本发明提供的是一种全回转推进器的液压回转动力学控制系统的仿真方法。根据液压回转系统的结构特点和工作原理，建立了泵控液压马达驱动传动减速机构回转的动力学系统数学模型，提出了全回转推进器目标方位角的控制方法，简化了全回转推进器回转角度和回转方向的控制，提高了全回转推进器的控制效率。本发明构建了可实现任意水平方向旋转的液压回转动力学控制系统的仿真模型，能够准确和有效的模拟液压回转动力学系统的回转运动规律；对船舶动力定位系统和推进器控制技术的研究具有指导意义；最终应用于全回转推进器操纵控制模拟器的研制中，也可应用于船舶动力定位系统模拟器和船舶运动操纵模拟器的设计中，具有较重要的工程应用价值和现实意义。
1.一种全回转推进器的液压回转动力学控制系统的仿真方法，其特征是包括如下步骤：第一步，将系统模型参数，输入到液压回转动力学控制系统的仿真模型，所述系统模型参数包括推进器回转系统的转动惯量、液压马达排量、液压系统泄露系数、回转系统等效粘性摩擦系数、油液体积弹性模量、变量泵的排量梯度、液压泵的额定转速、液压马达初始压力、初始转速以及初始扭矩；
第二步，输入全回转推进器的目标方位角θd，θd∈[0,2π]；
第三步，由角度测量单元模块，实时测量得到t时刻全回转推进器的实际方位角θf，θf∈[0,2π]；
第四步，按照下式计算全回转推进器的目标方位角和实时方位角的偏差值Δθ，Δθ＝θd-θf式中：Δθ——方位角偏差值，Δθ∈[-2π,2π]，负号表示逆时针回转；
第五步，将方位角偏差值输入到目标方位角优化计算模块，按照下式计算全回转推进器的回转角度Δβ，式中：Δβ——回转角度，Δβ∈[-π,π]，正号表示顺时针回转，负号表示逆时针回转；
第六步，将回转角度Δβ输入到斜盘角控制器模块，按照下式输出期望的斜盘角度αd，式中：KP——比例放大系数；KI——积分放大系数；KD——微分放大系数； ——回转角度的变化率；∑Δβ——回转角偏差之和；
第七步，将期望斜盘角度αd输入到变量机构模块，按照下式输出实际斜盘角度α，式中：T0——变量机构传递函数的时间常数；αd——期望斜盘角度；s——拉普拉斯算子；
第八步，将斜盘角度输入到泵排量计算模块，按照下式计算泵的排量，Vp＝αkpnp×2π/60
式中：kp——变量泵的排量梯度，m3/rad2；np——变量泵的额定转速，rpm；
第九步，按照下式计算t时刻液压马达的压力增量：式中：βe——变量泵的排量，m3/s；pt-1——t-1时刻液压系统的压力，Pa；Vt——液压系统的体积容量，m3；Ct——液压系统的泄露系数；γt-1——t-1时刻液压马达的回转角速度，rad/s；
第十步，t-1时刻液压马达的角速度由下式计算，式中：γt-1——t-1时刻液压马达的角速度，rad/s；ωt-1——t-1时刻齿轮回转机构的回转角速度，rad/s；
第十一步，按照下式计算t时刻液压马达的压力，式中：pt——t时刻液压系统的压力，Pa；Δt——仿真系统的计算步长，s；
第十二步，通过液压马达输出扭矩计算模块，按照下式计算t时刻每个液压马达输出的扭矩T1，回转系统共有5个液压马达，每个马达输出扭矩相等，T1＝DMpL
式中：T1——液压马达输出扭矩，N·m；DM——液压马达排量，m3/s；
第十三步，通过马达减速器模块，按照下式输出扭矩，T2＝T1i1
式中：T2——液压马达减速器输出扭矩，N·m；i1——马达减速器的减速比；
第十四步，通过齿轮回转传动减速机构模块，按照下式输出扭矩，T3＝T2i2
式中：T3——齿轮回转传动减速机构的输出扭矩，N·m；i2——齿轮回转传动减速机构的减速比；
第十五步，按照下式计算齿轮回转传动减速机构的回转角加速度式中：——t时刻齿轮回转传动减速机构的回转角加速度，rad/s2；Jp——齿轮回转传动减速机构的转动惯量，kg.m2；BM——齿轮回转传动减速机构等效粘性阻尼系数；ωt-1——t-1时刻齿轮回转传动减速机构的回转角速度，rad/s；n——液压马达的数量，n＝5；
第十六步，按照下式计算t时刻齿轮回转传动减速机构的回转角速度ωt，式中：ωt——t时刻齿轮回转传动减速机构的回转角速度，rad/s；Δt——计算步长，s；
第十七步，按照下式计算t时刻齿轮回转传动减速机构的方位角θ，θ＝∑ωt；
第十八步，由角度测量单元测量出齿轮回转传动减速机构的方位角θf，θf＝θ；
一种全回转推进器的液压回转动力学控制系统的仿真方法
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种全回转推进器动力学仿真方法，具体地说是一种全回转推进器的液压回转动力学控制系统的仿真方法。
背景技术
[0002] 近年来，随着人们探索的脚步逐渐迈向海洋，各种海上作业，如管道铺设、浮托安装、ROV布放和回收、水下平台安装、水下管道维修等都需要船舶有良好的定位性能，动力定位系统开始在海洋工程船上得到了广泛应用，全回转推进器是动力定位船舶上最常见的推进器之一。全回转推进器通过伞齿轮系统传动机构使螺旋桨或导管推进器绕竖直轴作360°转动，可输出水平任意方向推力，使船舶同时获得良好的推进和操纵性能。
[0003] 全回转推进器从功能上可分为两部分：螺旋桨推进系统和回转动力学控制系统。其中，全回转推进器的回转速率为2-3rpm，也就是回转一周所需要的时间至少为30秒，回转动力学控制系统的响应时间较长，而船舶动力定位系统是一种实时运动控制系统，为了得到期望方向的推力，全回转推进器的液压回转动力学系统的数学建模和控制成为船舶动力定位系统研究必须要考虑的和解决的关键技术之一。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种能够准确和有效地模拟液压回转动力学系统的回转运动规律，提高全回转推进器的控制效率的全回转推进器的液压回转动力学控制系统的仿真方法。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] 第一步，输入全回转推进器的目标方位角θd，θd∈[0,2π]；
[0007] 第二步，由角度测量单元模块，实时测量得到全回转推进器的实际方位角θf，θf∈[0,2π]；
[0008] 第三步，按照式Δθ＝θd-θf计算全回转推进器的目标方位角和实际方位角的偏差值，其中Δθ为方位角偏差值，Δθ∈[-2π,2π]，负号表示逆时针回转；
[0009] 第四步，将方位角偏差值输入到目标方位角优化计算模块，按照下式计算全回转推进器的回转角度：
[0010]
[0011] 式中：Δβ为回转角度，Δβ∈[-π,π]，正号表示顺时针回转，负号表示逆时针回转；
[0012] 第五步，将回转角度Δβ输入到斜盘角控制器模块，按照下式输出期望的斜盘角度：
[0013]
[0014] 式中：KP为比例放大系数、KI为积分放大系数、KD为微分放大系数、 为回转角度的变化率、∑Δβ为回转角偏差之和；
[0015] 第六步，将期望斜盘角度αd输入到变量机构模块，按照下式输出实际斜盘角度：
[0016]
[0017] 式中：T0为变量机构传递函数的时间常数、αd为期望斜盘角度、s为拉普拉斯算子；
[0018] 第七步，将斜盘角度输入到液压泵单元模块，输出压力为pL的液压油，[0019] pL＝p1-p2
[0020] 式中：p1为t时刻高压进油压力、p2为t时刻低压回油压力；
[0021] 第八步，将压力为pL的液压油，输入到第一至第五液压马达单元，输出转矩T1：
[0022] T1＝DMpL
[0023] 式中：T1为液压马达输出扭矩，N·m；DM为液压马达排量，m3/s；
[0024] 第九步，每个液压马达都配备一个马达减速器，经过马达减速器模块后，按照下式输出转矩T2：
[0025] T2＝T1i1
[0026] 式中：T2为马达减速器输出扭矩，N·m；i1为马达减速器的减速比；
[0027] 第十步，马达减速器输出转矩T2，经过齿轮回转传动减速机构模块，按照下式输出扭矩，
[0028] T3＝T2i2
[0029] 式中：T3为齿轮回转传动减速机构的输出扭矩，N·m；i2为齿轮回转传动减速机构的减速比；
[0030] 第十一步，按照下式计算齿轮回转机构的回转角加速度：
[0031]
[0032] 式中： 为t时刻回转系统的回转角加速度，rad/s2；Jp为回转系统的转动惯量，kg.m2；BM为回转系统等效粘性阻尼系数；ωt-1为t-1时刻回转系统的回转角速度，rad/s；n为液压马达的数量，n＝5；
[0033] 第十二步，按照下式计算t时刻齿轮回转减速机构的回转速度：
[0034]
[0035] 式中：ωt为t时刻回转系统的回转角速度，rad/s；Δt为计算步长，s；
[0036] 第十三步，按照下式计算t时刻全回转推进器齿轮回转减速机构的方位角：
[0037] θ＝∑ωt；
[0038] 第十四步，由角度测量单元测量出回转机构的方位角θf，进入到第三步，继续执行。
[0039] 本发明深入分析全回转推进器的液压回转动力学控制系统的工作机理，建立了一种泵控液压马达驱动齿轮系统传动机构使导管推进器绕竖直轴作360°转动的动力学统的数学模型，提出了一种全回转推进器目标方位角的优化控制方法，设计了一种回转动力学系统的斜盘角控制器，构建了一种可实现任意水平方向旋转的液压回转动力学控制系统的仿真模型，能够准确和有效的模拟液压回转动力学系统的回转运动规律。本发明最终应用于动力定位操纵模拟器的研制中，简化了全回转推进器回转角度和回转方向的控制，提高了全回转推进器的控制效率，对船舶动力定位系统和推进器控制技术的研究具有重要的工程价值和指导意义。
[0040] 本发明的主要特点体现在：
[0041] 本发明建立了全回转推进器的液压回转动力学系统的数学模型，可真实反映回转液压动力学系统的组成及工作原理。本发明提出了一种全回转推进器目标方位角的控制方法，如式 和式 可将回转角度范围从[-2π,2π]降低为[-π,π]，简化了全回转推进器回转角度和回转方向的控制，提高了全回转推进器的回转控制效率。
[0042] 本发明中的仿真方法对解决全回转推进器的回转液压动力学系统的控制问题，具有较重要的工程价值，对研究船舶动力定位系统中的推力分配问题也具有较重要的指导意义。
附图说明
[0043] 图1是全回转推进器的组成示意图。
[0044] 图2是回转齿轮传动减速机构的组成示意图。
[0045] 图3是回转液压控制系统的组成示意图。
[0046] 图4是液压回转动力学控制系统的原理图。
[0047] 图5是液压回转动力学控制系统的仿真流程图。
[0048] 图6为全回转推进器FS3510液压回转动力学系统的主要技术参数表。
具体实施方式
[0049] 本发提供了一种可应用于海洋工程船动力定位仿真模拟器的全回转推进器的液压回转动力学控制系统的仿真方法。下面以中海油286作业船上所安装的瓦锡兰FS-3510定桨距全回转推进器为研究对象，举例对本发明做详细描述。
[0050] 本发明首先分析了其液压回转动力学系统的组成及工作原理(如图1、图2、图3)，建立了一种泵控液压马达驱动齿轮回转传动减速机构做回转运动的动力学系统的数学模型，如图4。其次构建一种全回转推进器的液压回转动力学控制系统的仿真模型，如图5。最后，本发明实现全回转推进器的液压回转动力学系统的控制仿真功能。
[0051] 结合图1，全回转推进器安装于船尾舱，全回转推进器的结构组成主要包括以下部件：轴组件1、液压回转机构2、回转套管组件3、船舱底板4、导流罩5、桨叶6、推进吊舱7。结合图2，回转齿轮传动减速机构主要由以下部件组成：液压马达8、马达减速器9、回转齿轮传动减速机构10、回转支撑组件11、回转指示箱12、润滑油箱体13。结合图3，回转液压控制系统主要由以下部件组成：液压马达8、马达减速器9、液压泵14、液压油箱15、热交换单元16、控制装置17、过滤单元18、增压泵19、冷却水20。
[0052] 下面结合图5和图6，来说明本发明具体实施步骤：
[0053] 第一步，将系统模型参数(包括推进器回转系统的转动惯量、液压马达排量、液压系统泄露系数、回转系统等效粘性摩擦系数、油液体积弹性模量、变量泵的排量梯度、液压泵的额定转速、液压马达初始压力、初始转速、初始扭矩等)，输入到液压回转动力学控制系统的仿真模型。
[0054] 第二步，输入全回转推进器的目标方位角θd。
[0055] 第三步，由“角度测量单元”模块，实时测量得到t时刻全回转推进器的实际方位角θf。
[0056] 第四步，按照式(1)计算全回转推进器的目标方位角和实时方位角的偏差值Δθ。
[0057] Δθ＝θd-θf (1)
[0058] 式中：Δθ——方位角偏差值，Δθ∈[-2π,2π]，正号表示顺时针回转，负号表示逆时针回转。
[0059] 第五步，将方位角偏差值输入到“目标方位角优化计算”模块，按照式(2)计算全回转推进器的回转角度Δβ。
[0060]
[0061] 式中：Δβ——回转角度，Δβ∈[-π,π]，正号表示顺时针回转，负号表示逆时针回转。
[0062] 第六步，将回转角度Δβ输入到“斜盘角控制器”模块，按照式(3)输出期望的斜盘角度αd。
[0063]
[0064] 式中：KP——比例放大系数；KI——积分放大系数；KD——微分放大系数； ——回转角度的变化率；∑Δβ——回转角偏差之和。
[0065] 第七步，将期望斜盘角度αd输入到“变量机构”模块，按照式(4)输出实际斜盘角度α。
[0066]
[0067] 式中：T0——变量机构传递函数的时间常数；αd——期望斜盘角度；s——拉普拉斯算子。
[0068] 第八步，将斜盘角度输入到“泵排量计算”模块，按照下式计算泵的排量：
[0069] Vp＝αkpnp×2π/60 (12)式中：kp——变量泵的排量梯度，m3/rad2；np——变量泵的额定转速，rpm。
[0070] 第九步，按照下式计算t时刻液压马达的压力增量：
[0071]
[0072] 式中：βe——变量泵的排量，m3/s；pt-1——t-1时刻液压系统的压力，Pa；Vt——液压系统的体积容量，m3；Ct——液压系统的泄露系数；γt-1——t-1时刻液压马达的回转角速度，rad/s。
[0073] 第十步，t-1时刻液压马达的角速度可由下式计算：
[0074]
[0075] 式中：γt-1——t-1时刻液压马达的角速度，rad/s；ωt-1——t-1时刻齿轮回转机构的回转角速度，rad/s。
[0076] 第十一步，按照下式计算t时刻液压马达的压力：
[0077]
[0078] 式中：pt——t时刻液压系统的压力，Pa；Δt——仿真系统的计算步长，s。
[0079] 第十二步，通过“液压马达输出扭矩计算”模块，按照式(6)计算t时刻每个液压马达输出的扭矩T1。回转系统共有5个液压马达，每个马达输出扭矩相等。
[0080] T1＝DMpL (6)
[0081] 式中：T1——液压马达输出扭矩，N·m；DM——液压马达排量，m3/s。
[0082] 第十三步，通过“马达减速器”模块，按照式(7)输出扭矩。
[0083] T2＝T1i1 (7)
[0084] 式中：T2——液压马达减速器输出扭矩，N·m；i1——马达减速器的减速比。
[0085] 第十四步，通过“齿轮回转减速机构”模块，按照式(8)输出扭矩。
[0086] T3＝T2i2 (8)
[0087] 式中：T3——齿轮回转传动减速机构的输出扭矩，N·m；i2——齿轮回转传动减速机构的减速比。
[0088] 第十五步，按照式(9)计算齿轮回转机构的回转角加速度
[0089]
[0090] 式中： ——t时刻回转系统的回转角加速度，rad/s2；Jp——回转系统的转动惯2
量，kg.m ；BM——回转系统等效粘性阻尼系数；ωt-1——t-1时刻回转系统的回转角速度，rad/s；n——液压马达的数量，n＝5。
[0091] 第十六步，按照式(10)计算t时刻齿轮回转机构的回转角速度ωt。
[0092]
[0093] 式中：ωt——t时刻回转系统的回转角速度，rad/s；Δt——计算步长，s。
[0094] 第十七步，按照式(11)计算t时刻齿轮回转机构的方位角θ。
[0095] θ＝∑ωt (11)
[0096] 第十八步，由“角度测量单元”测量出回转机构的方位角θf，按照下式计算回转机构的回转方位角：
[0097] θf＝θ (16)
[0098] 第十九步，进入到第四步，继续执行程序。
[0099] 本发明的全回转推进器的液压回转动力学控制系统的仿真方法，根据全回转推进器的液压回转动力系统的结构特点，建立了一种泵控液压马达驱动齿轮传动减速机构作回转运动的动力学系统数学模型，提出了一种全回转推进器的回转目标方位角的控制方法，构建了一种可实现水平顺时针或逆时针方向旋转的液压回转动力学控制系统的仿真模型，能够准确和有效的模拟全回转推进器的液压回转动力学控制系统的运动规律。
[0100] 根据全回转推进器的回转液压动力学系统的结构组成特点，建立了一种泵控液压马达驱动马达减速器、进而带动齿轮传动减速机构作回转运动的动力学系统的数学模型，可真实反映全回转推进器回转运动的工作原理。
[0101] 提出了一种全回转推进器的回转目标方位角的优化控制方法，如式(2)和式(3)，通过判断目标方位角和真实方位角的偏差值，推导出推进器的回转角度和回转方向，可将回转角度范围从[-2π,2π]降低为[-π,π]，并结合PID控制方法设计回转运动的斜盘角控制器，简化了全回转推进器的回转角度和回转方向的控制，提高了全回转推进器的回转运动系统的控制效率。
[0102] 可实现水平顺时针或逆时针方向旋转的液压回转动力学控制系统的仿真模型，结合全回转推进器回转动力学系统的数学模型和回转目标方位角的优化控制方法，建立了一种全回转推进器回转动力学控制系统的仿真模型，可真实反映全回转推进器作液压回转动力学系统的动态响应过程。
[0103] 本发明中的全回转推进器回转动力学系统的仿真方法最终应用于全回转推进器控制模拟器和船舶动力定位仿真模拟器的研制中，实现了虚拟仿真环境下船舶动力定位和操纵等作业任务。
