一种船舶舵面载荷模拟系统

1.本发明涉及一种船舶舵面载荷模拟系统，属于电液伺服控制及半物理仿真领域。


背景技术：

2.船舶舵面载荷模拟系统是一种用于在实验室条件下，模拟承载系统在实际工作过程中所受动态力/力矩的半实物仿真设备。该系统可应用于模拟船舶舵机所受海水液动力/力矩。使用负载模拟系统可以在实验室环境模拟上述载荷，考核舵机装置的结构材料强度、控制精度、响应速度和系统可靠性等动静态性能指标，对舵机装置的整体性能做出评估，减少产品研发成本与周期，对我国国防、工业生产等领域有重大的现实意义。现有技术中，舵机系统与加载系统通过近似刚性连接，当舵机系统运动时会带动加载系统液压缸活塞杆一起运动，使加载系统液压缸内部产生强迫流量，进而产生多余力严重影响加载精度。另外。由于需要模拟加载的载荷谱是非线性函数，因此要求负载模拟器是高阶无静差系统，但由于多余力的存在难以实现动态加载的精确性。加载系统的控制策略需要对多余力进行补偿，这使得控制策略的设计变得更加困难和复杂，难以应用于不同的对象。
3.为了消除多余力，实现高精度加载，降低控制策略的复杂性，实现负载模拟系统的投产使用，急需一种不受多余力影响的负载模拟系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种船舶舵面载荷模拟系统，以解决上述背景技术中提出的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种船舶舵面载荷模拟系统，其特征在于：包括舵机系统和载荷模拟系统，所述舵机系统包括舵机系统液压缸、舵机系统活塞杆、位移传感器、伺服放大器、控制器、非对称伺服阀、力传感器、连接杆、铰链a、位置信号发生器、船舶舵面、铰链b；所述舵机系统液压缸与地面固联；所述舵机系统活塞杆与舵机系统液压缸为滑动连接；所述舵机系统活塞杆与位移传感器固联；所述位移传感器输出端与伺服放大器输入端连接；所述伺服放大器输出端与控制器输入端连接；所述位置信号发生器输出端与控制器输入端连接；所述控制器输出端与非对称伺服阀输入端连接；所述非对称伺服阀输出端与舵机系统液压缸连接；所述舵机系统液压缸活塞杆与力传感器固联；所述力传感器与连接杆固联；所述连接杆与船舶舵面通过铰链a进行连接；所述船舶舵面与地面通过铰链b连接；所述载荷模拟系统包括工控机、左开关、左变频器、左离心泵、右开关、右变频器、右离心泵；所述工控机输入端与力传感器输出端连接；所述工控机输出端与左开关与右开关连接；所述左开关与左变频器输入端连接；所述左变频器输出端与左离心泵输入端连接；所述右开关与右变频器输入端连接；所述右变频器输出端与右离心泵输入端连接；所述左离心泵左端口接入水管，右端口为出水口；所述右离心泵左端口为出水口，左端口接入水管。
6.进一步的，所述位置信号发生器将位置信号指令传输至舵机系统控制器；所述位移传感器对舵机系统活塞杆的位置信息进行检测，检测信号经过伺服放大器放大输入至控
制器；所述控制器根据位置信号与检测信息对非对称伺服阀进行控制；所述非对称伺服阀驱动舵机系统活塞杆运动；所述舵机系统活塞杆运动会带动与其固联的力传感器、连接杆、铰链a运动；所述舵机系统活塞杆运动会带动船舶舵面摆动；所述船舶舵面为凹陷面，可以增大受力面积减少能量损失；所述力传感器对连接杆与舵机系统活塞杆之间的力进行检测；所述力传感器将检测信号实时反馈给工控机；所述工控机根据加载信号与反馈信号对左变频器与右变频器进行控制；所述左变频器对左离心泵的出水速度进行调控；所述右变频器对与右离心泵的出水压力进行调控。
7.更进一步的，所述舵机系统活塞杆初始位为舵机系统液压缸中位；所述舵机系统活塞杆向右侧运动时，右开关打开左开关闭合；所述左离心泵工作，出水口输出水柱于船舶舵面左侧，对船舶舵面进行水力加载，模拟船舶转向时所受左侧海水液动力；所述舵机系统活塞杆向左侧运动时，左开关打开右开关闭合；所述右离心泵工作，出水口输出水柱于船舶舵面右侧，对船舶舵面进行水力加载，模拟船舶转向时所受右侧海水液动力，可以模拟低频率换向船舶舵面所受的液动力，且加载力不受多余力影响。
8.本发明的工作原理是：控制器根据位置信号发生器给定的位置信号与位移传感器检测的舵机系统活塞杆位置信号的偏差控制非对称伺服阀，进而驱动舵机系统活塞杆运动，舵机系统活塞杆运动带动与其固联的力传感器、连接杆、铰链a运动，进而带动船舶舵面摆动。当舵机系统活塞杆由中位向右运动时，带动船舶舵面向左摆动，此时右开关打开，左开关闭合。工控机将力加载信号传输给左变频器，进而控制左离心泵工作，左离心泵右侧出水口射出水柱至船舶舵面左侧，对船舶舵面进行加载。力传感器对连接杆与舵机系统活塞杆之间的力进行检测，将检测值实时反馈给工控机输入端，工控机根据检测信号对左变频器进行控制，进而对左离心泵的出水压力进行调节。当舵机系统活塞杆由中位向左运动时，带动船舶舵面向右摆动，此时左开关打开，右开关闭合。工控机将力加载信号传输给右变频器，进而控制右离心泵工作，右离心泵左侧出水口射出水柱至船舶舵面右侧，对船舶舵面进行加载。力传感器对连接杆与舵机系统活塞杆之间的力进行检测，将检测值实时反馈给工控机输入端，工控机根据检测信号对右变频器进行控制，进而对右离心泵的出水压力进行调节，模拟低频率换向船舶舵面所受的液动力。
9.本发明的有益效果是：本发明提出的一种船舶舵面载荷模拟系统，舵机系统的主动运动不会对载荷模拟系统的加载力产生干扰，原因是舵机系统和载荷模拟系统二者之间并未刚性连接。当船舶舵面向某个方向摆动时，该方向对应侧的离心泵出水口射出水柱，作用于船舶舵面上，采用水势压力对舵面进行加载，加载力可以精确计算和控制，而不受多余力的影响，从而可以实现高精度加载，控制策略无需考虑多余力的补偿问题，控制策略的复杂性降低。这样就可以实现持续的同向载荷模拟加载，同理，换向后也可以实现另一侧持续的同向载荷模拟加载；除了这两种加载方式之外，还可以实现两侧中低频交变加载，三种加载模式的改变用切换控制配合就可实现。
附图说明
10.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下
所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
11.图1为本发明的结构示意图。
12.图2为船舶舵面的结构示意图。
13.图中：1-舵机系统液压缸，11-舵机系统活塞杆，111-位移传感器，112-伺服放大器，12-控制器，13-非对称伺服阀，14-力传感器，15-连接杆，16-铰链a，2-位置信号发生器，3-船舶舵面，31-铰链b，4-工控机，41-左开关，42-左变频器，43-左离心泵，44-右开关，45-右变频器，46-右离心泵。
具体实施方式
14.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
15.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
16.一种船舶舵面载荷模拟系统，如图所示，包括舵机系统和载荷模拟系统，所述舵机系统包括舵机系统液压缸1、舵机系统活塞杆11、位移传感器111、伺服放大器112、控制器12、非对称伺服阀13、力传感器14、连接杆15、铰链a16、位置信号发生器2、船舶舵面3、铰链b31；所述舵机系统液压缸1与地面固联；所述舵机系统活塞杆11与舵机系统液压缸1为滑动连接；所述舵机系统活塞杆11与位移传感器111固联；所述位移传感器111输出端与伺服放大器112输入端连接；所述伺服放大器112输出端与控制器12输入端连接；所述位置信号发生器2输出端与控制器12输入端连接；所述控制器12输出端与非对称伺服阀13输入端连接；所述非对称伺服阀13输出端与舵机系统液压缸1连接；所述舵机系统液压缸活塞杆11与力传感器14固联；所述力传感器14与连接杆15固联；所述连接杆15与船舶舵面3通过铰链a16进行连接；所述船舶舵面3与地面通过铰链b31连接；所述载荷模拟系统包括工控机4、左开关41、左变频器42、左离心泵43、右开关44、右变频器45、右离心泵46；所述工控机4输入端与力传感器14输出端连接；所述工控机4输出端与左开关41与右开关44连接；所述左开关41与左变频器42输入端连接；所述左变频器42输出端与左离心泵43输入端连接；所述右开关44与右变频器45输入端连接；所述右变频器45输出端与右离心泵46输入端连接；所述左离心泵43左端口接入水管，右端口为出水口；所述右离心泵46左端口为出水口，左端口接入水管。
17.进一步的，所述位置信号发生器2将位置信号指令传输至舵机系统控制器12；所述位移传感器111对舵机系统活塞杆11的位置信息进行检测，检测信号经过伺服放大器112放大输入至控制器12；所述控制器12根据位置信号与检测信息对非对称伺服阀13进行控制；所述非对称伺服阀13驱动舵机系统活塞杆11运动；所述舵机系统活塞杆11运动会带动与其固联的力传感器14、连接杆15、铰链a16运动；所述舵机系统活塞杆11运动会带动船舶舵面3摆动；所述船舶舵面3为凹陷面，可以增大受力面积减少能量损失；所述力传感器14对连接杆15与舵机系统活塞杆11之间的力进行检测；所述力传感器14将检测信号实时反馈给工控机4；所述工控机4根据加载信号与反馈信号对左变频器42与右变频器45进行控制；所述左
变频器42对左离心泵43的出水速度进行调控；所述右变频器45对与右离心泵46的出水压力进行调控。
18.更进一步的，所述舵机系统活塞杆11初始位为舵机系统液压缸1中位；所述舵机系统活塞杆11向右侧运动时，右开关44打开左开关41闭合；所述左离心泵43工作，出水口输出水柱于船舶舵面3左侧，对船舶舵面3进行水力加载，模拟船舶转向时所受左侧海水液动力；所述舵机系统活塞杆11向左侧运动时，左开关41打开右开关44闭合；所述右离心泵46工作，出水口输出水柱于船舶舵面3右侧，对船舶舵面3进行水力加载，模拟船舶转向时所受右侧海水液动力，可以模拟低频率换向船舶舵面3所受的液动力，且加载力不受多余力影响。
19.本发明的工作原理是：控制器12根据位置信号发生器2给定的位置信号与位移传感器111检测的舵机系统活塞杆11位置信号的偏差控制非对称伺服阀13，进而驱动舵机系统活塞杆11运动，舵机系统活塞杆11运动带动与其固联的力传感器14、连接杆15、铰链a16运动，进而带动船舶舵面3摆动。舵机系统活塞杆11由中位向右运动，带动船舶舵面3向左摆动，此时右开关44打开，左开关41闭合。工控机4将力加载信号传输给左变频器42，进而控制左离心泵43工作，左离心泵43右侧出水口射出水柱至船舶舵面3左侧，对船舶舵面3进行加载。力传感器14对连接杆15与舵机系统活塞杆11之间的力进行检测，将检测值实时反馈给工控机4输入端，工控机4根据检测信号对左变频器42进行控制，进而对左离心泵43的出水压力进行调节。舵机系统活塞杆11由中位向左运动，带动船舶舵面3向右摆动，此时左开关41打开，右开关44闭合。工控机4将力加载信号传输给右变频器45，进而控制右离心泵46工作，右离心泵46左侧出水口射出水柱至船舶舵面3右侧，对船舶舵面3进行加载。力传感器14对连接杆15与舵机系统活塞杆11之间的力进行检测，将检测值实时反馈给工控机4输入端，工控机4根据检测信号对右变频器45进行控制，进而对右离心泵46的出水压力进行调节，模拟低频率换向船舶舵面3所受的液动力。
20.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种船舶舵面载荷模拟系统，其特征在于：包括舵机系统和载荷模拟系统，所述舵机系统包括舵机系统液压缸(1)、舵机系统活塞杆(11)、位移传感器(111)、伺服放大器(112)、控制器(12)、非对称伺服阀(13)、力传感器(14)、连接杆(15)、铰链a(16)、位置信号发生器(2)、船舶舵面(3)、铰链b(31)；所述舵机系统液压缸(1)与地面固联；所述舵机系统活塞杆(11)与舵机系统液压缸(1)为滑动连接；所述舵机系统活塞杆(11)与位移传感器(111)固联；所述位移传感器(111)输出端与伺服放大器(112)输入端连接；所述伺服放大器(112)输出端与控制器(12)输入端连接；所述位置信号发生器(2)输出端与控制器(12)输入端连接；所述控制器(12)输出端与非对称伺服阀(13)输入端连接；所述非对称伺服阀(13)输出端与舵机系统液压缸(1)连接；所述舵机系统液压缸活塞杆(11)与力传感器(14)固联；所述力传感器(14)与连接杆(15)固联；所述连接杆(15)与船舶舵面(3)通过铰链a(16)进行连接；所述船舶舵面(3)与地面通过铰链b(31)连接；所述载荷模拟系统包括工控机(4)、左开关(41)、左变频器(42)、左离心泵(43)、右开关(44)、右变频器(45)、右离心泵(46)；所述工控机(4)输入端与力传感器(14)输出端连接；所述工控机(4)输出端与左开关(41)与右开关(44)连接；所述左开关(41)与左变频器(42)输入端连接；所述左变频器(42)输出端与左离心泵(43)输入端连接；所述右开关(44)与右变频器(45)输入端连接；所述右变频器(45)输出端与右离心泵(46)输入端连接；所述左离心泵(43)左端口接入水管，右端口为出水口；所述右离心泵(46)左端口为出水口，左端口接入水管。2.根据权利要求1所述的一种船舶舵面载荷模拟系统，其特征在于：所述位置信号发生器(2)将位置信号指令传输至舵机系统控制器(12)；所述位移传感器(111)对舵机系统活塞杆(11)的位置信息进行检测，检测信号经过伺服放大器(112)放大输入至控制器(12)；所述控制器(12)根据位置信号与检测信息对非对称伺服阀(13)进行控制；所述非对称伺服阀(13)驱动舵机系统活塞杆(11)运动；所述舵机系统活塞杆(11)运动会带动与其固联的力传感器(14)、连接杆(15)、铰链a(16)运动；所述舵机系统活塞杆(11)运动会带动船舶舵面(3)摆动；所述船舶舵面(3)为凹陷面，可以增大受力面积减少能量损失；所述力传感器(14)对连接杆(15)与舵机系统活塞杆(11)之间的力进行检测；所述力传感器(14)将检测信号实时反馈给工控机(4)；所述工控机(4)根据加载信号与反馈信号对左变频器(42)与右变频器(45)进行控制；所述左变频器(42)对左离心泵(43)的出水速度进行调控；所述右变频器(45)对与右离心泵(46)的出水压力进行调控。3.根据权利要求1所述的一种船舶舵面载荷模拟系统，其特征在于：所述舵机系统活塞杆(11)初始位为舵机系统液压缸(1)中位；所述舵机系统活塞杆(11)向右侧运动时，右开关(44)打开左开关(41)闭合；所述左离心泵(43)工作，出水口输出水柱于船舶舵面(3)左侧，对船舶舵面(3)进行水力加载，模拟船舶转向时所受左侧海水液动力；所述舵机系统活塞杆(11)向左侧运动时，左开关(41)打开右开关(44)闭合；所述右离心泵(46)工作，出水口输出水柱于船舶舵面(3)右侧，对船舶舵面(3)进行水力加载，模拟船舶转向时所受右侧海水液动力，可以模拟低频率换向船舶舵面(3)所受的液动力，且加载力不受多余力影响。

技术总结
本发明公开了一种船舶舵面载荷模拟系统，属于电液伺服控制及半物理仿真领域。包括舵机系统、载荷模拟系统。解决了现在电液负载模拟器加载过程中舵机系统主动运动严重影响负载模拟器加载性能的问题即多余力问题。本发明采用水力加载，用于模拟船舶舵面所受的海水液动力，加载力不受多余力影响，控制策略无需考虑多余力补偿的问题，使控制策略的复杂性降低，简单可靠。本发明解决了电液负载模拟器中存在的多余力导致加载精度低的问题，结构科学、合理。理。理。


技术研发人员：李建英 李伟东 杜晓岩 孔令兵
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/13