在线舵角零位纠偏的操舵装置及舵角零位纠偏方法与流程

1.本发明涉及一种控制技术，特别涉及一种在线舵角零位纠偏的操舵装置及舵角零位纠偏方法。


背景技术：

2.操舵装置是船舶进行航向操纵，实现舵角控制的专用装备。
3.现有国产操舵装置进行操舵控制一般采取如下两种技术方案实现：
4.a.采用换向阀控制排油方向，推动推舵机构的液压油缸进行左右往复运动，即舵角开环控制方式；
5.b.采用舵角跟随控制，舵令与反馈舵角信号输入至舵角位置控制器进行逻辑运算，操纵换向阀实现舵向控制或通过泵控放大板操纵比例阀对变量泵进行流量和舵向的控制，即舵角闭环控制方式。
6.上述现有技术方案a目前在小型船舶使用较多，驾驶者直接操纵换向阀动作实现船舶左舵或右舵的简单操作，在舵叶需要转动至固定舵角或正舵时，较难通过控制开关流量的方式精准把握，对舵角控制的精准性完全取决于驾驶者的水平。
7.上述现有技术方案b中一般采用pid位置控制，其原理如下：将舵角指令信号与舵角反馈信号的差值e(t)作为pid位置控制器的输入。控制器输出u(t)与输入e(t)的关系为：
[0008][0009]
其中：k
p
为比例增益；ti为积分时间常数；td为微分时间常数。
[0010]
通过上式可发现，由于舵角反馈装置内电位器/编码器等舵角反馈采集组件在长时间使用后存在使用磨损、齿轮间隙配合不精确、因船体变形导致机械连接偏差等固有现象，容易出现舵角零位基准漂移，采集的舵角反馈信号出现偏差，使e(t)失真，控制精度都会有所损失。尤其是在船舶正舵时，导致正舵舵角偏离，增加了操舵的修正频率，降低操舵效果。


技术实现要素：

[0011]
针对舵角反馈采集组件纠偏问题，提出了一种在线舵角零位纠偏的操舵装置及舵角零位纠偏方法。
[0012]
本发明的技术方案为：一种在线舵角零位纠偏的操舵装置，操舵装置中驱动舵叶转动的推舵机构包括柱塞、液压油缸、舵柄、滑块、销轴、基座；所述舵柄两端的滑块分别通过销轴与一对平行的柱塞连接，液压油缸排油，推动柱塞水平运动，带动舵柄转动，还包括u槽型红外对射感应器和感应片，所述u槽型红外对射感应器固定于推舵机构的柱塞外侧端面，所述感应片固定在基座上，感应片水平面上开有通孔，感应片水平高度位于u型槽红外对射感应器的红外射线感应区内，正舵时，u型槽红外对射感应器的中心线正对舵角零位，u
型槽红外对射感应器的发射器发射红外射线穿过感应片通孔被接收器接收，并瞬间触发脉冲信号送舵角位置控制器。
[0013]
优选的，所述感应片为独立设计的不锈钢片，或为零度位置开通孔的舵角机械刻度尺。
[0014]
优选的，所述感应片除通孔处为不透明材料。
[0015]
一种推舵机构在线舵角零位纠偏方法，在推舵机构的柱塞外侧端面固定安装u槽型红外对射感应器，感应片固定在基座上，感应片水平面上开有通孔，感应片水平高度位于u型槽红外对射感应器的红外射线感应区内，正舵时，u型槽红外对射感应器的中心线正对舵角零位，u型槽红外对射感应器的发射器发射红外射线穿过感应片通孔被接收器接收，并瞬间触发脉冲信号送舵角位置控制器；
[0016]
所述舵角位置控制器接收到u槽型红外对射感应器的脉冲信号时，舵角位置控制器在本次程序扫描周期内对该脉冲信号上升沿瞬时的实时舵角反馈信号的数字值进行锁存，记为锁存值m，在下一次程序扫描周期时，将实时舵角反馈信号经模数转换得到的数字值n1与上述锁存值m进行减法运算，得到数字值n2，即实现一次在线零位纠偏，经在线零位纠偏后，再通过系数转换将数字值n2转换为舵角反馈角度值j2，角度值j2即为纠偏后的反馈舵角值。
[0017]
进一步，在线舵角零位纠偏方法在u槽型红外对射感应器每次触发脉冲信号时进行循环迭代执行；或设定在每次系统开机后作为初始化程序运行一次，即进行开机舵角零位校准；或设定为人为触发运行，以免过多占用系统资源。
[0018]
本发明的有益效果在于：本发明在线舵角零位纠偏的操舵装置及舵角零位纠偏方法，可实现在线舵角零位纠偏，结构简单，设计合理，可应用在常规液压舵机，有效解决角舵角零位漂移问题。
附图说明
[0019]
图1是本发明在线舵角零位纠偏的操舵装置中推舵机构结构示意图；
[0020]
图2是图1中区域的局部放大示意图；
[0021]
图3是图1中区域的局部放大的侧视示意图；
[0022]
图4是舵角位置闭环控制原理示意图；
[0023]
图5是本发明在线舵角零位纠偏程序流程图。
具体实施方式
[0024]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0025]
如图1所示在线舵角零位纠偏的操舵装置中推舵机构结构示意图，推舵机构是操舵装置的执行机构，负责驱动舵叶转动。推舵机构主要包括u槽型红外对射感应器1，感应片2、舵角机械刻度尺3、柱塞4、液压油缸5、舵柄6、滑块7、销轴8、基座9。舵柄6两端的滑块7分别通过销轴8与一对平行的柱塞4连接，液压油缸5排油，推动柱塞4水平运动，带动舵柄6转动。感应片2与舵角机械刻度尺3固定在基座9上，并分别对称安装于推舵机构的一对平行柱
塞两侧。
[0026]
如图1、2所示，所述u槽型红外对射感应器1固定于推舵机构的柱塞4外侧端面，所述感应片2水平面上开有通孔10，感应片2水平高度位于u型槽红外对射感应器1的红外射线感应区内。正舵时，u型槽红外对射感应器1的中心线正对舵角机械刻度尺3的舵角零位刻度线，此时u型槽红外对射感应器1信号通过通孔10导通。也可直接在舵角机械刻度尺上零度位置开通孔，使舵角机械刻度尺本身成为感应片。
[0027]
如图2、3所示，所述u槽型红外对射感应器1包括：
[0028]
发射机
①
，位于u型槽上端，内部含红外led等红外发射元件，能够产生红外射线。接收机
②
，位于u型槽下端，内部含光敏晶体管等红外接收元件。
[0029]
操舵过程中，u槽型红外对射感应器1跟随柱塞4进行往复直线运动，当其经过感应片2水平面上通孔10瞬间，u槽型红外对射感应器1会触发脉冲信号。
[0030]
感应片2除通孔10处应为不透明材料，其通孔大小应保证u型槽红外对射感应器在经过零位舵角位置时，发射器发射红外射线能够精准地穿过感应片2通孔10被接收器接收，并瞬间触发脉冲信号。
[0031]
本实施中u槽型红外对射感应器1重复精度0.01mm，响应频率3khz，检测最小物体尺寸0.8mm
×
1.2mm。在本实施例中，操舵装置的舵速为2.3
°
/s，通过响应频率，可算出在采集瞬间舵角的变化不超过0.0007
°
，具有很高的采集精度。即使在高速操舵条件下(约5
°
/s)，采集该信号导致的舵角变化也不会超过0.0015
°
。
[0032]
感应片2材料为不锈钢。感应片2的通孔10既要能够保证触发脉冲信号的有效性，又要尽量提高零位舵角采集的精确性，本实施例的感应片开孔开孔10直径为1.2mm。
[0033]
如图4所示舵角位置闭环控制原理示意图，舵角位置控制器11采集舵角指令信号和舵角反馈信号，利用pid位置控制原理输出控制信号驱动泵控放大板12控制液压系统中的比例阀13动作，操纵变量泵14向推舵机构的液压油缸5排油，推动柱塞4水平运动，带动舵柄6转动，当舵角指令信号和舵角反馈运信号的差值趋近于零度时，泵控放大板12停止输出，比例阀13停止动作，变量泵14不再向液压油缸5排油，柱塞4停止运动，舵柄6停止转动，从而实现舵角位置的闭环控制。
[0034]
所述舵角位置控制器11，为保证在脉冲信号上升沿捕捉的快速性，实施例使用高速计数模块进行捕捉，采集频率为100khz，能够覆盖u槽型红外对射感应器1的采样频率，也保证了采集舵角零位数据的精准性。
[0035]
如图5所示在线舵角零位纠偏程序流程图，所述舵角位置控制器11接收到u槽型红外对射感应器1的脉冲信号时，舵角位置控制器11在本次程序扫描周期内对该脉冲信号上升沿瞬时的实时舵角反馈信号的数字值进行锁存，记为锁存值m。
[0036]
在此，所述锁存值m为经过舵角位置控制器11模数转换后得到的数字值。
[0037]
本实施例中采用齿轮运动副带动电位器转动来采集舵角反馈信号，舵角反馈信号的模拟量为电压-10v～+10v，对应的模数转换后的数字值为-27648～+27648，对应的舵角角度为-35
°
～+35
°
。
[0038]
在下一次程序扫描周期时，将实时舵角反馈信号经模数转换得到的数字值n1与上述锁存值m进行减法运算，得到数字值n2，即实现一次在线零位纠偏。
[0039]
经在线零位纠偏后，再通过系数转换将数字值n2转换为舵角反馈角度值j2，角度
值j2即为纠偏后的反馈舵角值。
[0040]
在此，设定k为舵角反馈数字值n2与舵角反馈角度值j2之间的转换系数，则有：j2＝n2
×
k，其中n2＝n1-m
[0041]
再次，舵角指令角度值j1与所述纠偏后的反馈舵角值j2的差值e(t)作为pid位置控制器的输入进行舵角位置闭环控制。
[0042]
本发明实现了在线零位舵角纠偏功能，舵角零位基准得到重新校正，使得舵角反馈信号更加精准，舵角位置控制器能够实现更加精准的角度控制。
[0043]
所述在线舵角零位纠偏的程序可在u槽型红外对射感应器每次触发脉冲信号时进行循环迭代执行，也可以设定在每次系统开机后作为初始化程序运行一次，即进行开机舵角零位校准；或设定为人为触发运行，以免过多占用系统资源。
[0044]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种在线舵角零位纠偏的操舵装置，操舵装置中驱动舵叶转动的推舵机构包括柱塞、液压油缸、舵柄、滑块、销轴、基座；所述舵柄两端的滑块分别通过销轴与一对平行的柱塞连接，液压油缸排油，推动柱塞水平运动，带动舵柄转动，其特征在于，还包括u槽型红外对射感应器和感应片，所述u槽型红外对射感应器固定于推舵机构的柱塞外侧端面，所述感应片固定在基座上，感应片水平面上开有通孔，感应片水平高度位于u型槽红外对射感应器的红外射线感应区内，正舵时，u型槽红外对射感应器的中心线正对舵角零位，u型槽红外对射感应器的发射器发射红外射线穿过感应片通孔被接收器接收，并瞬间触发脉冲信号送舵角位置控制器。2.根据权利要求1所述在线舵角零位纠偏的操舵装置，其特征在于，所述感应片为独立设计的不锈钢片，或为零度位置开通孔的舵角机械刻度尺。3.根据权利要求2所述在线舵角零位纠偏的操舵装置，其特征在于，所述感应片除通孔处为不透明材料。4.一种推舵机构在线舵角零位纠偏方法，其特征在于，在推舵机构的柱塞外侧端面固定安装u槽型红外对射感应器，感应片固定在基座上，感应片水平面上开有通孔，感应片水平高度位于u型槽红外对射感应器的红外射线感应区内，正舵时，u型槽红外对射感应器的中心线正对舵角零位，u型槽红外对射感应器的发射器发射红外射线穿过感应片通孔被接收器接收，并瞬间触发脉冲信号送舵角位置控制器；所述舵角位置控制器接收到u槽型红外对射感应器的脉冲信号时，舵角位置控制器在本次程序扫描周期内对该脉冲信号上升沿瞬时的实时舵角反馈信号的数字值进行锁存，记为锁存值m，在下一次程序扫描周期时，将实时舵角反馈信号经模数转换得到的数字值n1与上述锁存值m进行减法运算，得到数字值n2，即实现一次在线零位纠偏，经在线零位纠偏后，再通过系数转换将数字值n2转换为舵角反馈角度值j2，角度值j2即为纠偏后的反馈舵角值。5.根据权利要求4所述推舵机构在线舵角零位纠偏方法，其特征在于，在线舵角零位纠偏方法在u槽型红外对射感应器每次触发脉冲信号时进行循环迭代执行；或设定在每次系统开机后作为初始化程序运行一次，即进行开机舵角零位校准；或设定为人为触发运行，以免过多占用系统资源。

技术总结
本发明涉及一种在线舵角零位纠偏的操舵装置及舵角零位纠偏方法，在推舵机构的柱塞外侧端面固定安装U槽型红外对射感应器，感应片固定在基座上，感应片水平面上开有通孔，感应片水平高度位于U型槽红外对射感应器的红外射线感应区内，正舵时，U型槽红外对射感应器的中心线正对舵角零位，U型槽红外对射感应器的发射器发射红外射线穿过感应片通孔被接收器接收，并瞬间触发脉冲信号送舵角位置控制器，采集此脉冲信号进行对舵角位置控制器进行零位纠偏，有效解决舵角反馈采集组件长期使用后角舵角零位漂移问题。舵角零位漂移问题。舵角零位漂移问题。


技术研发人员：秦伟然 俞志刚 夏海红 方俊磊 朱晓光
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇四研究所
技术研发日：2022.11.12
技术公布日：2023/4/4