。全方位推进器调距控制系统运动斜盘运动和桨叶偏转实物图片如图 13 所示。图 13 调距控制系统实物图17三、课件设计特点该软件的动画演示是以 solidworks 软件为主体进行开发的，建立了全方位推进器的三维模型，利用曲面建模方法和多截面放样原理，将图纸参数完全对等带入，在solidworks 中，我们可以通过软件提供的动画显示爆炸和解除爆炸的功能，来演示装配体的具体装配过程。利
27、用 VC+编写了 solidworks 二次开发程序的框架，实现与用户通过 solidworks 软件的交互界面调用相同的功能；完成只能通过 API 接口才能访问的功能，通过编程获取我们想要的各种数据，如工作平台各个位置在运动中三维坐标及各种运动参数。该软件的一个特色在于：在原理介绍部分加入了相关项目的设计过程虚拟演示环节，设计过程虚拟演示是将机械结构和设计过程进行软件虚拟化。以动画的形式介绍全方位推进器调距控制系统的构成，以动画的形式显示机械结构、连接、斜盘运动、液压缸移动、螺距角变换等动态操作过程和运动现象。在对控制系统每一步虚拟操作的同时，显现出与之相对应的运动现象，并加入了相关的解释说
28、明，形象生动利于学生的理解。该软件的另一个提色在于：调距控制系统的演示事例是根据实际的科研项目提炼出来的，以全方位推进器原理样机为例，对可调螺距螺旋桨的机械构成以及调距控制系统进行了详细的介绍，使学生能够在实物的基础上更进一步的对调距控制系统的设计和实现方法进行理解和掌握。软件的设计和效果实例如下：1、软件采用框架式设计结构，层次结构分明，内部联系紧密，具有不断升级与完善的能力。18图 14 软件的框架结构特点展示2、从表现手法、界面设计、内容讲解都力争做到内容正确无误、菜单画面简洁、文字叙述精炼。各版面背景做到大方有致，既不喧宾夺主，又起到很好的衬托作用。操作图标简洁明了，能够反映操作意图。
29、图 15 课件简洁的背景特点展示3、课件动画内容选用 solidworks 软件作为制作工具，建立了全方位推进器的三维模型，设计系统主要由零件、装配体和工程图组成，定义零部件如何相对于其它的零部件移动和旋转。通过继续添加配合关系，最后得到一个完整的装配体。 19图 16 用 SolidWorks 实现全方位推进器的动态演示图4、由于上述特点，所以课件既可作为教师上课用的助教型 CAI 课件，制作内容完全体现教学计划和教学大纲，但它不是教材的简易翻版，而是力求从实用的角度出发,重点放在对可调螺距螺旋桨及其调距控制系统的设计和实现、潜器运动过程的虚拟上。图 17 课件虚拟动态演示展示四、成果推广201. 本教学软件的使用利于学生更好地了解可调螺距螺旋桨及其调距控制系统2. 有利于进一步增加互动性操作内容；3. 推广到兄弟院校，更好地发挥作用；4. 为龙江的高校多媒体教材建设做出贡献
