本發(fā)明屬于船舶運動控制，尤其是涉及一種雙齒條液壓缸的被動式液壓系統(tǒng)與控制方法。

背景技術：

1、船舶運動控制一直是船舶操縱性的核心問題之一。由于海浪的干擾，船舶的使用受到了很大的限制，一方面在大浪中船舶會有傾覆的危險，使得在風浪很大的情況下船舶不得不停港，以避免風浪帶來的風險。特別是在深海，經常會有大風浪出現，這使得船舶的使用范圍受到了很大的限制。另一方面，風浪引起的船舶的振動會對船舶的結構造成惡劣影響，如疲勞損傷，嚴重限制了船舶的使用壽命。同時，波浪引起的船舶搖蕩運動會對乘務人員和乘客的生理和心理上造成極大的不適。特別是當船上裝載有精密儀器等對振動敏感的裝置時，船舶對海浪干擾的抑制能力就顯得更為重要了。因此，在海面上航行，船舶的橫搖會影響船舶的適航性、安全性、船上設備的正常工作以及船員的舒適性。為了使得船舶在復雜海況下能夠長期穩(wěn)定作業(yè)，各類船舶均對減搖系統(tǒng)有著迫切需求。

2、目前，基于控制力矩陀螺的減搖系統(tǒng)（陀螺減搖裝置）得到廣泛應用，利用其高速轉子的穩(wěn)定動量矩輸出，用一個小的力矩輸入產生進動，可獲得放大的輸出力矩來抑制船舶橫搖，但該減搖系統(tǒng)仍存在減搖控制裝置復雜，液壓系統(tǒng)冗余，控制策略的海浪適用性差等問題。

3、由于計算機技術的發(fā)展和各種控制理論的成熟，各種主動陀螺減搖裝置被大量研究，并開始在市場上流行。船舶動力生產的陀螺減搖裝置，它通過電動機驅動和齒輪傳動來帶動陀螺轉子進動產生減搖力矩。該系統(tǒng)的技術特點是電機驅動的主動控制，減搖效率高。但是存在的潛在風險是，電機一旦發(fā)生故障，主動控制失效，高速旋轉的陀螺容易加劇船舶的橫搖，甚至存在一定的翻船風險。

4、n.c.townsend等人提出了一種全新的陀螺減搖控制策略。根據其設計的陀螺減搖裝置可以產生比現存的陀螺減搖裝置更大的減搖力矩。與以往的陀螺轉子進動控制策略不同，文中提出讓陀螺轉子以一個恒定的角速度沿著一個方向做連續(xù)的進動，而不是在船舶垂直軸附近振蕩。這樣，陀螺轉子就可以在一個波周期內沿著陀螺框架軸做整周旋轉。但這種控制策略的自適應性差，針對不同海洋環(huán)境，特別是海浪干擾激勵不同，需要實時調整陀螺轉子進動的頻率和相位，操作繁瑣。

5、澳大利亞維姆有限責任公司提出了一種基于進動信息而使海船運動穩(wěn)定的回轉穩(wěn)定器控制系統(tǒng)和方法。所述控制系統(tǒng)采用自動增益控制(agc)進動控制器。該系統(tǒng)利用增益系數操作，所述增益系數逐漸最小化以使所述陀螺儀飛輪盡可能多地擴大進動，也就是進動越大，橫搖穩(wěn)定力矩越大。該連續(xù)增益變化提供對海況及航行條件變化的適應性，并在此基礎上，開發(fā)出了容錯的船舶減搖裝置控制系統(tǒng)。但該控制系統(tǒng)通過兩個液壓缸來帶動高速轉子進動，存在液壓系統(tǒng)冗余難題，增加了液壓裝置的復雜性。

6、吳振亞以旋轉葉片式液壓阻尼器為進動機構研制成功抑制船舶非線性橫搖的液壓阻尼陀螺減搖裝置，在設計過程中通過讓陀螺重心下移避免了陀螺輸出奇異，研究所設計的陀螺減搖裝置對一漁政船的減搖率達到82.03%。然而，旋轉葉片液壓阻尼器的自適應性差，且阻尼進動不可根據海況及航行條件進行調控。

7、2010年陳少楠應用輸入輸出線性化技術和反步控制方法設計了抑制船舶橫搖的非線性增益控制器，并仿真驗證了他設計的這套裝置對實船具有優(yōu)良的減搖能力和橫傾干擾恢復平衡能力。然而該控制策略復雜，工程應用并未見到相關報道。

技術實現思路

1、本發(fā)明要解決的問題是提供一種雙齒條液壓缸的被動式液壓系統(tǒng)與控制方法。

2、為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：一種雙齒條液壓缸的被動式液壓系統(tǒng)，包括雙齒條液壓缸和二位四通比例換向閥，所述雙齒條液壓缸包括兩個平行設置的缸體，所述缸體內安裝有齒條活塞，兩個所述缸體內的齒條活塞運動方向相反，兩個所述缸體之間安裝有傳動軸，所述傳動軸外側設置有齒輪，該傳動軸通過齒輪與兩個齒條活塞的齒條相連，所述傳動軸和陀螺減搖器的進動軸連接；所述陀螺減搖器產生的進動力矩通過齒輪傳遞到缸體內的齒條活塞上，推動液壓油流動，產生壓強；兩個所述缸體內的液壓油分別通過二位四通比例換向閥擠入另一缸體，形成液壓回路；所述液壓回路是一個已經預充的閉合回路，雙齒條液壓缸的作用相當于柱塞泵，為液壓回路提供動力。建立調控所述液壓回路的數學模型，通過調控液壓回路中二位四通比例換向閥的閥口大小，可以調控壓差，對齒輪的轉動提供制動，從而對陀螺減搖器的陀螺轉子的進動產生阻尼力矩，達到減搖效果。

3、可見，所述液壓回路是產生控制陀螺進動的阻尼力矩的關鍵。液壓回路能夠調控陀螺轉子的進動，在陀螺轉子的進動方向增加一個阻尼力矩。

4、進一步地，所述齒條活塞與缸體之間設置有缸套，所述缸體兩端安裝有端壁，所述端壁與缸體之間設置有墊圈，該端壁上安裝有調節(jié)螺釘，所述調節(jié)螺釘上安裝有緊固螺帽；所述缸體內部端口位置設置有擋圈，所述擋圈外側與端壁相接觸，該擋圈與缸體內壁之間安裝有o型密封圈。

5、其中，所述調節(jié)螺釘和緊固螺帽用于缸體內壓力的測試和排氣。所述墊圈和o型密封圈用于缸體的密封。所述擋圈用于控制齒條活塞的行程。所述齒條活塞和齒輪配合用于液壓的流體傳動轉換為傳動軸的運動。所述傳動軸和陀螺減搖器的進動軸連接，進而通過雙齒條液壓缸控制陀螺的進動運動，從而控制船舶的橫搖。

6、進一步地，所述液壓回路上還設置有儲能器，所述儲能器上安裝有壓強傳感器。

7、進一步地，建立調控所述液壓回路的數學模型，包括以下步驟：

8、s1、雙齒條液壓缸的受力為：

9、

10、

11、其中，為雙齒條液壓缸抵抗進動阻力，為雙齒條液壓缸回路促進進動的動力，為雙齒條液壓缸的內徑，為雙齒條液壓缸抵抗進動的壓強，為雙齒條液壓回路的壓強，為定值，由儲能器決定。

12、s2、通過雙齒條液壓缸的運動學可知，所述齒條活塞的線速度為：

13、

14、其中，為齒條活塞的線速度；為缸體內的液壓流量；為齒輪的半徑；為進動角加速度；可見，在工作過程中，雙齒條液壓缸的兩個液壓缸的運動狀態(tài)相同，其產生的速度和液壓阻力也相同。

15、s3、當液壓油通過二位四通比例換向閥時會產生壓差，當二位四通比例換向閥的閥口的壁厚小于口徑的1/2，而且閥口邊緣是無倒角的銳緣時，則閥口處的流體僅與閥口邊緣相接觸，此閥口可認為是薄壁銳緣閥口，所述閥口的流量計算公式為：

16、

17、其中，為閥口前后的壓差；為閥口面積；為液壓油的密度；為流量系數；為閥口處流量。則當液壓油通過二位四通比例換向閥時產生的壓力差為：

18、

19、s4、齒輪轉動時帶動雙齒條液壓缸兩側分別產生的液壓阻尼力矩為：

20、

21、

22、其中，為雙齒條液壓缸抵抗進動阻力的液壓阻尼力矩，為雙齒條液壓缸回路促進進動的液壓阻尼力矩；

23、則總的液壓阻尼力矩為：

24、

25、其中，為總的液壓阻尼力矩；

26、聯(lián)立上述方程可得：

27、

28、因此，只要通過合理的控制二位四通比例換向閥閥口的大小就可以調節(jié)施加在陀螺進動方向的阻尼力矩，進而控制陀螺的減搖力矩，達到減搖效果。

29、本發(fā)明還提供一種雙齒條液壓缸的被動式液壓系統(tǒng)對陀螺減搖器的控制方法，通過模糊自適應pid控制方法對陀螺減搖器進行控制。

30、進一步地，所述模糊自適應pid控制方法包括以下步驟：

31、s100、將陀螺減搖器減搖的橫搖角目標設計值設置為0；將陀螺減搖器進動角遠離限位行程最大角的目標設計值設置為0，將限位行程最大角的絕對值設置為70°。

32、s200、在模糊自適應pid控制器中輸入誤差量、誤差變化速度和陀螺減搖器減搖的橫搖角目標設計值，模糊自適應pid控制器在運行中通過不斷檢測和，再根據模糊規(guī)則進行模糊推理，對pid的響應速度系數、穩(wěn)態(tài)誤差消除系數和動態(tài)特性改善系數進行在線調整，以滿足不同時刻的和的需求，產生第一增益b1；

33、s300、在模糊自適應pid控制器中輸入陀螺減搖器進動角遠離限位行程最大角的目標設計值、響應速度系數、穩(wěn)態(tài)誤差消除系數和動態(tài)特性改善系數，對、和進行自適應pid控制產生第二增益b2；

34、s400、將步驟s300的常規(guī)pid控制和步驟s200的模糊pid控制相結合的方式產生和兩種增益共同作用在二位四通比例換向閥上，控制陀螺減搖器合理進動。

35、所述陀螺減搖器上的傳感器將實時測量的陀螺減搖器的真實橫搖角和陀螺減搖器的實時進動角分別反饋給模糊自適應pid控制器，實現實時調整。

36、其中，所述限位行程是能夠保證陀螺進動不會達到奇異點的行程，因為陀螺進動的奇異點對陀螺減搖效果影響很大。

37、本發(fā)明具體的效果如下：

38、本發(fā)明的雙齒條液壓缸對高速轉子的陀螺進動進行制動，通過被動式液壓系統(tǒng)和基于模糊pid的控制策略，對減搖力矩進行自適應控制，從而達到抑制船舶橫搖的效果。尤其是波浪和環(huán)境激振力引起的船舶橫搖運動得到高效抑制。

39、本發(fā)明以雙齒條液壓缸被動液壓阻尼器為進動機構的陀螺作為研究對象，被動式液壓系統(tǒng)通過二位四通比例換向閥使兩個液壓缸內液壓油產生壓差，從而對陀螺的進動產生阻尼力。對其建立聯(lián)合動力學方程，從而建立陀螺減搖器的被動式液壓系統(tǒng)數學模型。基于模糊pid控制原理，建立陀螺減搖器的自適應控制策略，并通過simulink仿真，驗證基于雙齒條液壓缸的被動船舶減搖裝置的減搖效果。