一种具备矢量平移功能的矢量泵动力系统的控制方法

摘要

本发明公开了一种具备矢量平移功能的矢量泵动力系统的控制方法。该矢量动力控制系统硬件基于液压原理实现，使用LVDT液压油缸和液压比例伺服阀实现喷泵翻斗和舵向的位移驱动，基于高精度位移闭环控制方法实现矢量泵动力系统中的舵向行程和正倒车行程的线性控制，配合发动机转速调节，在实现前进、倒车、左转、右转等基本运动形式外，还可通过对以上控制量的矢量组合控制，依靠基于喷泵翻斗水流矢量反射原理的矢量驱动控制策略达到矢量控制效果，实现原地回转和矢量平移等复杂机动动作。

权利要求

1.一种具备矢量平移功能的矢量泵动力系统的控制方法，其特征在于：

所述的矢量泵动力系统包括双联油箱、LVDT油缸、电磁换向阀组、油泵和比例液压阀，船舶上的左右发动机各驱动一台油泵，双联油箱与两台油泵同时连接，选择处于正常工作状态的油泵来驱动整套液压系统；

LVDT油缸、比例液压阀和电磁换向阀共有四组，分别对应左喷泵舵向、右喷泵舵向、左喷泵正倒车和右喷泵正倒车，以位移传感器作为反馈，依靠逻辑控制器对四路LVDT油缸位移进行独立闭环控制，再配合发动机转速调节，从而组合实现矢量驱动效果；

矢量泵动力系统的控制方法具体是：

通过组合矢量泵动力系统的六个控制量，利用喷泵翻斗的流体外形对喷泵输出的矢量水流进行比例反射，最终获得所需要的驱动力，实现所述矢量驱动效果；所述的六个控制量分别为左发动机转速控制量s1、右发动机转速控制量s2、左喷泵舵向油缸位移控制量d1、右喷泵舵向油缸位移控制量d2、左喷泵翻斗油缸位移控制量b1和右喷泵翻斗油缸位移控制量b2；

控制模式分为港口模式和常规模式，两种模式下的控制策略具体如下：

I)常规模式下只响应十字摇杆前后移动量x和舵向控制量z，此时控制量组合V[s1 s2 d1 d2 b1 b2]和输入M(x，0，z)的对应关系如下：s1＝s2＝|x|

d1＝d2＝z

其中Bmin1，Bmid1，Bmax1分别表示左喷泵翻斗位置的油缸位移下限值、中位量和上限值；Bmin2，Bmid2，Bmax2分别表示右喷泵翻斗位置的油缸位移下限值、中位量和上限值；

Bmin对应正车位置，Bmax对应倒车位置，Bmid对应空车位置；

II)港口模式下同时响应十字摇杆前后移动量x，左右移动量y以及方向盘的舵向控制量z；同时发动机转速被缩放到50％，此时控制量组合V[s1 s2 d1 d2 b1 b2]和输入M(x，y，z)的对应关系如下：[d1 d2]＝[z+0.6*y z+0.6*y]

[b1 b2]＝[x‑0.65*y x+0.65*y]。

2.根据权利要求1所述的一种具备矢量平移功能的矢量泵动力系统的控制方法，其特征在于：对于喷泵翻斗油缸位移控制量[b1 b2]，由于其空车位置Bmid不是翻斗行程绝对中位，因此设计以下[b1 b2]到[B1 B2]的分段映射关系为：其中B1为左喷泵翻斗位移实际执行量，B2为右喷泵翻斗位移实际执行量，B为翻斗位置位移实际执行量，量程范围为0‑100％。

3.根据权利要求1所述的一种具备矢量平移功能的矢量泵动力系统的控制方法，其特征在于：每路油缸位移闭环控制是基于模糊PID控制。

4.根据权利要求3所述的一种具备矢量平移功能的矢量泵动力系统的控制方法，其特征在于：取消模糊PID控制中的积分环节，以减少需要整定的参数个数，降低参数整定过程复杂度。

5.根据权利要求3所述的一种具备矢量平移功能的矢量泵动力系统的控制方法，其特征在于：采用设置执行器死区的方式完成理论控制量Tv与实际有效执行量Ev的区间映射，跳过执行器响应死区。

6.根据权利要求3所述的一种具备矢量平移功能的矢量泵动力系统的控制方法，其特征在于：设置最小闭环控制量 保证LVDT油缸运动时最小速度不低于Vmin，并设置刹车距离，在LVDT油缸行程到达目标位置附近时，通过刹车滑行的方式减速到目标位置。

说明书

一种具备矢量平移功能的矢量泵动力系统的控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种具备矢量平移功能的矢量泵动力系统的控制方法。

背景技术

[0002] 船舶动力系统是船只航行时改变航向和航速的主要手段，船舶动力系统执行器从形式上可分为螺旋桨和喷泵，螺旋桨利用旋转推水反作用力前进，喷泵是利用喷出水流的反作用力进行航行的船舶推进技术，后者和前者相比，近年来由于效率高、安全性好，操纵性能好等优点得到了广泛的应用。矢量喷口是指喷口可以向不同方向偏转以产生不同方向的推力的一种推进器，在船舶和战斗机上都有应用，可以使船体获得极高的操纵性和机动性。

[0003] 船舶为了进出港安全和便捷，中型和大型船舶都会配备侧推器实现左右平移，但是对于小型船只，受到排水量和内部可用空间的限制，无法安装侧推器，因此小型船舶为实现横移、斜移等动作，一般至少配备两台矢量喷泵，通过矢量控制算法协调两台喷泵的矢量水流方向，再配合翻斗让水流反射最终实现船体的矢量平移过程，目前虽然很多船只配备了两台矢量喷泵，具备矢量平移的硬件条件，但是操控输入主要为机械传动，矢量控制过程也主要依靠驾驶员个人经验完成，矢量效果也是因人而异，操作繁琐且存在不稳定性。

[0004] 综上所述，需要一种集成矢量驱动控制算法的高性能矢量泵动力控制系统，能够响应十字摇杆输入(角度和幅度)，自动匹配协同控制两台喷泵舵向、翻斗位置和两台发动机的转速，从而实现矢量平移效果，实现更低的操控门槛。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明主要目的在于提供一种具备矢量平移功能的矢量泵动力控制系统及控制方法。

[0006] 一种具备矢量平移功能的矢量泵动力系统的控制方法，所述的矢量泵动力系统包括双联油箱、LVDT油缸、电磁换向阀组、油泵和比例液压阀，船舶上的左右发动机各驱动一台油泵，双联油箱与两台油泵同时连接，选择处于正常工作状态的油泵来驱动整套液压系统。

[0007] LVDT油缸、比例液压阀和电磁换向阀共有四组，分别对应左喷泵舵向、右喷泵舵向、左喷泵正倒车和右喷泵正倒车，以位移传感器作为反馈，依靠逻辑控制器对四路LVDT油缸位移进行独立闭环控制，再配合发动机转速调节，从而组合实现矢量驱动效果。

[0008] 矢量泵动力系统的控制方法具体是：

[0009] 通过组合矢量泵动力系统的六个控制量，利用喷泵翻斗的流体外形对喷泵输出的矢量水流进行比例反射，最终获得所需要的驱动力，实现所述矢量驱动效果；所述的六个控制量分别为左发动机转速控制量s1、右发动机转速控制量s2、左喷泵舵向油缸位移控制量d1、右喷泵舵向油缸位移控制量d2、左喷泵翻斗油缸位移控制量b1和右喷泵翻斗油缸位移控制量b2；

[0010] 控制模式分为港口模式和常规模式，两种模式下的控制策略具体如下：

[0011] I)常规模式下只响应十字摇杆前后移动量x和舵向控制量z，此时控制量组合V[s1 s2 d1 d2 b1 b2]和输入M(x,0,z)的对应关系如下：

[0012] s1＝s2＝|x|

[0013] d1＝d2＝z

[0014]

[0015] 其中Bmin1,Bmid1,Bmax1分别表示左喷泵翻斗位置的油缸位移下限值、中位量和上限值；Bmin2,Bmid2,Bmax2分别表示右喷泵翻斗位置的油缸位移下下限值、中位量和上限值；Bmin对应正车位置，Bmax对应倒车位置，Bmid对应空车位置。

[0016] II)港口模式下同时响应十字摇杆前后移动量x，左右移动量y以及方向盘的舵向控制量z；同时发动机转速被缩放到50％，此时控制量组合V[s1 s2 d1 d2 b1 b2]和输入M(x,y,z)的对应关系如下：

[0017]

[0018] [d1 d2]＝[z+0.6*y z+0.6*y]

[0019]

[0020] 本发明的有益效果：

[0021] 1.矢量动力控制系统基于液压原理设计，以LVDT油缸作为执行器，与电机驱动方案相比抗干扰能力更强、寿命更长、可靠性更高；

[0022] 2.油缸位移闭环控制策略基于模糊PID控制策略进行多方面的改进，在保证控制精度的前提下，提高了响应速度，并且减少了调整次数，提高了执行器稳定性；

[0023] 3.矢量驱动控制策略利用双矢量泵和水流反射原理便可实现矢量机动动作，解决了小型艇由于空间限制无法安装侧推实现左右平移的问题，矢量控制策略集成在控制器内，可通过操控手柄或者外部通信接口一键操控矢量泵动力系统，实现了矢量泵动力控制系统的全自动化。

附图说明

[0024] 图1是矢量泵动力控制系统液压联结图；

[0025] 图2是矢量泵动力控制系统闭环控制结构图；

[0026] 图3是船体矢量控制平移效果图；

[0027] 图4是矢量泵控制系统十字摇杆二维输入策略分区图。

具体实施方式

[0028] 本发明所涉及的一种具备矢量平移功能的矢量泵动力控制系统及控制方法，该矢量动力控制系统硬件基于液压原理实现，使用LVDT液压油缸和液压比例伺服阀实现喷泵翻斗和舵向的位移驱动，基于高精度位移闭环控制方法实现矢量泵动力系统中的舵向行程和正倒车行程的线性控制，配合发动机转速调节，在实现前进、倒车、左转、右转等基本运动形式外，还可通过对以上控制量的矢量组合控制，依靠基于喷泵翻斗水流矢量反射原理的矢量驱动控制策略达到矢量控制效果，实现原地回转和矢量平移等复杂机动动作。

[0029] 本发明提供了一种基于液压系统实现的矢量动力控制系统硬件方案，方案如下：

[0030] 该矢量动力控制系统由双联油箱、LVDT油缸、电磁换向阀组、油泵以及油管组成，左右发动机各驱动一台油泵A和B，双联油箱与两台油泵A和B同时连接，以A‑or‑B(或关系)的形式选择处于正常工作状态的油泵来驱动整套液压系统，既能满足单机航行，也能满足双机同时运行；LVDT油缸和电磁换向阀分为四组，分别对应左喷泵舵向、右喷泵舵向、左喷泵正倒车和右喷泵正倒车，以位移传感器作为反馈依靠逻辑控制器对四路油缸位移进行独立闭环控制，再配合发动机转速调节，从而组合实现矢量驱动效果。

[0031] 本发明提供了一种基于模糊PID控制策略进行改进的油缸位移闭环控制方法，改进如下：

[0032] 改进1：由于动力系统对操控实时性要求较高，控制框架中积分环节KI虽然可以消除静态误差，但是需要一定时间的累计修正调节，对于需要频繁响应实时动作的执行器来说积分环节KI瞬时响应意义不大，可以取消，以减少需要整定的参数个数，降低参数整定过程复杂度。

[0033] 改进2：油缸作为执行器需要配合换向阀和比例放大控制器驱动，实际使用过程中，由于摩擦阻力、执行器响应死区等影响，导致硬件无法响应较小的算法输出控制量，因此采用设置执行器死区的方式完成理论控制量Tv与实际有效执行量Ev的区间映射，跳过执行器响应死区，即(0，Tvmax)‑>(Evmin，Evmax)。

[0034] 改进3：在小误差状态下，闭环控制量会比较小，而且误差越小控制量越小，油缸执行器响应会更加缓慢，因此设置最小闭环控制量 保证油缸运动时最小速度不低于Vmin，并设置刹车距离S，在油缸行程到达目标位置附近时通过刹车滑行的方式减速到目标位置，通过上述改进以提高油缸控制过程中小误差时的响应速度。

[0035] 本发明提供了一种基于喷泵翻斗水流矢量反射原理的矢量驱动控制策略，包含以下内容：

[0036] 矢量泵动力系统包含3个操作输入量，M(x,y,z)：

[0037] 十字摇杆前后移动量x，量程为‑100～100％；

[0038] 十字摇杆左右移动量y，量程为‑100～100％；

[0039] 方向盘舵向输入量z，量程为0～100％；

[0040] 矢量泵动力系统包含6个目标控制量(后面称为控制量组合V[s1s2d1d2b1b2])，控制量量程均为0～100％：

[0041] 左发动机转速控制量s1；

[0042] 右发动机转速控制量s2；

[0043] 左喷泵舵向油缸位移控制量d1；

[0044] 右喷泵舵向油缸位移控制量d2；

[0045] 左喷泵翻斗油缸位移控制量b1；

[0046] 右喷泵翻斗油缸位移控制量b2。

[0047] 通过组合上述六个控制量能够利用喷泵翻斗的流体外形对两台喷泵输出的矢量水流(流速、方向均可控)进行比例反射，最终获得所需要的驱动力 实现矢量平移，原地旋转等高机动性动作。

[0048] 控制模式根据使用需求分为两种：港口模式和常规模式，其中港口模式用于船只进出港过程中，可通过矢量十字摇杆和方向盘作为操控输入，控制船只实现任意方向平移，港口模式下为了保证安全，发动机油门控制量被缩放到最高50％，常规模式用于船只航行于开阔水域时，不具备矢量平移功能，发动机油门无限制，可实现高速直行，高速倒车以及转弯等动作。

[0049] I)常规模式

[0050] 常规模式下只响应十字摇杆前后移动量x和舵向控制量z，此时控制量组合V和输入(x,0,z)的对应关系如下:

[0051] s1＝s2＝|x|

[0052] d1＝d2＝z

[0053]

[0054] 其中Bmin1,Bmid1,Bmax1,Bmin2,Bmid2,Bmax2是指左右喷泵翻斗位置的位移极限值和中位值，其中1和2代表左右，Bmin代表正车位置，Bmax代表倒车位置，Bmid代表空车位置，空车状态翻斗部分翻下反射水流抵消前进力，从而使合力为0，由于水流反射效率较低，空车位置一般不会是翻斗行程绝对中位，对于常规矢量喷泵经过仿真可得到：Bmid≈0.68*Bmax+0.32*Bmin，为了方便运算，Bmin1,Bmid1,Bmax1,Bmin2,Bmid2,Bmax2取值范围归一化为0‑100％，一般Bmin1和Bmin2取值0％，Bmax1和Bmax2取值100％，Bmid1和Bmid2取值68％；

[0055] II)港口模式

[0056] 港口模式下同时响应十字摇杆前后移动量x，左右移动量y以及方向盘的舵向控制量z，为了保证航行安全，发动机转速被缩放到50％，此时控制量组合V和输入M(x,y,z)的对应关系如下：

[0057]

[0058] [d1 d2]＝[z+0.6*y z+0.6*y]

[0059]

[0060] 以上计算公式响应十字摇杆和方向盘的控制量输入M(x,y,z)并自动解算出实现相应矢量动作所对应的控制量组合V[s1 s2 d1 d2 b1 b2]，对于发动机转速[s1 s2]和喷泵舵向[d1 d2]与实际目标执行值为线性对应关系，而对于喷泵翻斗位置控制量[b1 b2]，由于其空车位置Bmid不是翻斗行程绝对中位，因此设计以下[b1 b2]到[B1 B2]的分段映射关系，即：

[0061]

[0062] 其中B1为左喷泵翻斗位移实际执行量，B2为右喷泵翻斗位移实际执行量，B为翻斗位置位移实际执行量统称，量程范围为0‑100％，b为喷泵翻斗位移控制量b1和b2的统称。

[0063] 实施例：

[0064] 图1为本实施例的矢量泵动力控制系统液压联结图，由双联油箱1，左油泵2，右油泵3，左舵向油缸4，左正倒车油缸5，右正倒车油缸6，右舵向油缸7，左冷却装置8，右冷却装置9，比例阀组10组成，左右发动机各驱动一台油泵，双联油箱与两台油泵同时连接，通过开关阀选择其中一路处于正常工作状态的油泵来驱动整套液压系统，既能满足单机航行，也能满足双机同时运行；LVDT油缸和电磁换向阀分为四组，分别对应左喷泵舵向、右喷泵舵向、左喷泵正倒车和右喷泵正倒车，依靠逻辑控制器对四路油缸位移进行独立闭环控制，再配合发动机转速调节，从而组合调控实现矢量驱动。

[0065] 图2为矢量泵动力控制系统闭环控制结构图，操控输入为方向盘和档位十字摇杆，执行器为左主机、右主机、左正倒车油缸、右正倒车油缸、左舵向油缸和右舵向油缸，其中发动机转速控制为开环控制，舵向和正倒车油缸位移为闭环控制，除此之外，喷泵控制器还对外预留CAN通信接口，可以获取外部通信指令，实现模块化部署和远程无人操控。

[0066] 图3为船体矢量控制平移效果图，其中空心箭头表示喷泵水流方向，实心箭头表示十字摇杆操作方向和船体移动方向，如场景22表示方向盘居中，档位器十字摇杆居中时空车的状态，此时正车效果和倒车效果相抵消，船体原地不动；在不操作方向盘的情况下，矢量泵动力系统会根据档位器十字摇杆的操作方向来控制船体，如场景12，场景21，场景23和场景32；场景11，场景13，场景31和场景33是指在方向盘介入下船体前进或后退时换向的效果；档位器十字摇杆斜向操作时，船体可以沿着操作方向移动，如场景01，场景03，场景41和场景43。

[0067] 图4是矢量泵控制系统十字摇杆二维坐标系输入分区图，其中区域O表示空车区，此时摇杆二维数据X和Y均为0；区域X+，X‑为纵向操作区，在此区域内只响应X数据，船体只能前进和后退；区域Y+，Y‑为纵向操作区，在此区域内只响应Y数据，船体只能左右移动；区域A1，A2，A3和A4为斜向操作区，在此区域内，喷泵控制器同时响应X，Y数据，可以操控船体向任意方向移动。