ZFL(D)标准型液压柜说明书

第一篇：ZFL(D)标准型液压柜说明书

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SWT-2000水轮机调速系统 ZFL/D型单调节液压装置 技术说明书及用户手册

（V2.0）

国网电力科学研究院

南京南瑞集团公司水利水电技术分公司

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ZFL/D型水轮机调速器单调节液压装置技术使用说明书

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目录

一、概述.............................................................2

二、系统组成........................................................4

三、主要技术参数及性能指标.....................................4

四、工作原理说明...................................................5

五、操作说明......................................................10

六、安装与调整...................................................12

七、典型故障说明.................................................13

八、原理说明附图.................................................14

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一、概述

ZFL系列液压调节柜型号的含义：

ZFL100/XD：单调节型S：双调节型主配压阀直径（mm)L：立式主配布置W：卧式主配布置

ZFL/D型调速器液压控制柜是一种基于全液控自复中式主配压阀为核心的电液控制系统，它是一种具有开创性全新概念的调速器液压装置。其结构简单，操作安全、方便、可靠，与电气控制柜相配套，主要用于大中型混流式水轮机的自动调节与控制，除了常规的伺服阀控制功能外，它还具有容错控制功能。该液压柜设计的主导思想是全面提高调速系统的可靠性和速动性，适应电站无人值班和少人值守的要求。与老式调速器液压柜相比，它有如下特性（外观照片见下页）： 

采用了德国BOSCH比例伺服阀作为电液转换元件。

伺服比例阀的功能是把输入的电气控制信号转换成相应输出的流量控制，该伺服阀的阀芯装备了位置控制传感器反馈，可将反馈信号引入电路形成闭环控制，因此控制精度很高，阀的滞环和不重复性均很小。在电磁铁断电时，阀具有“故障保险”位置，保证失电时阀芯回复到中位。该阀的最大特点是电磁操作力大，为环喷式和双锥式电液伺服阀电磁操作力的5倍以上。它结合了伺服阀和比例阀的优点，既有伺机服阀的高精度高响应性又有比例阀的出力大、耐污染能力及防卡能力强等高可靠性，因此是普通电液伺服阀所无法比拟的。 导叶和容错控制采用了进口高速数字脉冲阀作为开关控制。

该阀平时运行时作为手动控制，当比例伺服阀故障时，则切换到容错控制，由电气柜输出高速脉宽信号进行调节，仍可维持装置自动运行。 采用了全液控自复式主配压阀作为控制核心。

主配压阀的控制信号为流量输入，由电液伺服比例阀直接控制，取消了常

自复中式主配第 2 页

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规的调节杠杆、明管、引导阀、辅助拉力器及机械反馈传动机构，大大简化了系统的结构，提高了系统的可靠性和维护方便性。另外主配压阀自身具有自动回复中位的特点，其自复中机构简单可靠，无需调整机械零位。

 电气控制回路上，引入了与伺服比例阀相配套的BOSCH进口功率放大板，同时引入了伺服比例阀芯反馈和主配压阀芯反馈，自行设计了多级闭环放大电路，充分提高了整个系统的稳定性、精确性、速动性等指标。同时由于伺服比例阀直接控制到主配压阀，所以整个系统频响特性好，响应速度较快。

 所有液压件都设计安装在液压集成块上，液压件之间的联接由集成块内部的油道完成，全部取消明管，从而可大大提高操作油压力。

 完全改变主配压阀的系统结构，取消了调节杠杆、明管、引导阀、机械开限机构、辅助接力器及反馈传动机构，大大简化系统结构，提高了系统的可靠性，实现了无渗漏。

 主配压阀控制信号改为液压流量输入，由电液伺服比例阀直接控制。主配压阀为一级流量放大。

 主配压阀自身具有自动回复中位的特点，其自复机构简单可靠，不存在零点漂移现象，无需调整机械零位。

 真正实现了液压系统的全集成化、高可靠性。

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二、系统组成

本系统的组成包括：电液伺服比例阀V6、主配压阀V1、容错及手动控制阀V4、紧急停机阀V7、切换油路用阀V2及V5、手动调节速度用的单向节流叠加阀V3及节流阀V9、双切换滤油器及其上的测量滤芯内外压力的压力表和差压发讯器、控制油总阀V8等。（参见第八章附图2）。

主配压阀组成包括：阀体、阀套、阀芯、上下两端复位弹簧及定位件、阀芯位移传感器及拒动发讯器、开关机时间调节螺母等。主配压阀套为三段式结构，有利于加工及保证轴向搭叠量。（参见第八章附图1）。

三、主要技术参数及性能指标

3-1． 主要技术参数

1.额定工作压力：

2.5MPa~10Mpa 2.主配压阀直径：

80mm~250mm 3.主配压阀最大行程：

±15mm 4.控制腔活塞直径：

65mm 5.控制阀组公称通径：

DN6 6.滤油器过流（单个）：

190L/min 7.滤

芯

精

度：

10~25um 8.电磁铁工作电压：

24VDC或220VDC 9.滤芯最大耐压差：

0.5Mpa 10.差压发讯器发讯压差：

0.25 Mpa 3-2． 主要性能指标

1、主接力器的全关和全开时间在2～50秒范围内可调（根据机组参数）。

2、手动工况下，油压在3～7MPa范围内变动时,主接力器位移不大于全行程的0.3%。

3、手动工况下，主接力器的时间漂移为：10分钟内位移不大于全行程的0.3%。

4、与电柜配合时，静特性指标满足：

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（1）转速死区：ix≤0.02%(bp=6%)（2）非线性:q≤2.5%

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（3）主接力器甩25%负荷时的不动时间性Tq≤0.15秒。3-3．主要工艺特点

 采用液压反馈技术，液压柜具有很高的响应速度和自平衡能力；  使用由高分子复合材料作滤材的油处理系统，保证先导控制油的高品质；

 采用符合国际标准DIN24340连接尺寸的通用液压件；  液压柜无泄漏设计；

 液压集成块采用化学镀镍的处理方法；

 主要零部件采用38CrMoAlA及长时间低温渗氮冰冻处理工艺等，配合精度好，硬度高，耐磨性好，尺寸热稳定性好。

四、工作原理说明

1.系统调节原理框图

见图1（下页），自动控制回路包括两种方式，正常情况下通路为：电气控制柜输出控制信号（连续电压）—伺服阀功放—伺服比例阀—切换阀—主配—接力器，该控制的稳定性和精度靠三个闭环反馈来实现：伺服阀位移反馈、主配压阀位移反馈、主接力器位移反馈。异常情况下（在伺服阀发生故障时），装置自动切除伺服阀控制，并切换到容错控制阀组，其通路为：电气控制柜输出控制信号（断续脉冲）—容错控制阀组—切换阀—主配—接力器。此时仍能维持接力器自动闭环控制，但精度有所降低。

紧急停机操作是通过操作紧急停机阀完成，其直接控制主配压阀完成关方向动作。

手动控制通路为：手动控制开关（断续脉冲）—容错控制阀组—切换阀—主配—接力器。通过主配压阀自动复中和模拟式导叶开度传感器来保证接力器稳定在某个位置。

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手动及容错阀手动控制切换阀模拟传感器图1：系统调节原理框图

2.伺服比例阀简介

伺服比例阀的功能是把输入的电气控制信号转换成输出的流量控制，所谓调速系统处于伺服运行工况，即是指伺服比例阀在运行的情况下，其阀芯装备了位置控制传感器，使得滞环和不重复性均很小。在电磁铁断电时，阀具有“故障保险”位置，即第四位置。（4/4伺服比例阀）

图2：伺服比例阀阀位机图

型

号：0811404036

阀位机能图：见上图2

技术指标：

 公称流量（阀口压降Δp=35bar时）40L/min  最高工作压力 315bar  泄漏（100bar时）

1.1L/min  安装尺寸

NG6（ISO4401） 电磁铁电流

max.2.7A  线圈电阻

2.5~2.8Ω  功率消耗

max.25VA 第 6 页

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 位移传感器

DC/DC技术  滞环

<0.2%  重复性

<0.1% -3db频宽

100Hz  温度漂移

<1%bei ΔT=40℃时

该阀的最大特点是电磁操作力大，为环喷式和双锥式电液伺服阀电操作力的5倍以上。它结合了伺服阀和比例阀的优点，既有伺机服阀的高精度高响应性又有比例阀的出力大，耐污染能力及防卡能力强等高可靠性，因此是普通电液伺服阀所无法比拟的。

3.紧急停机阀及切换阀

紧急停机操作既可以与电柜或监控系统配合，实行远方控制，也可以操作机柜上的控制把手来现地控制。动作时，紧急停机阀关闭导叶，切换阀则切除伺服阀回路，确保可靠停机。另外，该阀都采用了双电磁铁线圈控制，阀自带定位功能，动作时线圈只短时间通电，这样即延长了线圈的寿命，又保证了阀芯动作的可靠性。

4.双联可切换滤油器

油质处理采用了双联可切换滤油器（如下图），它有两只滤芯，总容量为2×190L/min，过滤精度10μm，在滤芯的前后级各有一压力表，用它可直接读出滤芯前后的压力差，另外，还加装了一只压差发讯器，当滤芯前后压差达到0.35MPa，发讯器就点亮机柜面板上的指示灯报警，提示更换正在使用的这只

滤芯。更换是时，只要把双切换手柄拔向另一只滤芯，即可在机组正常运转的 情况下更换脏滤芯。滤油器在切换过程中，输出油流不会中断。

因为本滤油器滤芯的安装方式是由下至上压紧，且过滤油流的方向是从外向内，故在更换滤芯的过程中不会带进新的污染，另外，因滤芯是由各种有机、无机高分子材料复合而成，它既不会象纸质滤芯那样掉毛，亦不会象粉末冶金滤芯那样脱粉，总之，它自身不生污染。

Qin控 制 油Qout图3：双切换滤油器

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图五-9NARI

ZFL/D型水轮机调速器单调节液压装置技术使用说明书 5.系统工作原理 5-1技术方案

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根据我们在水轮机调速器方面十多年的设计制造经验，我们在原理设计、产品设计和工艺要求方面提出了如下方案：

 采用频响特性好，有抗油污能力，输出功率大的电液伺服比例阀做电液转换器。

 主配压阀输入控制信号由传统的机械位移改为流量。其上下端的二个控制口直接与电液伺服比例阀输出口连接。

 主配压阀芯上下二腔为主控制腔，分别与主接力器关闭腔或开启腔相连接。阀芯中间腔为主配压阀操作油输入腔（也是控制油取油口），与压油装置出口管相连接。 主配阀上下二端安置有自动复位弹簧及定位部件。此设计保证当控制油恢复（零位）时，主配压阀芯能自动恢复中位（零点）位置。 主配压阀上端中心位置装有两个调节螺母，可分别调整接力器关闭时间及开启时间。  主配压阀上端装有阀芯位移传感器及拒动发讯器。

液压系统设计了容错控制环节。当电液伺服比例阀退出工作时，脉冲控制阀投入工作，继续维持“自动运行”状态，实现容错控制功能。 所有电磁液压部件和其它液压部件相互之间联接由液压集成块完成。

5-2 控制原理

目前“电调”电液随动系统，绝大部分采用机械位移输出型电液转换器。这主要是因为主配压阀仍然是机械位移输入型的，当系统采用液压流量型电液伺服阀时，系统中要增加一中间接力器（起流量积分作用）把电液伺服阀的输出流量信号转变为中间接力器的输出位移量，再作用到主配压阀的引导阀上。为使控制过程能恢复到平衡位置（零点）必须在中间接力器上装一只传感器，将其位置信号反馈到电气信号综合放大环节。主接力器上有一个电气信号反馈环节。因此，形成了电液伺服阀与中间接力器之间，中间接力器与主接力器之间两个随动系统，不但系统复杂、可靠性差，而且实践证明其动态性能也差。

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我们新研制的ZFL/D系列调速器克服了上述缺点，详细的方案见附图。

附图1：ZFL/D系列全液控自复式主配压阀结构图。图中所示为系统处于平衡状态时全液控自复式主配压阀（以下简称：主配）的平衡位置（即中位或零位）。P腔为操作压力油进油腔；A、B腔分别为主接力器关闭腔或开启腔的二个控制腔；T腔为回油腔；C、D腔分别为使阀芯上下运动的二个液控腔；Q1、Q2控制油路把伺服比例阀的二个控制口分别与“主配”液控腔C、D联接起来。

当系统处于平衡状态，即“主配”阀芯处于“零位”（中间位置）时，主油腔P、T、A、B之间皆不通，不向主接力器配油，主接力器位置不动。当电气信号使电液伺服阀的压力腔P与“主配”液控腔Q2相通时（同时电液伺服阀的回油腔T也与“主配”液控腔Q1相通），“主配”阀芯在D腔油压作用下压缩下弹簧向下移动，促使“主配”A腔与进油腔P相通，B腔与回油腔T相通，于是“主配”通过A腔向主接力器关闭腔配油，而主接力器开启腔的油通过B腔回油到回油箱。结果，主接力器就向关闭方向移动。此时接力器位移传感器向电气综合放大环节送出一个负反馈信号，电液伺服阀于是回复“中位”，“主配”液控腔Q1、Q2不与伺服比例阀的P或T联通，因此“主配”C与D腔之间无压力差，“主配”阀芯在下端弹簧的作用下向上移动，直至定位件被下端主阀套定位端面阻挡为止，“主配”回复到中间位置即“零位”。此时，“主配”停止向主接力器配油，主接力器停止移动。

当电气信号使伺服比例阀压力腔P与“主配”液控腔Q1相通，回油腔T与“主配”液控腔Q2相通时，“主配”阀芯运动过程及主接力器移动过程与上述情况相反。

“主配”上端中心装有二个调节螺母，用来分别限制主配操作油开口大小，从而限制操作油的流量，达到调节主接力器开关时间的目的。

附图2 ZFL/D（单调节）系列液控系统原理图，具有如下功能：  容错控制：当伺服比例阀V6退出运行时，系统用V5切断V6油路，用V2投入脉冲控制阀V4，由V4承担自动控制“主配”及主接力器的功能。当电柜退出控制，用机柜面板上的手动钮控制阀V5、V2及V4，即实第 9 页

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现了“手动控制”功能，其时的油路工作原理与“容错控制”时完全一样，只是人工面板控制手动钮取代了电柜自动控制。 紧急停机：当出现机组事故紧急停机信号时，系统将V7投入，向“主配”Q2供油，Q1回油，同时，用V5切断V6（伺服控制）油路，用V2切除V4（容错或手动控制）油路，“主配”以最大开口向主接力器关闭侧供油，导叶紧急关闭，机组停机。

五、操作说明

1、机械外罩正面元件布置说明（示例）

图4 机械外罩正面元件布置

1．各运行指示灯表示的状态及含义(1)“操作电源”：

操作回路的DC24V、DC220V电源监视电源，正常时常亮，若灯不亮，则表示DC24V、DC220V操作电源至少一个消失，此时手自动切换及手动增减均不能进行，需紧急处理，检查DC24V、DC220V操作电源。如果只是DC24V消失外部紧急停机失效，可以操作面板紧急停机按钮操作急停。

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ZFL/D型水轮机调速器单调节液压装置技术使用说明书(2)“导叶功放”：

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灯常亮时表示导叶功放模件工作正常，灯灭时表示功放保护动作，可能是传感器，伺服阀反馈断线以及伺服阀过流所引起，需作紧急处理。若恢复正常需将功放模件电源断开再合上，可将调速器切至手动方式，操作柜内开关FU1进行，再将调速器切至自动方式。(3)“导叶手动”：

当导叶控制手自动把手位于手动时，该灯被点亮，切换回自动方式时灯灭。(4)锁锭拔出，锁锭投入

当锁锭拔出和投入时分别被点亮，用于监视锁锭的状态，当锁锭投入灯亮时，不允许进行手动操作导叶接力器，否则会造成锁锭损坏。(5)“油滤堵塞”

当滤油器前后的压差达到一定数值时，该灯被点亮，压差可通过波油器前后的压力表观察到，当发生堵塞时，应及时进行滤油器切换或更换工作部分滤油器滤芯。

(6)“紧急停机”：

当紧急停机操作执行时灯亮并自保持，此时须再执行复归才可使灯灭。紧急停机灯点亮表示调速器进入紧急停机状态，其他操作都被禁止。

5-2 液控柜操作说明 5-2-1．导叶控制部分的操作：(1)自动运行：

表示导叶不运行在手动控制方式，此时手动增减操作闭锁，紧急停机可以操作。在手动控制方式运行时可以操作切自动把手切换至自动控制方式运行。(2)手动运行：

操作导叶控制手动把手，此时导叶手动灯亮，然后再操作增减把手即可手动控制导叶接力器的位置。5-2-2．紧急停机的操作

若机组出现过速等机械或电气事故需紧急停机时，应向液压柜下发紧急停机令（脉冲令脉宽大于2S），也可以手动操作面板急停按钮，调速器直接将导叶接第 11 页

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力器关到全关，实现紧急停机。此状态一直保持，直到急停复归令下发或手动操作复归按钮方可解除急停状态。

六、安装与调整

6-1．机柜的安装

本机械柜是分解成两大部件运输的，它们是：主配压阀及控制集成块部分一箱，机壳一箱。

现场安装时，方法如下：

先将主配压阀部分吊装至基础板上（基础板事先校平），其中滤油器所在的一边为正后边，让小基板上的四个安装孔与基础板上的螺孔分别对齐，用汽油清洗小基板上的四个安装孔，和四只安装螺栓，然后，拧紧四只螺栓，接着，再往小基板上的四个安装孔内填满703硅胶。（这主要是防止接油盆内有油通过该孔往下渗漏）。

最后将机壳罩上，电线插头互连，即可。6-2．开关机时间整定

参见图5，开关机时间整定可以通过调整开侧调节镙母和关侧调节镙母来实现，当关侧调节镙母靠近调节支架时，关闭时间变长，反之则时间变短。同理，若整定开启时间，当开侧调节镙母靠近调节支架时，开启时间变长，反之则时间变短。开关机时间整定可以通过手动来操作，利用秒表来记时。整定好后可以将开关侧调节镙母固定。

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主配传感器关侧调节螺母调节支架开侧调节螺母

图5：开关机时间、主配传感器调整示意图

6-3．主配传感器调整

参见上图5，一般主配位移传感器在拆卸、更换以及零点偏移时需要重新调整零位，该调整对于调速器的自动运行非常重要，方法如下：

1． 将导叶液压控制部分切换到手动状态，操作增减把手，使接力器保持在中间某位置不动。

2． 测量传感器的供电电源（+15V及-15V），电源应保持对称且不低于±14V。

若供电电源为+12V，则不应低于+11V。

3． 测量传感器的反馈电压，如偏离零伏电压，则慢慢调整传感器的铁芯，使反馈电压接近零伏，然后用内六角扳手调整传感器侧面的镙母进行微调，直到零伏电压。

七、典型故障说明

7-1．导叶液压故障

现象：电柜报导叶液压故障，伺服阀自动调节失灵，只能脉冲控制。处理方法：

（1）首先检查BOSCH功放板显示是否正常（正常只有一个绿灯亮），24V、±15V电源，伺服反馈等是否正常，然后检查主配反馈是否在中位，电柜输出板开关电压是否正常，排除以上电气故障后，再进行液压系统部分检查。

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（2）检查自动状态下各电磁阀位置是否正确，参见附图2：液压系统原理图。主要检查手自动切换阀V3D是否在自动位。

（3）若液压部分有卡涩，则需对液压部件进行清洗。

伺服阀清洗：取下电磁阀线圈及反馈接线，旋下4个固定螺丝，拧开一边阀盖（与线圈一边相反），小心取出阀芯，用干净汽油清洗阀芯和阀块。

手自动切换阀清洗：摘下电磁阀线圈接线，旋下4个固定螺丝，拧开一边阀盖，小心取出阀芯，用干净汽油清洗阀芯和阀块。

集成块清洗（有必要时）： 旋下集成块上所有的阀及工艺堵头及组合垫圈，用干净汽油或煤油冲洗集成块上所有的孔，同时用手电照射检查所有内孔，看孔中是否有铁屑及毛边，如有毛边或铁屑就用铜条将其去除，然后再用干净的油冲洗，再用干净的高压空气冲射每只孔，最后将各工艺堵头及组合垫付垫圈旋上并将所有阀件就位即可。（注意：各工艺堵头上的组合垫圈及集成块顶面上的“O”型密封圈及阀件安装面上的“0”型密封圈在安装时要小心不可漏花）。7-2．“油滤堵塞”灯亮 处理方法：

（1）检查滤油器前后压力表的压差，及时进行滤油器切换或更换工作部分滤油器滤芯。滤芯更换方法如下：参见附图1，先将需要更换的滤芯切换到备用，然后用扳手扳住滤油器底部的镙丝，慢慢将滤油器旋下，取出滤芯，检查滤芯内杂质和积水情况。

（2）检查压差发讯器动作是否正常，压差整定值一般为0.25MPa。

八、原理说明附图

8-1．附图

1．附图1：主配压阀装配图 2．附图2：液压系统原理图

3． 附图3：机械柜基础架示意图

4．附图4：机械柜外型尺寸图 5．机械柜现场布置图

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附图1：主配压阀装配图

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附图2：液压系统原理图

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附图3：机械柜基础架示意图

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附图4：机械柜外型尺寸图

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附图5：机械柜现场布置图

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第二篇：液压千斤顶设计说明书

液压千斤顶研究设计报告

一、液压千斤顶功能分析。

千斤顶是一种起重高度小(小于1m)的最简单的起重设备。它有机械式和液压式两种。机械式千斤顶又有齿条式与螺旋式两种，由于起重量小，操作费力，一般只用于机械维修工作，在修桥过程中不适用。液压式千斤顶又称油压千斤顶，是一种采用柱塞或液压缸作为刚性顶举件的千斤顶，其结构紧凑，工作平稳，有自锁作用，故使用广泛。其缺点是起重高度有限，起升速度慢。

液压千斤顶充分运用了帕斯卡原理，实现了力的传递和放大，使得用微小的力就可以顶起重量很大的物体。在液压千斤顶中，除了其自身所具有的元件外，还需要一种很重要的介质，即工作介质，又叫液压油。液压油的好坏直接影响到千斤顶能否正常地工作。因此，就需要液压油具有良好的性能。在液压千斤顶中，液压油所应该具备的功能有以下几点：

1．传动，即把千斤顶中活塞赋予的能量传递给执行元件。

2．润滑，对活塞、单向阀、回油阀杆和执行元件等运动元件进行润滑。3．冷却，吸收并带出千斤顶液压装置所产生的热量。

4．防锈，防止对液压千斤顶内的液压元件所用的金属产生锈蚀。除此之外，液压油还需要有以下这些工作性能的要求。1．可压缩性。可压缩性小可以确保传动的准确性。2．粘温特性。要有一个合适的粘度并随温度的变化小。

3．润滑性。油膜对材料表面要有牢固的吸附力，同时油膜的抗挤压强度要高。

4．安定性。油不能因热、氧化或水解而变化，使用的寿命要长。5．相容性。对金属、密封件、橡胶软管、涂料等有良好的相容性。液压千斤顶广泛使用在电力维护，桥梁维修，重物顶升，静力压桩，基础沉降，桥梁及船舶修造，特别在公路铁路建设当中及机械校调、设备拆卸等方面。由于液压用途广泛，所以行程范围也需要比较广。

二、液压千斤顶工作原理

液压千斤顶工作时，扳手往上走带动小活塞向上，油箱里的油通过油管和单向阀门被吸进小活塞下部，扳手往下压时带动小活塞向下，油箱与小活塞下部油路被单向阀门堵上，小活塞下部的油通过内部油路和单向阀门被压进大活塞下部，因杠杆作用小活塞下部压力增大数十倍，大活塞面积又是小活塞面积的数十倍，由手动产生的油压被挤进大活塞，由帕斯卡原理（液压传递压强不变的原理，受力面积越大压力越大，面积越小压力越小）知大小活塞面积比与压力比相同。这样一来，手上的力通过扳手到小活塞上增大了十多倍(暂按15倍)，小活塞到大活塞力有增大十多倍(暂按

图1帕斯卡原理图

15倍)，到大活塞（顶车时伸出的活动部分）力=15X15=225倍的力量了，假若手上用每20公斤力，就可以产生20X225=4500公斤（4.5吨）的力量。工作原理就是如此。当用完后，有一个平时关闭的阀门手动打开，油就靠汽车重量将油挤回油箱。

三、自锁原理

图2单向阀自锁

单向阀自锁：为了能实现千斤顶在支撑中实现自锁，此设计采用单向阀组成设计回路。在液压千斤顶在小油缸与大油缸之间设置有一个单向阀。在手柄向上提升带动小油缸中的小活塞时，由于小油缸与大油缸之间设有单向阀，此时单向阀处于关闭状态，大油缸中的油液并不会回流至小油缸。在手柄下压带动活塞压油液时，小油缸与大油缸之间的单向阀处于开启状态，而小油缸与储油装置之间的单向阀处于关闭状态，油液进入大油缸将负载顶起。将负载顶到目标高度后，大油缸与小油缸之间的单向阀仍处于工作状态，油液只能存在大油缸之中，负载无法下行，形成自锁。

液压千斤顶顶起重物后，靠液压单向阀能起锁紧作用，但专业人士都知道，液压系统都有泄漏现象，压力越大泄漏越严重，液压缸内高压油一泄漏液压杆肯定要下行，时间越长下滑越明显。这说明液压千斤顶顶起的重物自锁时间不能过长，这势必对操作者造成一定的心里压力，为了避免液压系统因泄漏而造成的不良后果，消除操作者心里负担，我们的设计除液压自锁外，还设置了机械自锁装置。

机械自锁：在大活塞螺旋杆和液压千斤顶外壳设计锁紧螺母，当液压千斤顶在任意高度顶起重物需要锁紧时，旋紧锁紧螺母，使之与液压千斤顶外壳顶端完全接触，外载荷由锁紧螺母传给液压千斤顶的外壳，液压缸活塞不承受载荷，液压系统可以卸荷。锁紧螺母与螺旋杆采用梯形螺纹传动，顶起重物后，由手动旋合锁紧螺母，达到锁紧目的（如图3）。

四、结构设计

（1）螺旋传动机构，增大起重行程

液压千斤顶中的活塞杆是千斤顶顶起重物的执行部件，液压杆的长度，就是千斤顶顶起重物的最大行程。要增大液压千斤顶顶起重物的行程，就必须增加活塞杆的长度，这势必增大了液压千斤顶的体积和输油量。为了避免这些困惑，将活塞杆进行改良设计，如图4所示，加设螺旋配合机构，采用梯形螺纹传动，能承受较大的载荷，由于螺旋杆能上下螺旋移动，就增大了液压千斤顶的有效行程。螺旋杆顶部设计通孔，可以利用加长杆与之配合，旋转螺杆，便能在顶起重物的状态下增大顶起高度行程，当然也可以在没有顶起重物时预先旋转螺纹提升螺旋杆达到提高行程的目的。在不需要增大起重行程时，螺旋杆旋进活塞杆，保持原

图4

图3螺母锁紧装置

来的起重行程。

（2）扳手省力结构

液压千斤顶虽然能利用帕斯卡原理，利用大油缸面积大于油缸截面面积缩小力。但考虑到材料强度及设备体积原因（小油缸面积不能过小，要保证一定的壁厚及小活塞的压杆

图5油泵扳手

稳定，大油缸面积不能过大），大油缸与小油缸的截面积之比一般设计在10到20 之间（我们设计取15）。我们发现这个面积比只能将力缩小到原载荷的十五分之一。这是远远不够的，所以我们将手动油泵扳手设计成杠杆（如图5）。最左端竖直杆与底座相连，右边与滑套相连的为活塞杆，横杆为扳手。根据杠杆原理，各部分设计合理距离以及杆长设计合理，这个可将力缩小为小活塞受力的十五分之一。这样就可将力缩小至负载的1/225。（3）出油装置

图6底部油通道

上述已阐明如何将负载顶起。在工作结束的时候需要卸载，这就需要一个将大油缸中的油液排除的装置。图6为底部油通道示意图。可以看出，1通道为油液进入手动油泵的通道（油液存储在外油箱中）。图6中的2出口就是工作结束卸载时油液的通道。考虑到千斤顶正常工作时油液不能从大油缸中流出，因此在2通道口装有一个手动阀，在工作结束后打开手动阀，让油在负载的作用下流回外油箱中，完成卸载。

五、设计心得

这次设计的大作业，是现代机械设备中应用较为广泛的一种伸缩传动装置——千斤顶。由于理论知识不足，而且平时几乎没有设计的经验，在一开始的时候有些手忙脚乱，不知道该从什么地方入手。在本次大作业的完成过程中，让我感触最深的就是要不断地查阅资料和修改图纸使得我们的设计更加符合现实生活中的标准。我们作为机械工程专业的学生，最重要的就是要时时刻刻与实际相结合，所设计的每一个机械部件、每一个零件都必须不离实际。与艺术家可以尽情的幻想不同，一切不切实际的构想就永远只能是幻想，永远无法成为设计。与此同时，在设计的过程中，需要用到AutoCAD软件进行制图。因此为了更加有效率地绘制各种零件图、装配图，我们必须学会熟练的掌握它。

在设计过程结束后，我自己学到了不少的知识，也让我捡起了很多遗忘的知识。在整个设计中我明白了很多东西，也培养了我工作和与人合作的能力，而且我也充分地体会道路在创造设计过程的艰辛和成功时的喜悦。尽管这个设计做得并不优秀，但这个在设计过程中所学到的东西将是我人生路上强有力的垫脚石，对我日后的工作、设计都会有很大的益处。

第三篇：液压夹紧铣床夹具设计说明书

沈阳理工大学应用技术学院机械制造装备课程设计说明书

前言

机械制造技术基础是机械设计制造及其自动化（或机械工程及自动化）专业的一门重要的专业基础课。

机械设计是机械工程的重要组成部分，是决定机械性能的最主要因素。由于各产业对机械的性能要求不同而有许多专业性的机械设计。

在机械制造厂的生产过程中,用来安装工件使之固定在正确位置上,完成其切削加工、检验、装配、焊接等工作,所使用的工艺装备统称为夹具。如机床夹具、检验夹具、焊接夹具、装配夹具等。

机床夹具的作用可归纳为以下四个方面：

1.保证加工精度

机床夹具可准确确定工件、刀具和机床之间的相对位置，可以保证加工精度。

2.提高生产效率

机床夹具可快速地将工件定位和夹紧，减少辅助时间。3.减少劳动强度

采用机械、气动、液动等夹紧机构，可以减轻工人的劳动强度。

4.扩大机床的工艺范围

利用机床夹具，可使机床的加工范围扩大，例如在卧式车床刀架处安装镗孔夹具，可对箱体孔进行镗孔加工。

机械制造装备设计课程设计是机械设计中的一个重要的实践性教学环节，也是机械类专业学生较为全面的机械设计训练。其目的在于：

1.培养学生综合运用机械设计基础以及其他先修课程的理论知识和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力，通过课设训练可以巩固、加深有关机械课设方面的理论知识。

2.学习和掌握一般机械设计的基本方法和步骤。培养独立设计能力，为以后的专业课程及毕业设计打好基础，做好准备。

3.使学生具有运用标准、规范手册、图册和查询有关设计资料的能力。

我国的装备制造业尽管已有一定的基础，规模也不小，实力较其它发展中国家雄厚。但毕竟技术基础薄弱，滞后于制造业发展的需要。我们要以高度的使命感和责任感，采取更加有效的措施，克服发展中存在的问题，把我国从一个制造业大国建设成为一个制造强国，成为世界级制造业基础地之一。

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1.产前准备

1.1年生产纲领

工件的年生产量是确定机床夹具总体方案的重要依据之一。如工件的年生产量很大，可采用多工件加工、机动夹紧或自动化程度较高的设计方案，采用此方案时，机床夹具的结构较复杂，制造成本较高；如工件的年生产量不大，可采用单件加工，手动夹紧的设计方案，以减小机床夹具的结构复杂程度及夹具的制作成本。如5万件以上夹具复杂用全自动化的设备，5000件小批量生产用手动设备。

1.2生产条件 1.3零件工艺分析

本次课设是要为此图1-3-1汽缸体铣削上表面

图1-3-1

零件图标出了工件的尺寸、形状和位置、表面粗糙度等总体要求，它决定了工件在机床夹具中的放置方法，是设计机床夹具总体结构的依据,本工件放置方法应如图1-3-1所示。工序图给出了零件本工序的工序基准、已加工表面、待加工表面，以及本工序的定位、夹紧原理方案。工件的工序基准、已加工表面决定了机床夹具的方位方案，如选用平面定位、孔定位以及外圆面定位等；定位方案的选择依据六点定位原理和采用的机床加工方法，定位方案不一定要定六个自由度，但要完全定位。工件的待加工表面是选择机床、刀具的依据。确定夹紧机构要依据零件的外型尺寸，选择合适的定位点，确保夹紧力安全、可靠同时夹紧机构不能与刀具的运动轨迹相冲突。

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2.夹具结构设计

2.1定位机构

图2-1-1定位心轴

在夹具设计中，定位方案不合理，工件的加工精度就无法保证。工作定位方案的确定是夹具设计中首先要解决的问题。

根据工序图给出的定位元件方案，按有关标准正确选择定位元件或定位的组合。在机床夹具的使用过程中，工件的批量越大，定位元件的磨损越快，选用标准定位元件增加了夹具零件的互换性，方便机床夹具的维修和维护。

设计夹具是原则上应选该工艺基准为定位基准。无论是工艺基准还是定为基准，均应符合六点定位原理。

2.2夹紧机构

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图2-2-1工件放置方式

1.夹紧的目的：使工件在加工过程中保持已获得的定位不被破坏，同时保证加工精度。.夹紧力的方向的确定：

1）夹紧力的方向应有利于工件的准确定位，而不能破坏定位，一般要求主夹紧力应垂直于第一定位基准面。

2）夹紧力的方向应与工件刚度高的方向一致，以利于减少工件的变形。

3）夹紧力的方向尽可能与切削力、重力方向一致，有利于减小夹紧力。.夹紧力的作用点的选择：

1）夹紧力的作用点应与支承点“点对点”对应，或在支承点确定的区域内，以避免破坏定位或造成较大的夹紧变形。

2）夹紧力的作用点应选择在工件刚度高的部位。

3）夹紧力的作用点和支承点尽可能靠近切削部位，以提高工件切削部位的刚度和抗振性。

4）夹紧力的反作用力不应使夹具产生影响加工精度的变形。

4.选择夹紧机构：

设计夹紧机构一般应遵循以下主要原则： 1)夹紧必须保证定位准确可靠，而不能破坏定位。沈阳理工大学应用技术学院机械制造装备课程设计说明书

2)工件和夹具的变形必须在允许的范围内。

3)夹紧机构必须可靠。夹紧机构各元件要有足够的强度和刚度，手动夹紧机构 4)必须保证自锁，机动夹紧应有联锁保护装置，夹紧行程必须足够。5)夹紧机构操作必须安全、省力、方便、迅速、符合工人操作习惯。6)夹紧机构的复杂程度、自动化程度必须与生产纲领和工厂的条件相适应。

图2-2-2夹紧机构

选用螺栓螺母夹紧机构来对被加工工件进行夹紧。

螺栓螺母夹紧机构的特点：①结构简单，制造方便加紧可靠施力范围大；②自锁

性能好操；③扩力比80以上，行程S不受限制；④加紧工作慢，效力低。

2.3机床夹具的总体形式

机床夹具的总体形式一般应根据工件的形状、大小、加工内容及选用机床等因素来确定。

夹具的组成归纳为：

1）定位元件及定位装置 用于确定工件正确位置的元件或装置。2）夹紧元件及夹紧装置 用于固定元件已获得的正确位置的元件或装置。3）导向及对刀元件 用于确定工件与刀具相互位置的元件。

4）动力装置在成批生产中，为了减轻工人劳动强度，提高生产率，常采用气动、液动等动力装置。

5）夹具体用于将各种元件装置连接在一体，并通过它将整个夹具安装在机床上。6）其他元件及装置 根据加工需要来设置的元件或装置。2.3.1确定夹具体： 沈阳理工大学应用技术学院机械制造装备课程设计说明书

夹具体上一般不设定位和定向装置，特别是台钻、立钻和摇臂钻上使用时，但夹具体底板上一般都设有翻边或留一些平台面，以便夹具在机床工作台上固定。夹具体一般是设计成平板式（有些夹具体铸造成特殊形状），保证具有足够的刚性。它用来固定定位元件、加紧机构和联接体，并于机床可靠联接。2.3.2确定联接体：

联接体是将导向装置与夹具体联接的工件，设计时主要考虑联接体的刚性，合理布置联接体的位置，给定位元件、夹紧机构留出空间。此夹具体的联接装置通过内六角螺栓和圆柱销来定位，考虑到刚性问题，在相对应的位置上在用一个联接体支承钻套板，同样用内六角螺栓定位。2.3.3夹具体的总体设计图:

图2-4-1总体图

2.5绘制夹具零件图

对装配图中需加工的零件图均应绘制零件图，零件图应按制图标准绘制。视图尽可能与装配图上的位置一致。1.零件图尽可能按1:1绘制。

2.零件图上的尺寸公差、形位公差、技术要求应根据装配图上的配合种类、位置精度、技术要求而定。

3.零件的其他尺寸，如尺寸、形状、位置、表面粗糙度等应标注完整。

4.零件图名称：

零件图1定位轴

零件图2支柱

零件图3夹具体 零件图4钻模板

2.6 绘制夹具装配图

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1.装配图按1:3的比例绘制，用局部剖视图完整清楚地表示出夹具的主要结构及夹具的工作原理。

2.视工件为透明体，用双点划线画出主要部分（如轮廓、定位面、夹紧面和加工表面）。画出定位元件、夹紧机构、导向装置的位置。3.按夹紧状态画出夹紧元件和夹紧机构。

4.画出夹具体及其它联接用的元件（联接体、螺钉等），将夹具各组成元件联成一体。

此机床夹具要用到的零件如下： 1.压板 2.挡销 3.调整螺钉 4.校正块 5.支承钉 6.螺钉 7.夹具体 沈阳理工大学应用技术学院机械制造装备课程设计说明书

8.调节销 9.定向块 10.夹紧油缸手柄 11.锁紧油缸手柄 12.锁紧钉 13.辅助支承钉 14.量块

5.标注必要的尺寸、配合、公差等

(1)夹具的外形轮廓尺寸，所设计夹具的最大长、宽、高尺寸。

(2)夹具与机床的联系尺寸，即夹具在机床上的定位尺寸。如车床夹具的莫氏硬度、铣床夹具的对定装置等。

(3)夹具与刀具的联系尺寸，如用对刀块塞尺的尺寸、对刀块表面到定位表面的尺寸及公差。

(4)夹具中所有有配合关系的元件间应标注尺寸和配合种类。

(5)各定位元件之间，定位元件与导向元件之间，各导向元件之间应标注装配后的位置尺寸和形位公差。

6.夹具装备图上应标注的技术要求(1)定位元件的定位面间相互位置精度。

(2)定位元件的定位表面与夹具安装基面、定向基面间的相互位置精度。

(3)定位表面与导向元件工作面间的相互位置精度。

(4)各导向元件的工作面间的相互位置精度。

(5)夹具上有检测基准面的话，还应标注定位表面，导向工作面与该基准面间的位置精度。

对于不同的机床夹具，对于夹具的具体结构和使用要求，应进行具体分析，订出具体的技术要求。设计中可以参考机床夹具设计手册以及同类的夹具图样资料。7.对零件编号，填写标题栏和零件明细表：

每一个零件都必须有自己的编号，此编号是唯一的。在工厂的生产活动中，生产部件按零件编号生产、查找工作。

完整填写标题栏，如装配图号、名称、单位、设计者、比例等。

沈阳理工大学应用技术学院机械制造装备课程设计说明书

完整填写明细表，一般来说，加工工件填写在明细表的下方，标准件、装配件填写在明细表的上方。注意，不能遗漏加工工件和标准件、配套件。8.机床夹具应满足的基本要求包括下面几方面：

1)保证加工精度 这是必须做到的最基本要求。其关键是正确的定位、夹紧和导向方案，夹具制造的技术要求，定位误差的分析和验算。

2)夹具的总体方案应与年生产纲领相适应 在大批量生产时，尽量采用快速、高效的定位、夹紧机构和动力装置，提高自动化程度，符合生产节拍要求。在中、小批量生产时，夹具应有一定的可调性，以适应多品种工件的加工。

3)安全、方便、减轻劳动强度 机床夹具要有工作安全性考虑，必要时加保护装置。要符合工人的操作位置和习惯，要有合适的工件装卸位置和空间，使工人操作方便。大批量生产和工件笨重时，更需要减轻工人劳动强度。

4)排屑顺畅 机床夹具中积集切屑会影响到工件的定位精度，切屑的热量使工件和夹具产生热变形，影响加工精度。清理切屑将增加辅助时间，降低生产率。因此夹具设计中要给予排屑问题充分的重视。

5)机床夹具应有良好的强度、刚度和结构工艺性 机床夹具设计时，要方便制造、检测、调整和装配，有利于提高夹具的制造精度。

结论

在这次历时两个礼拜的课程设计中，发现自己在理论与实践中有很多的不足，自己知识中存在着很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论到实践的能力还急需提高。让我认识到了仔细认真的重要性。

这次课程设计让我们更能注意到细枝末节。这次课设使我对机床夹具设计有了更深刻的理解，特别使其中的技术要求。同时感觉到了细节的重要性。有时候我们我们错的并不是理论，而是我们很容易忽略的线型和该删掉的线我们没有删掉。作为一个设计者不仅应掌握良好的专业知识，有一个认真仔细的心态，还有有一个冷静的心态，遇到问题不能慌乱，不知所措

首先根据工件的加工要求，我选择了钻床，因此加工方向式垂直与水平面的。然后工件主要定位部分为直径为φ30mm的中心孔和一侧端面，用长销小平面定五个自由度。虽然没有满足六个自由度的要求，但是不影响机床夹具的工作。因为被加工件需要钻2个孔不限制Z向的旋转会增进效率。最后是将定位销和支承板固定在夹具体上，沈阳理工大学应用技术学院机械制造装备课程设计说明书

利用销定位、螺柱、螺母和内六角螺钉进行定位、夹紧。这样将工件稳固的夹紧在机床上，能更方便，准确的进行钻孔加工。通过以上这些步骤，此机床夹具可以正常工作，此项设计方案可实施。通过精度验算可知，此项机床夹具可施行。工件的定位、夹紧符合要求。

在设计的过程中，虽然感觉到了我的不足之处，但是我也学到了不少东西。在一定程度上，使我对以前学习过的东西有了加深理解和熟练操作。课程设计是机械专业学习的一个重要的、总结性的理论和实践相结合的教学环节，是综合运用所学知识和技能的具体实践过程。通过本次夹具设计，我对所学的专业知识有了更深刻的理解和认识。课程设计内容源于生产实践，使得课程设计和实践得到了充分的结合，有利于培养解决工程实际问题的能力。上学期在沈飞进工厂实习或参观的时候对夹具也有所了解，而这次课程设计的经历，使我对夹具有了更深刻的认识

我们在这次的学习实践中看到了自己的不足，同时发现到自己的一个不足，意味着我们成长了一点，如果我们每天成长一点点，那么我们会稳扎稳打的走向成功。

致谢

为期两周的课程设计转眼就过去了。通过这两个星期的课程设计，使我综合的运用了几年所学的专业知识。在课程设计中，发现自己在理论与实践中有很多的不足，自己知识中存在着很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论到实践的能力还急需提高。

首先，感谢学校给我们提供这次难得的实习机会，这让我真切的体会到理论与实际相结合的意义，为我今后的机械制造技术设计思路奠定了基础。从次课程设计中能让我们学习到一些课本中不能引起我们注意的细节东西，感谢学校为我们提供的宝贵学习机会！

我非常感谢我的指导教师张福老师和张海华老师。两周来，我时刻体会着两位老师严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，不论天气有多么的炎热，都会在我们身边细心指导。在课外时间，我们不明白一些设计的问题和有关画图方面的问题时，每次去老师那里，老师都会在百忙之中给我们足够的时间去问问题，有时还会和我坐下来一起讨论设计的方案。当我的提出的方案不是经济实用的时候老师会细心讲解给予更好的意见。整个过程，两位老师都倾注了大量的心血。正是在老师科学、严谨的指导下，我的课程设计才能顺利进行，这篇论文也才得以顺利完成。两位 沈阳理工大学应用技术学院机械制造装备课程设计说明书

老师不仅在学习上对我严格要求，在我们的思想行为上都给予了教育与指导。

这次课程设计虽然我完成的不是很成熟，但是通过老师的帮助和自己的努力完成课程设计还是让我有一种自豪感，这是我自己真的去思考，设计，查询资料得来的成果。在这次课程设计结束的时候，我感到有一种轻松感，不是因为课程设计不用再做了，而是因为我从这次课程设计中获得了知识，有所学、有所用。更加知道我们将来能做什么，会做什么，该做什么。让我们对行业有了了解，让我们对自己的未来有了规划。

感谢两位老师的细心指导！

参考文献

[1] 作者：吴宗泽，罗圣国，书名《机械设计课程设计手册》，出版者：高等教育出版社，出版年：1999，引用部分起止页：37～46。

[2] 作者：李庆余，书名《机械制造装备设计》，出版者：机械工业出版社，出版年：2008年，版次：2版

[3] 作者：张海华，书名《机械制造装备设计指导书》，出版者：机械工程系，引用部分起止页：44～46页。

[4] 作者：薛源顺，书名《机床夹具图册》，出版者：机械工业出版社，出版年2003年，版次：1版

沈阳理工大学应用技术学院机械制造装备课程设计说明书

第四篇：船用液压舵机系统设计说明书

重庆大学 硕士学位论文

船舶液压舵机系统设计研究

姓名：王月

申请学位级别：硕士 专业：机械设计与自动化

指导教师：陈波

2012-06 重庆大学硕士学位论文

中文摘要

摘要

我国改革开放后与国外贸易量逐年增大，尤其是加入WTO后进入了快速发展

阶段，海运事业随着世界贸易的增长而快速发展，船舶行业随之迎来了黄金时期。但我国船舶配套设备制造能力一直滞后船舶主体制造能力，现已成为船舶行业快 速发展的瓶颈。舵机是控制船舶航向的重要设备，其性能的好坏对于船舶运动的 控制起着非常关键的作用。但目前国内对于船舶舵机的研究大多集中于船舶航向 及舵迹控制方面，对于舵机本身的运动转换机构、液压传动及电气控制方面研究 却相对较少。因此，研究开发高性能船舶舵机并实现量产，对于我国船舶行业配 套能力的加强、竞争力的提高具有重要意义。

本文通过分析研究船舶舵机作用原理及目前常用转舵机构，提出采用滚珠逆 螺旋机构作为转舵机构，构建新式舵机。根据船舶对舵机要求及螺旋作动器实际 需要，进行深入分析比较后，设计了舵机液压传动原理图，确定了电气控制方案。对舵机液压系统进行必要的简化后，分别建立了比例阀环节，阀控缸环节及角度 传感器等环节的数学模型，经适当变换最终得到了舵机的数学模型，并对舵机系 统的稳定性进行了分析。由于舵机闭环时域响应缓慢，且船舶在航行过程中受风、海浪等不确定因素影响，所以采用了不依赖对象模型的模糊PID校正，设计了模 糊PID控制器。运用MATLAB软件中的Simulink工具箱建立了系统动态仿真模型，并对系统进行了仿真分析。根据船舶舵机需远距离传送信号且干扰源多的情况，采取了操作室与舵机室分散控制，通过CAN总线连接通信的控制方式，有效提高 了控制及反馈信号传送的速率与质量。设计了主电路图、CANopen主站控制原理 图、CANopen从站控制原理图。

本文设计的船舶舵机系统，采用了新型转舵机构，有效减小了舵机体积及重 量；采用了电液比例控制，能有效提高船舶航行时舵角的定位精度，降低航行能 耗，减小换向冲击及噪声；将传统的PID校正与先进的模糊控制相结合，提高了 舵机的动态性能，增强舵机自适应能力；采用现场总线传输信号，提高了数据传 输速度及可靠性。对高性能船舶舵机的设计据有一定的指导意义。

关键词：船舶舵机，建模，模糊PID，仿真分析，PLC控制

I 重庆大学硕士学位论文

英文摘要

ABSTRACT

Chinese foreign trade volume increasing year by year by reform and opening up，in particular after accession to WTO foreign trade has entered a stage of rapid

development.The shipbuilding industry has also entered in golden age along with fast development of shipping industry, but Chinese ship auxiliary equipment manufacturing capacity is lagging far behind the main vessel.It has become a bottleneck in the rapid development of shipbuilding industry.Steering gear is one of the most important equipment for controlling ships.Its good or bad performance plays a key role for ship motion control.But up to now domestic researchers for the steering gear studies are focused on how to control the ship heading and rudder track.There is a lack of

researching hydraulic and electrical control about the steering gear.Therefore, research and development high-performance steering gear and achieve the mass production finally.It has great significance for strengthening competitiveness of Chinese shipbuilding industry.Principle and current condition of marine steering gear were analyzed in this paper.First, introduced structure of marine steering gears which were used commonly, choosed ball rotary-oscillating actuator as the new steering gear.According to

requirements and actual needs, designed the schematic of fluid drive and the electrical control program after analyzed and compared the system seriously.The hydraulic system of steering gear was simplified.Corresponding mathematical models of proportional valve, valve control cylinder, angle sensor areas and other sectors were established.Mathematical model of the control system was ultimately made out and analyzed stability of steering gear system.As time domain response is slow of the servo loop and the ship affected by the wind, waves and other uncertain factors during voyaging.So used the fuzzy PID control and designed a fuzzy PID controller for this system.Dynamic model was established by using the Simulink toolbox in MATLAB software.Finally, used MATLAB software to carry through dynamic simulation and analyzed dynamic characteristics.Because steering signal is remote transmission in the ship.So adopted the operating room and steering gear room were decentralized control.The rooms were connected via CAN-bus.The control and feedback signals transmission speed and quality effectively were improved by CAN-bus.The main circuit, CANopen master control diagram and CANopen slave control principle were designed.II 重庆大学硕士学位论文

英文摘要

In this paper steering gear was designed.Using electro-hydraulic proportional

control, it can improve the positioning accuracy when the ship voyaging, and reduce impact and noise.Applying fuzzy PID control strategy, it can improve the dynamic performance of steering gear and enhance adaptive capacity of steering gear.Using field bus, it can increase data transmission speed and reliability.This paper has guiding significance for the design of small and medium steering gear.Keyword：

Ship Steering Gear, Modeling, Fuzzy PID, Simulation, PLC Control III 重庆大学硕士学位论文

绪论 绪

论

1.1 船舶舵机介绍

1.1.1 舵机作用原理

舵机是船舶上的一种大甲板机械，是船舶最重要的辅机之一，用于控制船

舶航向。其对船舶的作用原理如图1.1所示

图1.1 舵作用原理

Fig.1.1 Action principle of steering gear

舵叶在水中的受力如图1.1所示。图中

摩擦力；

LF

NF

—舵叶两侧水压力（舵压力）；

rF

—

—升力；

DF

—阻力。在正舵位置，即舵转角0α=时。舵叶两侧所受 的水作用力相等，对船的运动方向不产生影响。当舵叶偏转任一角度α，两侧水 流如图1.1（a）所示。水流绕流舵叶时的流程在背水面就要比迎水面长，背水面 的流速也就较迎水面大，而其上的静压力也就较迎水面要小。舵叶两侧所受水压 力的合力称为舵压力，的背水面。除

NF

NF

将垂直于舵叶，作用于舵叶的压力中心

o，并指向舵叶

rF

外，水流对舵叶还会产生与舵叶中线方向一致的摩擦力。

NF 当舵叶偏转舵角α后，在舵叶的压力中心 o 上，就会产生一个大小等于

合力的水作用力 F。F 可分解为与水流方向垂直的升力 力 DF

LF

与

rF

和与水流方向平行的阻

：

LLFCAv

DDFCAv

ρ=

（1.1）

ρ=（1.2）

= xxCb

（1.3）

式中：

LC，DC，xC

分别为升力、阻力、压力中心系数，其大小随舵角而变，与舵叶几何形状有关，由模型试验测定；ρ—水的密度；A—舵叶的单侧浸水面积； 重庆大学硕士学位论文

绪论

v —舵叶处的水流速度； b —舵叶平均宽度。

在图1.1（b）中，我们假设在船舶重心 G 处加上一对方向相反而数值均等于

F

F的力1F、2。那么水作用力 F 对船体的作用，可用水作用力对船舶重心所产生的

力矩 sM

F和2的作用来代替。

sM 由 F 和1F

形成的力矩

迫使船舶绕其重心向偏舵方向回转，称为转船力矩

(sM)。

21()sin

ααρ=++≈=

（1.4）

sLcDcLLMFlXconFXFlCAvl

式中： l —舵杆轴线至船舶重心的距离； cX— 舵压力中心至舵杆轴线的距离。

由式（1.4）可知：转船力矩

sM

随舵角α的增大而增大，并在达到某一舵角时

M

； 出现极大值max

sM

出现极大值时的舵角数值与舵叶的几何形状有关，并主要取

决于舵叶的展弦比λ(λ=舵叶高度 A ／舵叶平均宽度 b)。λ越小，绕流的影响就越 大，即在同样舵角上所产生的舵压力越小，而达到最大转船力矩时的舵角就越大。舵叶的展弦比值受到船舶吃水及船尾形状等条件限制。海船(λ=2～2.5)，max M 舵角多介于30~35 角之间。

oo 的 舵

M

出现在35~45 之间，规定35 ；河船(λ=1.0～2.0)，max

o oo

F2

则可分解为 R 和 T 两个分力，纵向分力2sinRF

TF 力；横向分力2cos

α=，增加了船舶前进的阻

α=，使船向偏舵的相反方向漂移。由于水作用力 F 一般与

船舶的重心G并不在同一水平面上，所以船在转向的同时，还存在着横倾与纵倾 力矩。

在舵匀速转动时，需要的转舵扭矩 M（操舵装置对舵杆施加的力矩）即应等 于舵的水动力矩 aM和舵各支承处的总摩擦扭矩 的代数和，即：

fM

=+ afMMM

（1.5）

aM 表示舵压力

NF

对舵杆轴线所产生的力矩（称为舵的水动力矩），对于普通

=

平衡舵(0.15~0.2)faMM

在舵机设计时，确定舵机结构尺寸和工作参数的基本依据是公称转舵扭矩。

公称转舵扭矩指在规定的最大舵角时所能输出的最大扭矩，是根据船舶在最深航 海吃水和以最大营运航速前进时，将舵转到最大舵角所需要的扭矩来确定的。

1.1.2 船舶对舵机的要求

舵机是保持或改变船舶航向，保证安全航行的重要设备，一旦失灵，船即会

失去控制，甚至事故。因此，我国《钢质海船入级与建造规范》(1996)根据（国际 海上人命安全公约）（SOLAS公约）的规定，对舵机的基本技术要求是：

① 必须具有一套主操舵装置和一套辅操舵装置；或主操舵装置有两套以上的

动力设备，当其中之一失效时，另一套应能迅速投入工作。主操舵装置应具有足 重庆大学硕士学位论文

绪论

够的强度并能在船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时将舵自任何一舷

o 35o 转至另一舷的35，并且于相同的条件下，自一舷的35

o

转至另一舷的30 所需

o 的时间不超过28 s。此外，在船以最大速度后退时应不致损坏。辅助操舵装置应具 有足够的强度，且能在船舶处于最深航海吃水，并以最大营运航速的一半且不小

o o 于7 kn 前进时，能在不超过60 s 内将舵自任一舷的15 转至另一舷的15。

② 主操舵装置应在驾驶台和舵机室都设有控制器；当主操舵装置设置两台动

力设备时，应设有两套相对独立的控制系统。但如果采用液压遥控系统，除1万

Gt

以上的油轮(包括化学品船、液化气船，下同)外，不必设置第二套独立的控制系统。

③ 操舵装置应设有有效的舵角限位器。以动力转舵的操舵装置，应装设限位

开关或类似设备，使舵在到达舵角限位器前停住。

④ 能被隔断的、由于动力源或外力作用能产生压力的液压系统任何部分均应

设置安全阀。安全阀开启压力应不小于1.25倍最大工作压力；安全阀能够排出的 量应不小于液压泵总流量的110％，在此情况下，压力的升高不应超过开启压力的

10％，且不应超过设计压力值。

1.2 研究的意义及目的

我国的船舶行业正处在快速发展阶段，已连续十余年保持世界第三大造船国 的地位，世界造船中心向中国转移的趋势日益加快。尤其是2006年以来，我国承 接船舶订单占世界市场份额大幅攀升，全年利润增速在50％以上，有关专家预计： 到2010年，我国造船能力将达到2100万载重吨，造船产量占世界市场份额的25% 以上，本土生产的船用设备平均装船率达到40%以上，实现船用设备年销售收入

500亿元。但我国造船业在保持高速增长的同时，弊端也逐渐暴露出来，特别是船

舶配套设备制造能力不足，加上船舶配套业竞争形势日益激烈，国外配套企业发 展步伐加快，严重制约和压缩了我国船用配套业发展空间。据了解，目前我国船 舶自主配套率平均只有40%左右，与日本的98%、韩国的90%相比，差距相当大。

LPG船、化学品船、大型集装箱船等高端市场的自主配套率平均不足20%。国内

船舶主机目前缺口达50%～70%。近年来虽然突破了一些重点船用配套设备关键制 造技术，但是大型船用配套设备和关键零部件生产能力不足，无自主知识产权的 船用设备、品牌产品都需要进口，这都较大地削弱我国船舶行业的发展速度[1,2]。舵机关系到船舶的安全、稳定，是船舶的核心设备之一。虽然现阶段国内研究机 构已经对船舶舵机系统已经进行了较多的研究，但大多集中于对自动舵、航迹舵 等舵机控制方法上的研究。对于开发设计体积小，重量轻，效率高，反应迅速快，控制精度高的船舶舵机做的工作却相对较少。而生产企业正在批量生产的却还是 国外70～80年代的低端产品，产品附加值低，市场竞争力很弱，科研与生产实际 重庆大学硕士学位论文

绪论

已严重脱节。因此，在重庆市科委的领导下，重庆大学与重庆液压件厂合作，对 舵机运动转换机构、液压及控制系统进行深入研究，开发高性能船舶液压舵机，这对中高档船舶配套设备的国产化具有重要意义。

本课题以船舶舵机运动转换机构、液压传动系统及控制系统为研究对象。提

出一种结构新颖、体积小，重量轻、舵角定位精度高，PLC控制与现场总线控制 相结合的新式船舶舵机。深入分析液压传动原理，研究舵机控制原理及其控制理 论，采用先进的控制方案。最终实现高性能液压舵机的批量生产。

1.3 国内外研究现状[2～9]

船舶在应用液压传动之前，采用的是蒸汽传动和电气传动。1916年美国在“新

墨西哥”号战舰上首次使用了液压舵机。在第二次世界大战期间，液压传动因具有 响应速度快、刚度大、抗干扰能力强、执行机构的功率—重量比和扭矩—惯量比 大等优点而受到重视，使得其在军舰舵机、潜艇控制系统及航母的控制系统中占 有重要地位。二战后随着军用技术转为民用，一般的客轮、货轮也开始广泛使用 液压舵机，五十年代后期，进一步发展了电液传动系统，这对减轻操舵人员的劳 动强度改善操舵条件，简化舵机结构具有重要意义。八十年代是舵机更新换代的 十年，引起这种更新的原因主要有两方面。最直接的原因是：1978年装有22万吨 轻原油的美国油轮“阿莫戈·卡迪兹”号在途经法国西北海面时因舵机失灵而触礁，造成严重污染和重大经济损失。为此，舵机在紧急情况下的可靠性引起了国际上 的普遍关注。经过一段时间酝酿，l981年国际海事会议正式通过了对l974年SOLAS 公约的修正案，其中对舵机的要求提出了重要的新条款。舵机更新的另一原因，是液压传动技术从七十年代以来一直在迅速发展，产品的高压化和集成化不断取 得进展，逻辑阀等新型液压元件开始应用于舵机和其它船用液压装置中，另外，舵机电气遥控系统的技术也更趋成熟，不仅淘汰了液压遥控系统，而且使传统的 浮动杆机械追随机构也显得陈旧。进入八十年代以来，世界舵机主要制造厂家都 开始认真检查其产品，并按1981年修正案的要求重新设计各自的舵机，力争在市 场上保持较大的竞争优势。新一代的舵机的性能和可靠性更趋完善。目前国外舵 机最新变化动向如下。

① 普遍设置了两套液压系统，且具有人工和自动隔离装置。西德哈特拉帕公

司生产的自动隔离装置：如工作中因某套系统管路破裂或其它原因而严重失油时，相应油柜中的液位开关就会动作报警，并在经过30秒或更长时间(视漏泄程度而 定)，另一个更低的液位开关就会动作使工作泵组切换。挪威富利登波公司认为上 述方案使设备复杂化，产品价格较贵，而且某些阀正常工作时长期不动，紧急情 况能否正常动作便难于保证，因而又提出了一种仅采用二个主油路自动锁闭阀来 重庆大学硕士学位论文

绪论

隔离损坏的油路系统的方案。这种方案仅适台于转叶式油缸，它在缸体内部设有 油路连通相应油腔，但如果一对油腔密封损坏时，并不能使之与工作油路隔离。显然，单缸体的转叶式油缸如发生故障，如密封损坏、动叶断裂等，是不能按“单 项故障原则”迅速恢复工作的，因此它不能用于10万载重吨以上的油轮。为此，日 本三井—ABG公司提出了双油缸体转叶舵机的设计，它将二个转叶油缸迭置在同 一舵杆上方，其二套油路系统之一可以被隔离和旁通，以适应10万载重吨以上油 轮的要求。

② 阀控型舵机的应用功率范围在扩大，性能也在改善。阀控型舵机因稳舵时

主油泵仍需全流量工作，虽然排出压力小，但仍要消耗一定的功率，故经济性较 差；而且换向时液压冲击大，故过去多用于功率较小的舵机。现在随着阀控型舵 机设计的改善，扭矩范围也有了显著提高。例如西德哈特拉帕R系列阀控型舵机最 大公称扭矩已达到1200KN.m，完全能胜任一般数万吨级海船的需要。

③ 新型液压阀件的应用。随着液压技术迅速进步，从60年代末开始，能根据

电气信号的变化对液压油流向及压力、流量进行连续的、按比例的远程控制的比 例阀迅速发展；70年代为解决大流量(200L/min以上)系统控制集成化的困难，逻辑 阀(又称二通插装阀)也迅速发展。这些元件不仅开始在工程船液压传动装置中出 现，也开始用于液压舵机。日本川崎泵控型舵机的液压系统即使用了逻辑阀。丹 麦狄沙麦润四缸活塞式舵机的控制系统中使用了比例方向阀，取消了机械追随机 构，从而转舵精度可达土1/6o，比普通电磁换向阀控制精度提高了两倍以上。

④ 船舶自动舵控制技术的发展。1921年德国安修斯公司发明了自动操舵仪，即利用罗经的电讯号，通过继电器、机械结构来实现控制船舶舵机。由于自动操 舵仪能够自动驾驶船舶，按给定航向航行而且具备航向精度高，能节约能源，并 且把人从繁重人工操舵中解放出来。1930年苏联也相继研究出以电罗经为航向接 收讯号的自动操舵仪，这一产品的问世引起了航运界的重视，各先进资本主义国 家也形成了研究机构和一批知名企业。到目前为止只有少数经济发达资本主义国 家，如美国、德国、英国台卡、日本北辰以及苏联沙姆希特掌握了这项技术，并 形成名牌产品。自动舵的发展大致经历四代：

1920年和1923年德国的Aushutz和美国的Sperry分别率先推出了独立研制成 的机械式自动操舵仪，该产品所采用的是经典控制理论中最简单最原始的比例放 大控制规律。这种自动舵被称为第一代自动舵。

20世纪50年代，经典理论达到了旺盛时期，经典控制理论有着各种控制方法，其中最重要最典型而且在工业生产中最常用的一种是比例—微分—积分(PID)控 制。伴随着经典控制理论的发展，PID舵在50年代开始发展起来。1950年日本研制 出“北辰”自动舵，1952年美国研制出新型的Sperry自动舵，采用的都是PID控制规 重庆大学硕士学位论文

绪论

律。由于P调节器不需要详细的有关受控过程的知识，且具有结构简单、参数易于 调整和具有固有的鲁棒性等特点，PID舵得到了广泛的认可，几乎所有的船舶都装 有这种操舵仪。这种自动舵被称为第二代自动舵。

到了70年代，由于自适应理论和计算机技术得到了发展，人们注意到将自适

应理论引入船舶操纵成为可能，纷纷将自适应舵从实验室装到实验船上，正式形 成了第三代自动舵。自适应舵在提高控制精度、减少能源消耗方面取得了一定的 成绩，但自适应控制系统比常规的控制系统要复杂得多，其鲁棒性、收敛性等尚 未得到证明。

对有限维、线性和时不变的控制过程，传统的控制方法是非常有效的。由于

实际船舶系统常具有不确定性、非线性、非稳定性和复杂性，很难建立精确的模 型方程，甚至不能直接进行分析和表示。自适应控制的稳定性和鲁棒性在实际应 用中还无法完全达到要求，但熟练的舵手运用他们的操舵经验和智慧，能有效地 控制船舶。为此，从80年代开始，人们就开始寻找类似于人工操舵的方法，这种 自动舵就是第四代的智能舵。

古代中国是当时造船和航海的先驱。春秋战国时期就有了造船工场，能够制

造战船；汉代已能制造带舵的楼船；唐、宋时期，河船和海船都有突出的发展，发明了水密隔壁；明朝的郑和七次下西洋的宝船，在尺度、性能和远航范围方面，都居世界领先地位。到近代，中国造船业发展迟缓，鸦片战争爆发后，国人才逐 渐意识到船舶工业的落后，1865～1866年，清政府相继创办江南制造总局和福州

船政局，建造了“保民”“建威”“平海”等军舰和“江新”“江华”等长江客货船。尽管中 国早就有建造万吨级机动船舶的记录，能自制船用蒸汽往复机以及由其驱动的机 舱辅机，甲板机械等。但由于旧中国工业基础薄弱，船舶配套设备的生产基本依 靠国外，从基础的螺钉、垫圈等小五金到高级的雷达、导航仪等都依赖进口，船 舶行业基本停留在组装及维修的阶段。至新中国成立前夕，全国钢质船舶的平均 年造船量仅1万吨左右。

全国解放后，我国成立重工业部船舶工业局，集中力量建造苏联转让的舰艇。

63年成立六机部，组建国产化协作机制，造船从仿制改进到自行研制（研制出核

潜艇、远洋探测船、万吨轮等），但该机构在文革时期遭到了重创。改革开放后，尤其是近十年来我国船舶行业进入了快速发展阶段。然而科研及生产单位更多的 集中于船舶主体的设计制造，对船舶主要辅件舵机尤其是高性能的自适应舵的研 究还在起步阶段。虽然近几年来，有关单位开展了对自适应舵的研究工作，发表 了一些设计方案，仿真研究结果和产品，其中具有代表性的是上海欣业船舶电器 厂科技人员和上海交通大学船电专业教授们共同开发的HD—8A数控自动操舵仪，但一直未出现有影响力的品牌或产品。重庆大学硕士学位论文

绪论

1.4 主要研究内容

本课题针对当前舵机体积大、质量重、舵角定位精度不高、控制系统复杂且 可靠性差等问题，应用先进的传动机构，采用适应性强的控制方法，设计一套体 积小、质量轻、定位精度高、动态特性好、控制系统稳定可靠的舵机。具体地讲，本课题主要探讨和研究了以下几个方面的内容：

① 运动转换机构的选择。综合分析了国内外现有转舵机构的特点及存在的问 题，根据舵机要求体积小、质量轻、传动效率高等特点，选择滚珠螺旋作动器作 为运动转换机构。

② 液压系统的设计。为提高舵机转角精度，提高系统集成度及可控性，降低 换向冲击。通过分析现有液压驱动系统，设计了以电液比例阀为核心的液压回路。

③ 电气控制系统研究。由于舵机操舵室与舵机室距离远，且中间干扰源多，设计了以PLC作为控制单元，通过CAN总线传输信号的控制方式，有效解决了 舵机控制器可靠性及控制信号传输的速度慢及质量不高等问题。

④ 控制算法研究。应用现代控制理论，将传统的PID控制与模糊控制相结合，设计了舵机的模糊PID控制器，提高了控制器的精确性与适应性。并建立舵机系 统的数学模型，对系统的动态性能进行了仿真分析。重庆大学硕士学位论文

系统方案设计 系统方案设计

船舶舵机主要有有运动转换机构、液压驱动系统及控制系统三大部分组成。

如图2.1所示。

图2.1 船舶舵机系统组成Fig.2.1 Component of steering gear

2.1 转舵机构

转舵机构是将油泵供给的液压能变为转动舵杆机械能的一种机构，目前常用 的机构，按推动舵叶偏转时动作方式不同，可分为两大类：往复式和回转式。

① 往复式转舵机构。其结构形式主要有滑式、滚轮式及摆缸式。

1）滑式转舵机构

它是应用最广的一种传统转舵型式，它又有十字头式和拨叉式之分。十字头式 转舵机构由转舵油缸、插入油缸中的撞杆以及与舵柄相连接的十字形滑动接头等 组成，当转舵扭矩较小时常用双向双缸单撞杆的型式，而当转舵扭矩较大时，多 采用四缸、双撞杆的结构。其单边结构图如图2.2所示。

图2.2 十字头式转舵机构

Fig.2.2 Crosshead-style steering structure 重庆大学硕士学位论文

系统方案设计

当舵转至任意舵角α时，为克服水动力矩所造成的力' 在十字头上将受到撞杆两端油压差的作用力

Q，(与舵柄方向垂直)。

P，力 P 与' Q 作用方向不在同一直线

上，导板必将产生反作用力 N，以使 P 和 N 的合力 Q 恰与力' Q 方向相反，从而产 生转舵扭矩以克服水动力矩和摩擦扭矩。其转舵力矩：

RDzpRP πη 00 m

MzQRz===

ηη mm

（2.1）

2coscos4cos

ααα

上式表明：在撞杆直径 D，舵柄最小工作长度0 R 和撞杆两侧油压差 P 既定的

情况下，转舵扭矩 M 随舵角α的增大而增大。这种扭矩特性与舵的水动力矩的变 化趋势相适应，当公称转舵扭矩既定时，滑式转舵机构最大工作油压较其它转舵 机构要小。拨叉式与十字头式原理类似。

2）滚轮式转舵机构

图2.3滚轮式转舵机构

Fig.2.3 Roller steering structure

滚轮式转舵机构的结构特点：在舵柄端部以滚轮代替滑式机构中的十字头或拨 叉。受油压推动的撞杆，以顶部顶动滚轮，使舵柄转动。这种机构不论舵角α如 何变化，通过撞杆端面与滚轮表面的接触线作用到舵柄上的推力 杆端面，而不会产生侧推力。其转舵力矩可写为：

P 始终垂直于撞

π 2

ηηα00cos4mmMzQRDzpR ==

（2.2）

上式表明：当 D、R0

和 P 既定时，滚轮式转舵机构所能产生的转舵扭矩将随α的增大而减小。扭矩特性在坐标图上是一条向下弯的曲线。在最大舵角时，水动 力矩较大，而滚轮式这时所产生的扭矩反而最小，只达到滑式机构的55%左右。但滚轮式与滑式相比，撞杆与舵柄之间没有约束，无侧推力，且结构简单，加工 容易，安装、拆修都较滑式方便。

3）摆缸式转舵机构 重庆大学硕士学位论文

系统方案设计

图2.4 摆缸式转舵机构

Fig.2.4 Swing-cylinder steering structure

摆缸式转舵机构结构特点：采用两个摆动式油缸和双作用的活塞(也可单作

用)。转舵时，活塞在油压下往复运动，两油缸相应摆动，通过与活塞杆铰接的舵 柄推动舵叶偏转。由于转舵时缸体必须作相应摆动，必须采用有挠性的高压软管。

摆缸式机构转舵时，油缸摆角β将随油缸的安装角(中舵时油缸摆角)和舵转角α而 变。一般使中舵时β最大，最大舵角时β为零或接近于零。但不论舵角α如何，β

角总是很小。如果忽略β，摆缸式与滚轮式扭矩特性相同，所以一般应用于功率不 大的舵机中。

② 回转式转舵机构[9～11]。目前回转式主要以转叶式机构为主。

图2.5 转叶式转舵机构

Fig.2.5 Rotating blade steering structure 重庆大学硕士学位论文

系统方案设计

图2.5所示为三转叶式转舵机构，油缸内部装有三个定叶，通过橡皮缓冲器安

装在船体上三个转叶与舵杆相固接，由于转叶与缸体内壁和上、下端盖之间，及 定叶与转毂外缘和上、下端盖之间，均设法保持密封，故借转叶和定叶将油缸内 部分隔成为六个小室。当经油管6从三个小室吸油，并排油入另外三个小室，转 叶就会在液压作用下通过轮毂带动舵杆和舵叶偏转。其转舵力矩：

0 mMzPAR

η=

（2.3）

上式表明：转叶式机构所能产生的转舵扭矩与舵角无关，扭矩特性在坐标图

上是一条与横坐标平行的直线。其优点是：(1)占地面积小（约为往复式的1/4），重量轻（约为往复式1/5），安装方便。(2)无须外部润滑，管理简便，舵杆不受侧 推力，可减轻舵承磨损。(3)扭矩特性不如滑式，比滚轮式和摆缸式好。但其内泄 漏部位较多。密封不如往复式容易解决，造成容积效率低，油压较高时更为突出。

往复式与回转式转舵机构，转舵力矩与转角关系如图2.6所示[12]。

图2.6 转舵力矩与转角关系

Fig.2.6 Relationship of steering torque and rotation

③新型转舵机构[13,14]

重庆大学机械传动国家重点实验室梁锡昌等老师发明了滚珠螺旋作动器，其

是针对现代高性能飞机对前缘襟翼驱动系统提出的体积小、重量轻、承载能力大、工作可靠和维修方便等要求，从缩短传动链出发，把液压传动和滚珠螺旋传动巧 妙的结合起来，所发明的一种新型传动机构。该机构如图2.7所示，由液压缸、传 动轴、滚珠副等部分组成。重庆大学硕士学位论文

系统方案设计

图2.7 滚珠直旋作动器

Fig.2.7 Rotary actuator ball straight

其结构特点：用液压缸驱动作动器，可以应用液压缸现有技术：密封性能好，油液泄漏量小，可达到较高的工作压力，加工简单、技术成熟。采用该机构作为 转舵机构后，不论舵角如何变化，都无侧推力作用。作动器采用滚珠副，机械传 动效率高且结构紧凑、占地面积小（体积仅为转叶式1/2）。这种新型转舵机构既 拥有转叶式舵机的优点，又克服了其泄漏量大，不适合用于高压的缺点。其转动 力矩：

MFdPAd

00tan2tan2

ληλη=×××=××××

（2.4）

d

—螺旋作 式中： P —液压缸两侧油压差； A —液压缸活塞有效作用面积；0动器直径；λ—逆螺旋机构螺旋升角；η—总效率，一般为0.85～0.9。

上式表明：基于滚珠逆螺旋的转舵机构所产生的转舵扭矩与舵角无关，扭矩

特性与转叶式类似，在坐标图上是一条与横坐标平行的直线。虽然该机构优势明 显，但由于滚珠逆螺旋传动轴直接与舵杆相连，虽然液压及控制系统可以冗余设 计，但作动器以及液压缸却只能一个。所以滚珠螺旋作动器，现阶段不适合作为 巨型船舶的转舵机构。本文设计的就是基于此种转舵机构的舵机。

2.2 液压系统方案[15～28]

由于作动器需要液压缸驱动其动作，所以需要设计一个合适的液压系统，使

舵机达到更好的性能。现有液压舵机的种类很多，按控制方式分可分为：泵控和 阀控。泵控系统又称容积控制系统，其实质是用控制阀去控制变量液压泵的变量 机构，由于无节流和溢流损失，故效率较高，且刚性大，但其响应速度较慢、结 构复杂，适用于功率大而响应速度要求不高的控制场合。一般转舵力矩大于

400KN.m的船舶采用这种控制方式。阀控系统又称节流控制系统，其主要控制元

件是液压控制阀，具有响应快、控制精度高的优点，缺点是效率低，特别适合中 重庆大学硕士学位论文

系统方案设计

小功率快速、高精度控制系统使用。由于此舵机是针对中小型，转舵力矩在

400KN.m以下的船舶，所以适合采用阀控系统。

液压阀，按大类可分为电液控制阀和普通电磁阀。电液控制阀是液压技术与

电子技术相结合的产物。由其代替普通电磁阀，可简化液压系统结构，增强液压 与电气控制系统的集合能力，提高可控性。按照使用的阀不同，可分为伺服控制 系统（控制元件为伺服阀）、比例控制系统（控制元件为比例阀）和数字控制系统（控制元件为数字阀）。电液控制阀是电液控制系统的心脏，其既是系统中电气控 制部分与液压执行部分间的接口，又是实现用小功率信号控制大功率的放大元件，其性能直接影响甚至决定着整个系统的特性。

上述三种不同的电液控制阀的性能比较如表2.1所列。

表2.1 电液控制阀的性能比较

Table2.1 Performance of electro-hydraulic control valve

项目 电液伺服阀 电液比例阀 电液数字阀

功能 压力、流量、方向及其

混合控制

压力、流量、方向及其

混合控制

压力、流量、方向及

其混合控制

电气-机械转换 力或力矩马达，功耗小比例电磁铁，功耗中 步进电机、高速开关

过滤精度 1~5 滞环/% 约1 3 0.1<

动态响应 高（100～500HZ）中（频宽10～150HZ）较低

中位死区 无 不大于20% 有

控制放大器及计

算机接口

价格因子 3 1 1

应用领域 多应用于闭环控制 多用于开环控制，也用

于闭环控制

既可开环控制，也可

闭环控制

伺服放大器需专门设 计，需要数模转换

比例放大器一般与阀配 套供应，需要数模转换

可直接与计算机接口 连接，无需数模转换

μ m约

μ m无特殊要求

由表2.1可看出伺服阀具有死区小，灵敏度高，动态响应速度快，控制精度高

等优点；但由于其结构特点导致中位泄漏量大，阀的负载刚性差，抗污染能力差，且其价格相对较高。电液比例控制阀是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种 液压控制阀，与手动调节和通断控制的普通电磁阀相比，它能显著的简化液压系 统，实现复杂程序和运动的控制，通过电信号实现远距离控制，大大提高液压系 统的控制水平；与伺服阀及电液数字阀相比尽管其动态、静态性能有些逊色，但 在结构与成本上具有明显优势，且目前在市场上数字阀产品较少见。重庆大学硕士学位论文

系统方案设计

比例阀相对于现在船舶上用的较多的普通电磁换向阀的优势主要有：1.定位精

度高，可以以较小的舵角保持航向。这意味着速度损失小，相应地节省了能源。

2.换向平稳，舵机避免了压力冲击。这意味着装置磨损小，减小了维修保养费用。3.快速地换装专用阀块，使舵机装置现代化。提高了旧船的经济性能。综合上述对

比分析，结合本课题的研究特点选用比例换向阀作为本系统的主控阀。

比例方向控制阀一般要求进油与回油压降相等，如果压降不等，则液压缸进

退过程的速度刚性不同，而且在阀换向瞬间会产生较大的换向冲击；如果采用非 对称缸和阀开口非对称的比例阀，由于舵工作的不同阶段所需流量差别较大，所 需最大驱动功率就较大，电机及泵的体积、重量都大增，功率损耗也随之增大； 为使舵机的体积质量更小，功率损失更低，建议首先考虑双活塞杆液压缸。

根据船舶对舵机的要求及系统实际需要，设计了作动器驱动液压回路如图2.8

所示。此液压回路中，泵2供油，单向阀7防止油液倒灌，电磁溢流阀4调定油 液工作压力并在系统无控制信号输出时使泵卸载，压力表开关5保护压力表，压 力表6显示液压系统压力，精过滤器8保护比例方向阀，比例方向阀9控制液压 缸运动方向及运动速度，液压锁10防止舵在受到意外冲击时损坏比例阀，并可短 暂隔离左侧回路与右侧回路油路，在油路发生故障时截止阀11屏蔽损坏回路，液 压缸12用于驱动螺旋作动器轴上下移动，双向溢流阀13防止作动器受意外负载 时损坏，减压阀15使油压符合比例先导阀的供油要求。左侧备用回路与右侧回路 功能与结构都相同。

其回路工作原理为（以右侧回路为例）：操舵员启动舵机，液压泵2开始供油

（油液经电磁溢流阀4流回油箱），当操舵员向左转动操舵轮，电磁溢流阀4的电 磁铁得电，比例换向阀9输入电流使阀切换至左位，先导阀控制控制主阀芯打开，压力油分成两路，一路经减压阀用于比例阀的先导控制，另一路经比例方向阀

9、液压锁

10、截止阀

11、进入液压缸12上腔，活塞杆驱动螺旋作动器运动，舵运 动到预定位置时比例阀控制信号为零，阀芯回到中位，舵被锁住，电磁溢流阀4 的电磁铁失电，泵2的压力油经溢流阀流回油箱卸荷；当要回舵或向相反方向操 舵时，比例方向阀9根据输入的信号换至右位，液压泵2的压力油经比例方向阀

9、液压锁

10、截止阀

11、进入液压缸12的下腔，使舵叶向相反方向转动。在回舵 时如果水动力及节流阀开口较大，回舵速度所需流量超过泵的排量时，则液压锁

10右侧的压力降低，液压锁关闭锁舵，直到油压升高到开启压力，这样会造成比

较大的冲击，所以回舵时操舵速度不宜太快。重庆大学硕士学位论文

系统方案设计 6

M

M 1

图2.8 液压系统原理图

Fig.2.8 Schematic diagram of hydraulic system

2.3 控制系统方案

2.3.1 控制系统的基本特点

目前，在自动控制系统中，最常用的以下几种控制系统： PLC控制系统、DCS 控制系统、FCS控制系统及计算机与单片机控制系统。它们各自的基本特点如下：

① PLC控制系统。PLC即可编程控制器，是一种数字运算操作的电子系统，为在工业环境下使用而设计的。其控制原理如图2.9所示

图2.9 PLC 控制系统示意图

Fig2.9 Schematic diagram of PLC control system 重庆大学硕士学位论文

系统方案设计

PLC控制系统具有如下的特点：

1）可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由

于采用现代大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进抗 干扰技术，具有很高的可靠性。

2）配套齐全，功能完善，适用性强。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功 能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC、过 程控制等各种工业控制中。

3）系统的设计、建造工作量小，维护方便，改造容易。PLC用存储逻辑代替

接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为 缩短，同时维护也变得容易起来。

4）体积小，重量轻，能耗低。以超小型PLC为例，新出产的品种底部尺寸小

于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实 现机电一体化的理想控制设备。

5）由于PLC本身定位于逻辑控制，所以还不是很擅长处理模拟量；通信能力

也较弱，多用于集中控制系统。要组成复杂大型控制系统需与其他控制方式结合。

② DCS控制系统，又称为集中分散型控制系统。是集计算机技术、控制技术、通信技术和人机交互技术为一体的高新技术产品。具有控制功能强、操作简便和 可靠性高等特点，可以方便地用于工业装置的生产控制和经营管理，是针对生产 过程实施监视、操作、管理和分散控制的4C技术的结合。在化工、电力、冶金等 流程自动化领域的应用已经十分普及。

图2.10 DCS系统体系结构

Fig.2.10 Architecture of DCS system 重庆大学硕士学位论文

系统方案设计

DCS控制系统特点：

1）DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。从结构上划分

DCS包括过程级、操作级和管理级，适合复杂系统。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。

2）DCS采用树状拓扑和并行连续的链路结构，有大量电缆从中继站并行到现

场仪器仪表。每台仪表都需一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN，组网成本 较高。

3）DCS互操作性差。尽管DCS的模拟仪表统一了4～20mA的标准信号，可

大部分技术参数仍由制造商自定，致使不同品牌的仪表无法互换。因此导致用户 依赖制造厂，无法使用性价比最优的配套仪器。

③ FCS控制系统。现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术 和自动控制技术的产物。它把微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算 和数字通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制 信息内容、实现其远程传送创造了条件。在现场总线环境下，借助现场总线网段 以及与之有通信连接的其他网段，实现异地远程自动控制。现场总线设备与传统 自控设备相比，拓宽了信息内容，提供了传统仪表所不能提供的如阀门的开关次 数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解现场及自控设备的 运行情况。

如图2.11所示，对比集中控制、集散控制、现场总线控制的结构示意图可以 看到，由于现场总线强调遵循公开统一的技术标准，因而有条件实现设备的互操 作性和互换性[29,30]。而目前要在设备层特别是现场装置一级上实现通信、信息控制 比较困难，因为在传统的概念中这一层次上的设备或元器件如传感器、变送器、仪表等是没有通信功能的，所以要用智能控制器（如PLC）先将部分器件连接，再通过总线传送信号。

图2.11 集中控制、集散控制、现场总线控制结构示意图

（a）集中控制

（b）集散控制

（c）现场总线控制

Fig2.11 Structure diagram of fieldbus control system 重庆大学硕士学位论文

系统方案设计

FCS控制系统与DCS控制系统相比具有以下特点：

1）总线式结构。一对传输线挂接多台现场设备，双向传输多个数字信号。这

种结构与一对一单向模拟信号传输结构相比，布线简单，安装费用低，维护简便。

2）开放性、互操作性与互换性。现场总线采用统一的协议标准，是开放式的

互联网，对用户是透明的。在传统的DCS中不同厂家的设备是不能相互访问的。而FCS采用统一的标准，不同厂家的网络产品可以方便地接入同一网络，在同一 控制系统中进行互操作，互操作意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相 互替换，因此简化了系统集成。

3）彻底的分散控制：现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场智能仪

表和设备中，做到彻底的分散控制，提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性，减轻了分布式控制中控制器的计算负担。

4）信息综合、组态灵活：通过数字化传输现场数据，FCS能获取现场智能设

备的各种状态、诊断信息，实现实时的系统监控和管理以及故障诊断。

5）多种传输介质和拓扑结构：FCS由于采用数字通信方式，因此可用多种传

输介质进行通信。根据控制系统中节点的空间分布情况，可应用多种网络拓扑结 构。这种传输介质和网络拓扑结构的多样性给自动化系统的施工带来了极大的方 便，据统计，FCS与DCS的主从结构性比，只计算布线工程这一项即可节省40% 的安装经费。

④ 计算机与单片机控制系统

计算机控制以其强大的计算性能见长，但其插板品种规格不多、不便配置，且其体积较大不便在现场安放。当控制系统不大时，其功能过剩，价格太高，所 以一般作为其他控制系统的上位机使用。

单片机价格低廉，功能强大，获得了广泛的应用。但单片机可靠性不高，系

统构建麻烦，且系统搭建后普通人员维护困难，远不如使用PLC可靠、方便，所 以一般不是大批量的应用，很少使用单片机。

2.3.2 控制系统方案

舵机作为船舶的一个核心设备，控制着船舶的航向，船舶航行时就要一直保持

工作，所以其工作时间很长，同时船舶是集成化程度较高的产品，其它干扰源较 多，工作环境比较恶劣，这就要求舵机控制器可靠性要高。由于操作室与舵机安 装仓间距比较大，大型船舶控制线路可达几百米，这就要求舵机控制及反馈信号 的传输要及时、可靠。在船舶转向时又要求：转舵平稳，转舵速度快，舵角定位 精度好。综合以上要求，舵机控制器需要具备以下特点：

① 可靠性。少出故障，出现故障后有备用措施。

② 稳定性。控制性能稳定，不出现颤动和震荡。重庆大学硕士学位论文

系统方案设计

③ 适时性。检测和输出速度及对被控对象的变化跟踪要及时。

④ 先进性。具备较高控制水平且便于系统升级。

⑤ 操作维修方便，便于检查问题和处理故障。

通过以上对PLC控制、DCS控制、FCS控制及计算机与单片机控制的比较，根据舵机控制器的设计要求，考虑系统的安全性、实时性要求，本舵机系统采用

PLC加现场总线的控制方式。由于本系统控制节点很少，用总线组成控制网络，主要考虑两点：1.信号传输可靠性与及时性，2.为了以后系统的扩展方便或能 更好的与船舶整个控制系统对接。

CAN总线是专为移动设备而开发的现场总线，在汽车中的应用已比较成熟，其传输数据的可靠性和及时性，经过了实践的考验。参照对比船舶与汽车，具有 很多的相似之处，国外已有船舶生产公司将CAN总线成功应用于船舶的控制系统。而且随着CAN的发展，出现了像CANopen、DveviceNet之类应用较广并获得众 多厂家支持的高层协议，这些高层协议规范了设备生产厂家的设备生产，使设备 的互换性大大加强。综合考虑，本系统采用基于CAN总线的控制方案。

2.4 本章小结

本章分析了舵的几种转舵机构，根据船舶对舵机的要求，提出采用重庆大学机

械传动国家重点实验室梁锡昌等老师发明的滚珠逆螺旋机构作为新型舵机运动转 换机构，该机构组成的转舵机构可以有效减小舵机体积，减轻舵机重量，提高传 动效率，采用液压缸驱动，可避免现有舵机存在的问题。从滚珠逆螺旋机构的特 点及舵机实际需要出发，分析设计了液压传动原理图，确定了电气控制方案。重庆大学硕士学位论文

舵机系统建模 舵机系统建模

舵机角度调整是依靠液压驱动螺旋作动器，作动器带动舵叶转动实现的，液

压系统的性能及所能达到的精度对舵机的性能与舵角精度影响很大。为了对系统 性能进行定量分析，了解系统的技术指标，是否需要采取合适的控制方法提高控 制性能，必须对液压系统及舵机其它组成环节进行详细的建模分析。由于液压本 身的属性，如油液粘度、液压阻尼系数，本身存在不确定性；而且系统在工作时 油液中或多或少会混入空气，致使弹性模量改变等等因素；都导致液压系统表现 出来的并非是一个严格意义上的线性系统。为方便分析，根据实际情况对液压部 分做如下简化处理：油泵出口流量恒定，且当溢流阀调定压力后，出口压力保持 不变。假定油液中并未混入其它杂质包括空气在内，即油液弹性模量恒定。

根据第二章的液压原理图可知，系统的主要组成部分是比例阀，液压缸及负

载部分，电气控制模块。根据舵机系统实际情况，建立了舵机系统简化原理图如 图3.1所示

A/D

给定 信号

反馈 信号

控制器 信号处理

M F

放大 器

D/A

图3.1 舵机系统简化原理图

Fig.3.1 Simplified schematic diagram of steering gear system

3.1 比例阀模型

舵机角度的调整，是通过调节比例阀的开口，从而控制油液流量来实现的，比例阀作为此系统最重要的元件之一，其性能对系统的影响非常大。其由比例电 磁铁、先导阀、功率阀芯组成。重庆大学硕士学位论文

舵机系统建模

3.1.1 比例电磁铁[31]

作为电液比例控制阀的电—机械转换器件的比例电磁铁，其功能是将比例控

制放大器输出的电信号转换为位移或力。由于比例换向阀的比例电磁铁是成对称 式分布的，取其一边分析，比例电磁铁数学模型如下：

① 线圈回路电压方程

比例电磁铁线圈上的电压方程为：

dit()

ututRritL()()()()

−=++ 0 bcpc

（3.1）

dt

ut —放大器输出电压，V； cL—式中 0()单个线圈电感，H ；

but

()—单个线圈上产生的反电动势，V；

由电磁感应理论可得：

dxt()e

utK()

=

（3.2）

bb

dt

—

—衔铁位移，m；

bK 反电动势系数，V.m/s；()ext

cR

—单个线圈电阻，Ω； pr— 放大器内阻，Ω；

it()

—通过线圈的电流，A。

比例放大器通过取样电阻0 R，将流过线圈的电流()i t 转换形成电压信号后，反 馈到比例放大器的功率级输入端，从而形成深度电流负反馈。取样电阻环节可视 为比例环节，即：

iffiutKit

()()=

（3.3）

式中

fiK

—电流负反馈系数；()ifut

—反馈电压，V。

由于采用了深度负反馈的恒流源作为比例放大器的功率输出级，所以放大器

ut 与给定电压()gut 具有良好的线性关系。放大器一般频宽很高，故可 输出电压0()视为比例环节，即：

0()[()()]

=− egifutKutut

（3.4）

式中

eK

—比例放大器的电压放大系数；()gut —给定电压，V。

② 衔铁输出推力方程

比例电磁铁属于励磁式电—机械转换器件，比例放大器的控制电流在线圈中

将产生磁通φ。经过比例电磁铁特殊的结构设计，该磁通被隔离成两路1φ和2φ。衔 铁在磁场中受到的电磁力为：

2()[()]2

=

（3.5）

egftitNRl

式中()eft —电流在电磁铁上产生的电磁吸力，N； N —线圈匝数；

gR

—气隙磁阻，0 gRlA μ=；

l —气隙长度，m；0()= −。

eelxxt

0 ex —气隙的初始长度，m；0μ—真空磁导率，Hm/

；70410μπ−=×

A —气隙部位垂直于磁力线的面积，m2。重庆大学硕士学位论文

舵机系统建模

对式（3.5）进行线性化处理可得：

eixeeftKitKxt

()()()

（3.6）

=+ 式中

iK

—比例电磁铁电流—力增益，N/A；2()=

igKNitRl

∂ ft()

e —xeK 比例电磁铁电磁弹簧刚度，也称为位移—力增益，K xe =

∂ xt()e

xeK 由于比例电磁铁具有水平的位移—力特性，故0 ③ 衔铁力平衡方程

≈。

此比例阀衔铁用于带动先导阀工作，需克服的负载包括衔铁以及所驱动部件 的惯性力、阻尼力、弹簧力、稳态液动力和干扰力。衔铁上的力平衡方程为：

dxtdxt()()

ee

ftmBKxtft()()()

（3.7）

=+++ eeeeteeL

dtdt

式中

阻尼系数；

em

—衔铁以及它所驱动的部件质量； eB— 比例电磁铁支撑及负载的粘性

etK

—比例电磁铁的总弹簧刚度，包括作用于衔铁的弹簧刚度及稳态液

eLft 动力刚度，N/m；()

—衔铁工作时需要克服的负载力。

对式（3.1）、（3.2）、（3.3）、（3.4）、（3.5）、（3.6）、（3.7）在初始条件为零的条

件下进行拉氏变化可得：

egfibecpcKusKisKxssRrisLiss eixeefsKisKxs

[()()]()()()()−−=++

（3.8）

()()()

（3.9）

=+

2()()()()()

=+++

（3.10）

ieeeeeteeLKismxssBxssKxsfs由式（3.8）、（3.9）和（3.10）可绘制出比例电磁铁的传递函数方框图，如图

3.2所示

fiusfiK

()

eLfs

()++ eeetmsBsK

exs gus()

us 0()

Δus()

()

++()

ccpLsRr

is()

iKeK

efs

()

Δ efs()

()

bus

bKs

图3.2 比例电磁铁的传递函数方框图

Fig.3.2 Transfer function block diagram of proportional solenoid

④ 线圈回路传递函数及深度电流负反馈的作用

在图3.2所示的传递函数方框图中，当未加电流负反馈时，反应线圈回路动态

特性的传递函数： 重庆大学硕士学位论文

舵机系统建模

Ws '()=== m

ΔusLsRrs+++()()'ccpm

ω =+为控制线圈的转折频率

式中 '()mcpcRrL

1()()1Rris+

cp

ω

（3.11）

加入深度电流负反馈后，将反馈点向右移动一个环节，如图3.3所示。则线圈

回路动态特性的传递函数为：

Ws()== m

Δuss+()1

1()()RrKKis ++

cpfie

ω m

（3.12）

式中()=++ω为控制线圈的当量转折频率。

mcpfiecRrKKL

mWsgus

()

++()ccpLsRr

bKs

eLfs

()

eWs()

us 0()

Δus()

()

is()

iKeK

()efs

Δ efs()

()

exs++ eeetmsBsK

()

bus

fiKeK

图3.3 比例电磁铁的传递函数等效方框图

Fig.3.3 Equivalent transfer function block of proportional solenoid

比例放大器在采用电流负反馈后，比例电磁铁线圈的转折频率

ω明显增大，e

这有利于消除线圈电感对比例电磁铁频宽的影响。

⑤ 衔铁弹簧组件的传递函数

xsK()11

eet

Ws()

=== e

Δ++++

ωω ee

δ—衔铁-弹簧组件的阻尼比；

δ=

e e

根据图3.2，可求得衔铁的输出位移为

sfsmsBsK2()δ eeeeet

（3.13）

ω=

式中

ω—e 衔铁-弹簧组件的谐振频率； eeteKm

BeKm ete

xs()=

e

KusKsfs()(1)(1)()−+

eegetmeL

ω 2δ

eb

ss

Kss K ω

=3

(1)(1)++++

ωωω meee

KusKsfs()(1)(1)()−+

eegetmeL

meememee

++()1

ωωωωωωω

式中

K ee =

KK ei

KRrKK()++

etcpfie

2211δδ

eeb

ss ++++（）

Ks K

（3.14）

为静态增益常数，m/V。

将式（3.14）特征方程中 s 的三阶方程分解成含有 s 的一阶和二阶的因式： 重庆大学硕士学位论文

舵机系统建模

xs()=

e

KusKsfs()(1)(1)()−+

eegetmeL

sss

(1)(1)+++

ωωω r 2

00

ω 2δ

0

（3.15）

式中

ω—

r 主要由电气转折频率 ω引起的转折频率；m

0ω—主要由弹簧-质量系统的谐振频率 ω引起的二阶环节的固有频率；

e

0δ—二阶环节的综合阻尼系数。

由于先导阀的外负载力几乎为零，故略去负载力的输入，则比例电磁铁以电 压作为输入的传递函数为：

xsK()eee

g

=

ωωω r

ssuss

+++ 2 00

δ 0 2()(1)(1)

（3.16）

3.1.2 功率级滑阀

可将两级电液比例阀看作一个阀控缸系统，主阀芯相当于活塞。则：

经线性化处理，先导阀的流量方程：

=−

（3.17）

vLeqeecvLQKxKP主阀的连续性方程：

QCP=++ AxP vLvtpvLvpvvL

（3.18）主阀芯上力平衡方程：

vkvpvLvtvvtvvtvvFAPmxBxKxFt

Vvtβ e

==+++

()3.19）

（ecK 式中

eqK

—先导阀的流量增益系数； —主阀总泄漏系数；

vpA

—先导阀的流量-压力系数；

vtpC vtV

—主阀芯有效作用面积；

—主阀芯两端液体在压缩下总体积；

—主阀芯及一起被推动的液压油的总质量；

—总弹簧刚度（包括作用于阀芯的弹簧刚度及稳态液动力刚度）； —粘性阻尼及瞬态液动力阻尼系数；

vtm vtB

vtK vFt

()—作用在主阀芯上的外负载力。

对（3.17）、（3.18）、（3.19）进行拉氏变换得：

()()()

（3.20）

=−vLeqvecvLQsKxsKPs

Vvt

()()()()QsCPsAsxssPs =++

（3.21）

vLvtpvLvpvvL β e

2()()()()()=+++

（3.22）

vpvLvtvvtvvtvvAPsmsxsBsxsKxsFs整理可得主阀芯位移为： 重庆大学硕士学位论文

舵机系统建模

xs()

= v

vpeqevcevL

()()− +

VVVKmsKmBsKBAsKK vtvtvtvt 322

++++++()()

vtvcevtvtvcevtvpvcevt 444βββ

eee

vcevcvtpKKC

VAKxsKsF vt 4 β e

（3.23）

式中

=+为总流量-压力系数。

β evpA

mV vtvt

令 ω=，vh

KmBV β vceevtvtvt

ξ vh =+。忽略作用于阀芯上的液

AVAm 4 β vpvtvpevt

vtB 流力，且由于阻尼系数 一般很小，由粘性摩擦力引起的泄漏流量所产生的活塞

KB vcevt Avp

。式（3.23）经简化可得主阀芯 移动速度比活塞的运动速度小得多，即21

位移对先导阀阀芯开口的传递函数：

KAxs pv()eqv =

2ξ

vhVKKKsxs()(1)

vtvtvcevte ++++ ss

222

ωβω 4 AA vhv evpvhp

（3.24）

3.2 阀控液压缸模型

由于阀控缸系统与两级比例换向阀的结构相似，分析过程基本上相同，所以

根据上式可直接写出活塞杆位移为：

AKxsKsF()()− + ppvqvpcepL

xs()=

p VVVK ptptptpt 322

msKmBsKBAsKK++++++()()

ptpceptptpceptpppcept 444βββ

eee

ppA vxs

V pt 4β

e

（3.25）

式中：

—活塞有效作用面积；

pceK

vqK

—主阀的流量增益系数；

()—主阀芯位移；

—主阀总流量压力系数；

ptV

—活塞腔液体在压缩下总体积；

—作用在活塞杆上的任意负载力；

—活塞及负载折算到活塞上的总质量；

ptK

pLF

ptm ptB

—粘性阻尼系数； —负载的弹簧刚度。

ptK 阀-缸组合只是一个为作动器输出功率的元件，没有弹簧负载，所以0

BK ptpce 同时考虑到21 <<[32]。式（3.25）简化得：

App

KKV vqpcept

xssF()()− + vpL

AAA ppppepp

=，xs()= p

4β

ph sss 2ξ

(1)2 ++ ωω ph ph

（3.26）

活塞位移对功率级阀芯开口的传递函数为： 重庆大学硕士学位论文

舵机系统建模

xsKA()

ppp

=()(21)v

vq

sxsss ξ ph

++ 2 ωω p hh p

（3.27）

活塞位移对外负载力的传递函数为：

KV pcept

+ s 22

xsAA()4 β p pppep

=−

（3.28）2ξ

ph sFss pL

(1)2 ++ ωω php h β eppA

式中

ω=

ph为活塞负载系统的固有频率；

mV ptpt

KmBV β pceeptptpt ξ ph =+为相对阻尼系数。

AVAm 4 β ppptppept

3.3 放大器及传感反馈模型

活塞位移经螺旋作动器转化为转角

θ=

zpKx

（3.29）

= 在此系统中经计算得2.75zK

转角反馈传感器，在整个回路中相当于比例环节，其放大系数为

paK。

由式（3.16）、（3.24）、（3.27）、（3.28）（3.29）可画出船舶舵机的方块图，如

图3.4所示。

pLF

KVs

pcept

AA 22()4ppepp β−+ sss(1)22 Δ u

2002(1)(1)ωωωr +++

sss

K ee

δ

ex

ξ vh

2222(1)42 ωωβ vhv ++++h

3KA

eqvp

VKKKsss vtvtv AAevpvp

cevt

K vq vxpxu

A pp

ωω++phph

ξ ph

zK

θ

paK

图3.4 舵机传递函数方框图

Fig.3.4 Transfer function block diagram of steering gear

由图3.4可见，舵机方块图中只含一个反馈回路，即舵叶转角反馈。由于比例

阀一般采用电流负反馈的放大器，所以其控制线圈回路的转折频率 ω很高。同时 r 由于油液的弹性模量很大，功率级滑阀的固有频率远大于先导级的衔铁-弹簧组件 谐振频率，故功率级滑阀相对于先导级阀的动态特性可以忽略。功率级阀弹簧刚 度相对于液压弹簧刚度可以忽略。所以可将舵机方块图简化为如图3.5所示。重庆大学硕士学位论文

舵机系统建模

pLF

KVs pcept

AA 22()4 β−+ ppepp ξ ph sss 2(1)2 ωω++ phph

比例放大器及比例阀

+-Δ u

δ

21200 ωω++ ss

eeK

ex

KA eqvp KKs

+ vcevt 2

Avp

K vxpxu vq

A pp

+-

zK

θ

paK

图3.5 舵机简化传递函数框图

Fig.3.5 Simplified transfer function block diagram of steering gear

由图3.5可得舵机输出对输入的开环传递函数为：

KKKKAA eeeqvqzvppp

GS()

= 2ξ

ph KKss 2δ

0 vcevt

ssss()(11)+++++)(22 Avp ωω ωω

0 0 phph

（3.30）

3.4 相关参数及系统稳定性

控制系统的稳态误差有两类，即给定误差和扰动误差。对于随动系统，给定 的参考输入是变化的，要求响应以一定的精度跟随给定的变化而变化，其响应的 期望值就是给定的参考输入。所以，应以系统的给定误差去衡量随动系统的稳态

t 性能。假设操作人员在操舵时是匀速转动舵轮的，则输入为斜坡函数θω =。其稳

态误差终值：

srsrtseetsRsGs →∞→==+=

lim()lim()

0

ω KKA vcevtvp KKKKA eeeqvqzpp

1()

0.015ω≈

（3.31）

由式3.31可知，稳态误差与转舵的速度有关，转舵速度越快其稳态误差越大，π

rads 转舵速度越慢，稳态误差越小。当/ω =，即每秒转60度时，稳态误差为 3

0.0157 sre =。相对于舵角精度小于0.5度，其稳态误差量可以忽略不计，所以此系

统稳态误差完全满足要求。

影响系统动态性能的主要是比例阀和液压缸的频率0ω和ω。ph 0δ为比例阀的阻 尼比，其值变化较大，根据前人经验一般取0.4～0.6； ξ为液压缸阻尼比，根据 ph 经验，空载时为0.1～0.2，当负载增加时 ξ值也略有增加。

ph

液压缸、比例阀及其放大器等相关参数见表3.1 重庆大学硕士学位论文

舵机系统建模

表3.1 系统参数

Table 3.1 System parameters

名

称 数

值 备

注

活塞直径

D

0.4 m

活塞杆直径 d

0.18

m

油缸 有效作用面积 ppA

0.12 m

油腔溶剂系数

eV

eppVAs=i

随初始位移变化而变化

转角传感器

paK

固有频率0ω 75/ rads

额定流量 SQ

160/min L

在压降为1

额定电流

rI

0.8A

阻尼比0δ 0.5~0.7 此系统取0.6

比例额定压差

NP

1aMP

阀 阀芯直径1d

0.02m

流量系数

dC

0.6

流量增益系数

1()sqdppKCw−=i

qK

ρ

10.5[]ρ=()−

ii

cK

cdvsKCwxpp油液密度ρ 8503/

kgm

油液

油液粘度υ 3.92/

ekgsm−i

弹性模量 β 700e

～1400 aMP 取 1000

将表中数值带入式（3-30），可得舵机闭环传递函数：

GS()

= 1.2110×

ssssss6544536278++×1681.39105.58107.6105.86101.2110 +×

+×+×+×

系统的特征方程为：

ssssss65445362781681.39105.58107.6105.86101.2110++× +×+×+×+×=0

将各系数排列成劳斯表，并计算出各个行列值[33]

s 6

41.3910×

67.610×

81.2110×

5s

168

55.5810×

75.8610×

0

4s

41.0610×

67.2510×

81.2110×

0

=−π

22()

ppADd 4

aMP

时

流量-压力增益系数

aMP

随负载变化而变化

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舵机系统建模

3s

54.410×

75.6710×

0

2s

65.8610×

81.2110×

s

74.7610×

s 0

81.2110×

由于系统特征方程的各项值都为正数，且劳斯表第一列都为正号。根据劳斯-

赫尔维茨稳定性判据，该系统是稳定的。

由Matlab可得闭环系统对阶跃信号的响应图如图3.6所示

图3.6 闭环系统阶跃响应

Fig.3.6 Step response of closed-loop system

由图3.6可知，舵机闭环系统动态特性虽然无超调量无误差，但反应时间较长，在缓慢操舵时没有问题，但在遇到特殊情况船舶较快转向时舵机可能无法跟随操 作命令作出迅速反应。为了能达到较好的操舵性能必须对舵机系统加校正环节使 其达到更好的性能。

3.5 本章小结

根据第二章设计的液压传动系统，建立了比例阀、阀控缸，传感器等环节的 数学模型，经适当处理得到了舵机系统模型。根据模型计算了系统稳态误差，分 析了系统稳定性。由系统的动态响应图可知，闭环系统响应较慢，不能满足高性 能舵机的要求，为下一章系统校正装置的设计奠定了基础。重庆大学硕士学位论文

控制算法及系统仿真 控制算法及系统仿真

在实际生产过程中许多被控对象随负载变化或干扰因素影响，其对象特性或

结构发生变化，且实际应用的大部分系统都存在非线性时变因素，这对于依赖控 制对象精确模型的控制策略具有很大的影响，其控制效果将大打折扣有时甚至不 起作用。因此，在实际生产过程中，大量采用的仍是PID算法。有人估计现在有 90%以上的闭环控制仍采用PID控制器。这是因为PID控制具有以下的优点[34,35]：

① 不需要被控对象的数学模型

自动控制理论中的分析和设计方法主要是建立在被控对象的线性定常数学模

型基础上的。这种模型忽略了实际系统中的非线性和时变性，与实际的系统有较 大差距。对于许多实际控制对象，根本无法建立准确的数学模型，因此自动控制 理论中的很多设计方法很难用于大多数控制系统。对于这一类系统，使用PID控 制可以得到比较满意的效果。

② 结构简单，容易实现

PID控制器的结构典型，计算工作量较小。需要整定的参数少，各参数有明确 的物理意义，参数调整方便，容易实现多回路控制、串级控制等复杂控制。

③ 有较强的灵活性和适应性

根据被控对象的具体情况，可以采用PID控制器的多种变种和改进的控制方

式，例如PI、PD、带死区的PID、积分分离PID和智能PID等。

PID控制系统原理框图如图4.1所示。系统由PID控制器和被控对象组成。

图4.1 PID控制原理图

Fig.4.1 Schematic diagram of PID control

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值xin(t)与实际输出值yout(t)构成

控制偏差：

etxintyoutt()()()

（4.1）

=−PID的控制规律为： 重庆大学硕士学位论文

控制算法及系统仿真

Tdet()1

utketetdt()(()())

=++p ∫

（4.2）

Tdt 0 I

tD

4.1 模糊自适应PID控制[36～40]

虽然PID校正有很多优点，但它存在参数修改不方便、不能进行在线自动调 整等缺点。如果能够实现PID参数的自动调整，则PID控制器的适应性将更好。目前，要实现PID参数自动调整，应用较多的是采用被控对象在线辨识，然后根 据一定的控制要求，对PID控制器的参数进行修改。但应用辨识方法，必须建立 被控对象精确的数学模型，当被控对象存在结构非线性、参数时变性或模型不确 定性时，辨识效果很难奏效，就不能体现出PID控制的优势。船舶工作环境恶劣，加上舵机液压系统的不确定性因素以及微机控制和数字化等问题，普遍存在较大 程度的外负载干扰、参数变化以及非线性因数。这些不确定的非线性因数和参数 时变，使得舵机系统很难建立非常精确的数学模型，传统的控制策略很难满足其 控制需要[35]。

随着微电子技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的实际操作经

验作为知识存入微机中，微机根据现场实际情况，自动计算调整PID参数，这样 就形成了智能PID控制器。这种控制器把古典的PID控制与先进的专家系统相结 合，实现系统的最佳控制。这种控制必须首先将操作人员(专家)长期实践积累的经 验知识用控制规则模型化，然后运用推理对PID参数进行调整实现最佳控制。

由于操作者经验不容易精确描述，控制过程中各种信号量及评价指标不好定

量表示，模糊理论是解决这一系列问题的有效途径，所以人们应用模糊数学的基 本理论和方法，把规则的条件及操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则及有 关信息作为知识存入微机知识库中，然后微机根据控制系统的实际响应情况，应 用模糊推理，即可自动实现对PID参数的最佳调整，这就是模糊自适应PID控制。目前模糊自适应PID控制器有多种结构形式，但其工作原理基本一致。

模糊自适应PID控制器一般以误差 e 和误差变化 ec 作为二维模糊控制器的输

入，可以满足不同时刻的 e 和 ec 对PID参数调整的要求。利用模糊控制规则在线 对PID参数进行修改，便构成了模糊自适应PID控制器，其结构如图4.2所示。

de dt

Δ

PK

Δ

IK

Δ

DK

图4.2模糊自适应PID控制器结构图

Fig.4.2 Frame diagram of adaptive fuzzy PID control

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控制算法及系统仿真

PID参数模糊自整定是找出PID三个参数的增量与 e 和 ec 之间的模糊关系，在

运行中通过不断检测 e 和 ec，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满 足不同 e 和 ec 时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。

4.2 模糊控制器设计[41～43]

船舶舵机模糊控制系统，主要实现舵叶的角度调节，即转角控制；其次满足船 舶舵机工作过程中的各种开关量控制。在转舵过程中主要物理量，即舵叶转角，其控制范围和精度要求为：-35o～+35o，精度0.3 左右。

extyt 由于舵机系统采用的是单变量调节方法。设偏差()()=−的语言变量为

E，取其相应的模糊子集为PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB；论域量化等级为 {-3，-2，-1，0，1，2，3}。又设偏差变化12 =ceee −的语言变量为

EC，其相应的

O

模糊子集为PB，PS，ZO，NS，NB，论域量化等级为{-2，-1，0，1，2}。按工 人操作经验确定模糊子集和隶属度函数，见表4.1～4.4。PID参数的语言变量为、、的增量 Δ、Δ与

Δ，相应模糊子集为o、、。根据本课题 PIDKKK PKIKDK rtLMN 实际情况，并参考前人用模糊控器控制船舶舵机的经验，Δ 论域范围定义为[-6，PK 6]，Δ论域范围定义为[-1.2，1.2]，Δ论域范围定义为[-0.3，0.3]。变量均划分 IK DK 为7个等级。

表4.1 e 的量化域

Table 4.1 Quantify domain of e

量化域(-15,-10](-10,-5](-5,-0.2](-0.2,0.2](0.2,5](5,10](10,15] 等级-3-2-1 0 1 2 3

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表4.2 隶属度函数

μ A

Table 4.2 Membership function

μ A

等

uA

级

-3-2-1 0 1 2 3

E

A

1(PB)0 0 0 0 0.1 0.4 1

A 2(PM)0 0 0.2 0.3 0.5 1 0.4

A 3(PS)0 0.2 0.5 0.7 1 0.5 0.1

A 4(ZO)0 0.3 0.7 1 0.7 0.3 0 A 5(NS)0.1 0.5 1 0.7 0.5 0.2 0 A

6(NM)0.4 1 0.5 0.3 0.1 0 0

A 7(NB)1 0.4 0.1 0 0 0 0

表4.3 ec 的量化域

Table 4.3 Quantify domain of 量化域 [-6,-3](-3,-0.1](-0.1,0.1](0.1,3](3,6] 等级-2-1 0 1 2

表4.4 隶属度函数

μ B

Table 4.4 Membership function

等

uB

级

-2-1 0 1 2

EC

B 1

(PB)0 0 0 0.5 1

B

(PS)0 0 0.5 1 0.5 B 3

(ZO)0 0.5 1 0.5 0 B

NS)0.5 1 0.5 0 0

B

5(NB)1 0.5 0 0 0

ec

μ B

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①

PK

控制器。PID控制器中，比例系数

PK

PK

增大，可以加快系统响应速度，减少系统稳态误差，提高控制精度；但 统不稳定。反之减小

PK

过大，会使系统产生超调，甚至导致系，能使系统稳定裕度增大，减少超调量，但会降低调节精

PK 度，使过度时间延长。因此，实现 性。的自调整将可以随时改变系统的静态动态特

根据系统控制中对过渡过程的要求和专家经验，通常在偏差较大时，为了加

快系统的响应速度, 应取较大的

PK

；当偏差和偏差变化率为中等大小时, 为了使

PK 系统响应的超调量减小和保证一定的响应速度，为了使系统具有较好的稳态性能，应增大

PK

值应取小一些；当偏差较小时。将输出量 Δ的模糊子集取为PB，PK

PM，PS，ZO，NS，NM，NB，论域量化等级为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，从而得出模糊

控制规则表4.5； Δ的对应模糊子集隶属度见表4.6。

PK

表4.5

Δ的模糊规则

PK

Δ

PK

Table 4.5 Fuzzy rule of

Δ

PK

E

PB PM PS ZO NS NM NB

EC

PB NB NB NB NM NS ZO PS PS NB NM NM NS ZO PS PS ZO NB NS NS ZO PS PS PM NS NM ZO ZO PS PM PM PM NB NS ZO PS PM PB PB PB

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表4.6 隶属度函数

μ

PK

Table 4.6 Membership function

μ

PK

等

uKP

级

KP

-3-2-1 0 +1 +2 +3

L1

(PB)0 0 0 0 0 0.4 1 L(PM)0 0 0 0 0.4 1 0.4 L(PS)0 0 0 0.5 1 0.5 0 L(ZO)0 0 0.4 1 0.4 0 0 L(NS)0 0.4 1 0.4 0 0 0 L6

(NM)0.4 1 0.4 0 0 0 0 L7

(NB)1 0.4 0 0 0 0 0

定义模糊关系 其输出控制

PERAL

=×

PPZzUU

=1

=∪。由此可得到 Δ控制查询表4.7PK

表4.7

；

KPRBL

=×，则

PZPEKPUERECR

=°∧°

Δ查询表

PK

Δ

PK

Table 4.7 Query table of

Δ

PK

E

-3-2-1 0 1 2 3

EC

-2 3 3 2 2 1 0-1-1 3 2 1 1 0 0-2 0 3 1 1 0-1-1-3 1 2 0 0-1-1-2-3 2 1 0-1-2-2-3-3

②

IK

控制器。在PID控制器中，积分作用主要是消除系统的静态误差。加强

积分作用，有利于减小系统静差，但是过强的积分作用，会使系统超调加大，甚 至引起振荡。反之，减小积分作用，虽然有利于系统稳定，避免振荡，减小超调 量，但对消除系统静差不利。通常在偏差较大时，为防止积分饱和,避免系统响应

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控制算法及系统仿真

出现较大的超调，IK

值要小,通常取

IK

= 0；当偏差和变化率为中等大小时，为了

IK 使系统响应的超调量减小和保证一定的响应速度，时, 为了使系统具有较好的稳态性能, 应增大

IK 的取值要适当；当偏差较小

值。

=×

；

=×，则 因此，将输出控制量 Δ的模糊子集为PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB，IK 论域量化等级为{-3,-2,-1,0,1,2,3}。由其模糊关系 =°∧°

IZIEKIUERECR

IERAM

KIRBM

其输出控制

=∪IIZzUU

=1

。由此可得到控制 Δ查询表4.8。

IK

表4.8

Δ查询表

IK

Δ

IK

Table 4.8 Query table of

Δ

IK

E

-3-2-1 0 1 2 3

EC

-2 2 3 2 2 1 0 0-1 1 2 2 1 0 0 0 0 0 1 1 0-1-1 0 1 0 0 0-1-2-2-1 2 0 0-1-2-2-3-2

③

DK

控制器。在PID控制器中，微分作用主要是针对具有大惯性的被控对象，DK 改善其动态性能。增大微分系数，有利于加快系统响应，使系统超调量减小，DK 稳定性增加，但对扰动敏感，抑制外扰能力减弱。若 前制动，从而延长调节时间，反之若

DK

过大，会使得响应过程提

不应取定值。当偏差

过小，调节过程的减速将会滞后，过程超

DK 调增加，系统响应变慢。因此，对于时变且不确定系统，较大时, 为防止因开始时偏差的瞬间变大可能引起的微分过饱和而使控制作用超

出许可范围, 应取较小的 DK；当偏差和变化率为中等大小时，DK的取值对系统影

响很大应取小一些；当偏差较小时，为避免输出响应在设定值附近振荡, 以及考虑 系统的抗干扰能力, 应适当选取 DK。其原则是: 当偏差变化率较小时，DK取大一

些;当偏差变化率较大时，DK

取较小的值, 通常

DK

为中等大小。

=×

；

=×，则 因此，将输出控制量 Δ的模糊子集为PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB，DK 论域量化等级为{-3,-2,-1,0,1,2,3}。由其模糊关系

DZDEKDUERECR

DERAN

KDRBN

=°∧°

其输出控制

DDZzUU

= 1

=∪

。由此可得到控制 Δ查询表4.9。

DK

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表4.9

Δ查询表

DK

Δ

DK

Table 4.9 Query table of

Δ

DK

E

-3-2-1 0 1 2 3

EC

-2 2 2 2 1 1 0 0-1 2 1 2 1 0 0 0 0 1 1 1 0-1-1-1 1 0 0 0-1-2-1-2 2 0 0-1-1-2-2-2

对于此系统，我们先计算得到三个参数的查询表，并将其输入PLC控制器中。

系统运行过程中，只需计算误差和误差变化率，直接从表中查询数据，再将数据 与原控制参数叠加，以此实现对PID参数的在线自校正。这样做能有效减少控制 器的运算量，提高响应速度，其工作流程图如图4.3所示。

ekeck(),()

ΔΔΔ，PIDKKK

ekxkyk()()()= −

eckekek()()(1)=−−

ekek(1)()− =

图4.3 模糊PID在线自整定工作流程

Fig.4.3 Online self-tuning workflow of fuzzy PID

PIDKKK ,，4.3 舵机系统仿真[44～48]

MATLAB是由美国MathWorks公司开发的优秀的控制系统计算机辅助设计软

件。MATLAB语言是一种用于科学工程计算的高效率高级语言，它在数值计算、数字信号处理、系统识别、自动控制、时域分析与建模、优化设计、动态仿真等 方面表现出一般高级语言难以比拟的优势。其强大的矩阵运算能力和完美的图形

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可视化功能使得它成为控制领域应用最广的工具。MATLAB软件中的SIMULINK 工具箱可以对动态系统模型进行数字仿真，并且其图形化设计界面使得构件系统 模型更加直观、方便。SIMULINK支持连续和离散系统以及连续离散系统，也支 持线性与非线性系统，常用来仿真较大且复杂的系统。利用SIMULINK工具，用 户可以容易的实现模型的创建，大大降低仿真难度。

本文利用SIMULINK工具箱建立舵机仿真模型。建立的舵机数学模型，是一

个闭环控制系统，该系统的一个主要输入是操作人员预设置的舵转角，该输入经 控制器、比例阀、液压缸等元件后，输出的实际转角经传感器反馈，与设定值作 对比。其动态仿真模型如图4.4所示。

图4.4 动态仿真模型

Fig.4.4 Dynamic simulation model

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图4.5 阶跃响应

Fig.4.5 Step response

图4.6 输入正弦信号频率分别为1、2、3、4

ZH时系统响应

Fig.4.6 Frequency response of the system for Input sinusoidal signal which frequency is one or two

or three or four

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控制算法及系统仿真

由传递函数可知，舵机系统由一个惯性环节、一个微分环节、两个振荡环节

组成。由图4.5可知，在未加校正时，由元器件组成的闭环系统虽无超调量，但其 响应时间较长大约为7s；在加入PID校正后，系统响应时间有了明显的改善，响 应时间缩短到约5s，但同时最大超调量也随之增加，达到了8%左右，此时基本上 能够满足系统的需要；在采用模糊PID控制后，系统响应缩短到3.5s，超调量控 制在5%以内，系统误差也得到了有效减少。

跟随性是衡量随动系统性能的一个重要指标。由图4.6可看出，在输入正弦信

号频率为1 ZH时，无校正闭环响应无法快速跟随输入变化，响应仅为输入的60%

左右，且最开始半个周期与后面周期相比，超调量较大，PID调节及模糊PID都 能较好地跟随输入信号；随着输入频率的提高，无论是无校正闭环、常规PID调 节还是模糊PID调节的跟随性能都将下降，在输入正弦信号频率为

4ZH时，模糊 PID能够保持响应为输入信号的80%，常规PID能够保持70%，无校正闭环为25%，且其前半周期与后面周期的差别更大。综上所述，模糊PID控制使系统闭环快速 性及跟随性能比常规PID控制有了较明显的提高。对于本舵机系统，模糊 PID 控 制优于常规 PID，更能适应工况的变化。

4.4 本章小结

本章介绍了PID及模糊控制原理，为充分利用PID控制优势，提高PID控制

适应性，根据舵机实际情况选择了模糊PID控制方案，设计了舵机模糊控制器。并对舵机闭环、常规PID调节和模糊PID调节三种控制方式进行了仿真比较。得 出模糊PID控制可使舵机获得较好的动态性能，适合高性能舵机的需要。

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基于CAN总线的分布式PLC控制系统 基于CAN总线的分布式PLC控制系统

5.1 CAN总线 [49～51]

CAN 是Controller Area Network（局域网控制器）的缩写，主要是用于各 种过程监测与控制的一种网络，是目前国际上应用最广的总线之一。最初CAN 是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换 而开发的一种串行数据通信协议。由于CAN卓越的特性和极高的可靠性，所 以非常适合工业过程监控设备互联。随着CAN高层协议的不断发展，其应用 范围不仅局限在汽车工业领域，在工业自动化、过程控制、工程机械、船舶 运输、医疗仪器以及建筑、环境监控等领域都在迅速发展。

由于采用了许多新技术及独特的设计，CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点包括如下：

① CAN为多主工作方式，网络上任何一节点均可在任意时间主动地向

网络上其他节点发送消息，而不分主从。

② 在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的

实时要求，优先级高的数据最多可在134微秒内得到传输。

③ CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出

现冲突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不 受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其在网络负 载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况。

④ CAN节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多

点及全局广播等几种方式传送接收数据。

⑤ CAN的直接通信距离最远可达10Km（速率在5kbps以下），通信速

率最高可达1Mbps（通信距离最长为40m）。

⑥ CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。在标准

帧报文标识符有11位，而在扩展帧的报文标识符（29位）的个数几乎不受限 制。

⑦ 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，数据出错率极低。

⑧ CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效

果。

⑨ CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上

其他节点的操作不受影响。

⑩ CAN总线具有较高的性能价格比。它结构简单器件容易购置，每个

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基于CAN总线的分布式PLC控制系统

节点的价格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工 具。

CAN总线的通信线路由两条导线组成，分别为CAN-H和CAN-L，网络中所

有节点均挂接在这两条线路上，并通过它进行通信。CAN通信线路的总线值为 两种互补逻辑数值之一：“隐性”或“显现”。显性数值表示逻辑“0”，隐性数值 表示逻辑“1”。当在总线上出现同时发送显性和隐形位时，其结果是总线数值 为显性。在隐性状态下，VCAN-H和VCAN-L被固定于平均电压电平，Vdiff近似为0。在总线空闲或隐性位期间，发送隐性状态。显性状态以大于最小 阀值的差分电压表示，如图5.1所示。

V

VCAN-H

Vdiff

Vdiff

VCAN-L

隐形位隐形位显形位

时间t

图5.1总线位的数值表示

Fig.5.1 Bit Values of bus

由于CAN技术应用的普遍推广，这就要求通信协议的标准化。为此，1991

年9月Bosch公司制定并发布了CAN技术规范（Version2.0）。该规范包括A和B 两部分，2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，而2.0B 给出了标准和扩展的两种报文格式。此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通 运输工具—数字交换—高速通信控制器局域网（CAN）国际标准（ISO11898），为 CAN进一步标准化、规范化起到了重要的作用。

5.1.1 CAN总线通信协议

CAN总线作为一种国际标准，也遵从网络标准模型。不过由于CAN的数据

结构简单，又是范围较小的局域网，因此根据ISO/OSI参考模型，CAN只采用 了其中的物理层、数据链路层和应用层。物理层又分为物理层信号（PLS）、物理 媒体连接（PMA）及介质从属接口（MDI）三部分，完成电气的连接、实现驱动 器/接收器特性、同步、定时、位编码解码等功能。数据链路层分为逻辑链路控制（LLC）与媒体访问控制（MAC）两部分，分别完成验收滤波、过载通知、恢复 管理，以及数据包装/解包、帧编码、介质访问管理。出错检测、应答等功能，如

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基于CAN总线的分布式PLC控制系统

图5.2所示。实际应用CAN总线时，用户可根据需要实现应用层的功能。由于应 用层协议数据直接取自数据链路层或直接向链路层写数据，结构层次大为简化，所以系统控制信号的实时传送性能大幅度提高。

图5.2 CAN总线ISO/OSI参考模型层结构

Fig.5.2 ISO/OSI reference model of CAN bus

5.2 CANopen协议[51]

CAN总线仅仅定义了物理层和数据链路层，而没有规定应用层，本身并不完

整，需要一个高层协议来定义CAN报文中的11/29位标识符、8字节数据的使用。而且，基于CAN总线的工业自动化应用中，越来越需要一个开放的、标准化的高 层协议：这个协议支持各种CAN厂商设备的互用性、互换性，能够实现在CAN 网络中提供标准的、统一的系统通讯模式，提供设备功能描述方式，执行网络管 理功能。CANopen协议在这种需求下应运而生，此协议是在20世纪90年代末，由CiA组织（CAN-in-Automation）在CAL（CAN Application Layer）的基础上发 展而来，一经推出便在欧洲得到了广泛的认可与应用。经过对CANopen协议规范 文本的多次修改，使得CANopen协议的稳定性、实时性、抗干扰性都得到了进一 步的提高。并且CIA在各个行业不断推出设备子协议，使CANopen协议在各个行 业得到更快的发展与推广。目前CANopen协议已经在运动控制、车辆工业、电机 驱动、工程机械、船舶海运等行业得到广泛的应用。

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如图5.3所示为CANopen设备结构图，CANopen协议通常分为通讯、对象字

典、以及用户应用层三个部分

图5.3 CANopen设备结构图

Fig.5.3 Schematic diagram of CANopen equipment

通信接口和协议软件提供在总线上收发通信对象的服务。不同CANopen设备

间的通信都是通过通信对象完成的。这一部分直接面向CAN控制器进行操作。

对象字典描述了设备使用的所有数据类型、通信对象和应用对象，是一个

CANopen设备的核心部分。对象字典位于通信程序和应用程序之间，向应用程序 提供接口。

5.3 控制电路实现

船舶在航行时根据不同的情况需要不同的操舵模式，常用的有手动应急操舵，随动操舵和自动操舵（目前主要是使船舶保持在固定航向上）。根据实际需要设计 了基于CAN总线的PLC控制的舵机原理方块图，如图5.4所示。其工作原理为：由 舵轮产生一个转向及转速信号，通过转角传感器，经A/D转换为相应的数字信号输 入PLC1中，与经PLC2的D/A并通过CAN总线传送到PLC1的舵角反馈信号比较，比 较后得到的偏差信号经过校正运算，得到控制信号，PLC1将控制信号经CAN总线 传送到PLC2，D/A转换后发送到比例放大器中，比例放大器根据控制信号的正负 及大小驱动比例电磁铁，从而推动功率级阀芯产生一定的开口，使液压油能够进 入液压缸推动螺旋作动器运动，最终带动舵叶转动。舵转动后由舵角检测传感器 产生舵转角信号，经A/D转换变成数字信号通过CAN总线传输到主控制器中与输入 信号继续比较，如此形成闭环控制周期。系统控制功能图如图5.5所示[52]，控制流 程图如图5.6所示。

重庆大学硕士学位论文

基于CAN总线的分布式PLC控制系统

图5.4 舵机控制原理图

Fig.5.4 Schematic diagram of steering gear control

图5.5 控制功能图

Fig.5.5 Function diagram of control

重庆大学硕士学位论文

基于CAN总线的分布式PLC控制系统

图5.6 控制流程图

Fig.5.6 Flow diagram of control

5.3.1 主电路设计

电源开关主泵电机备用泵电机变压器及急停开关及控制部分熔断器主泵、备用泵电机控制PLC控制

QS

A QA

FU3 B FU4L1 24V电源C FU5

N FU1

FU2

FU6 KN1.0 KM1.0 HL1

FR1

KN1.1 KM1.1 0V

KM1.0

KM2.0

N KN1.2 KM1.2

KN2.0FR1

KM2.0 3

FR2

FR2

KM2.1KN2.1 KN2.2 KM2.2

U1 V1W1

YA1KA1

KM1.2

M1

M2 KM2.2

YA2KA2

U2 V2W2

KM1.1

KM2.1

图5.7 电气控制主电路图

Fig.5.7 Main circuit of electrical control

TC

220V

PLC

第五篇：山东众力液压技术股份有限公司股权挂牌交易说明书摘要pdf_百解读

山东众力液压技术股份有限公司天津股权交易所 挂牌交易说明书摘要 保荐机构

济南恒银股权投资合伙企业(有限合伙 2013年12月18日 目录

第一章扉页(1

一、重要声明与提示(1

二、释义(1 第二章风险因素(4

一、行业周期风险(4

二、公司管理水平滞后风险(4

三、市场竞争的风险(4

四、技术风险(5

五、原材料成本价格风险(5

六、技术人才流失或不足的风险(6

七、实际控制人和控股股东控制风险(6

八、短期偿债风险(6 第三章公司基本情况(8

一、公司概况(8

二、公司股权结构及股东情况(9

三、公司业务(11

四、公司会计信息(12

五、利润分配政策(20

六、发展规划概况(20 第四章挂牌各方当事人(23

一、挂牌公司基本情况(23

二、本次挂牌交易的有关机构(23 第一章扉页

一、重要声明与提示

本说明书摘要的目的仅为向投资者提供有关本次挂牌交易的基本情况,投资者在作出交易决定之前,应仔细阅读挂牌交易说明书全文,并以其作为投资决策依据。现就本次挂牌交易事宜作如下声明和提示:

一、本公司董事会保证本说明书摘要内容真实、准确、完整,全体董事承诺对本说明书摘要的虚假记载、误导性陈述或重大遗漏负连带责任。

二、本公司提醒投资者注意,凡本说明书摘要未涉及的有关内容,请投资者仔细阅读挂牌交易说明书全文或通过天津股权交易所向本公司查询。

三、根据《公司法》及有关法律、行政法规和天津股权交易所有关规定,本公司董事、监事、高级管理人员已依法履行诚信和勤勉尽责的义务和责任。

四、天津股权交易所以及有关备案机构对本公司股权挂牌交易及有关事项的意见,均不表明对本公司的任何保证。

五、天津股权交易所不承担任何由于政策和市场变化给股权挂牌交易和投资者带来的风险。

二、释义

在本股权挂牌交易说明书中,除非另有说明,下列简称具有以下含义: 本公司、公司、众力液压指山东众力液压技术股份有限公司 众力有限指山东众力液压技术有限公司

股权定向发行指采用非公开方式,在天津股权交易所核准后向特定对象发行股份。

控股股东、实际控制人指秦洪明

董事会指山东众力液压技术股份有限公司董事会 监事会指山东众力液压技术股份有限公司监事会 天交所指天津股权交易所有限公司 公司法指《中华人民共和国公司法》 证券法指《中华人民共和国证券法》

公司章程指《山东众力液压技术股份有限公司章程》 保荐机构、保荐人、济南恒

指济南恒银股权投资合伙企业(有限合伙 银

报价商指济南恒银股权投资合伙企业(有限合伙 律所、邦盛律所指北京市邦盛(济南律师事务所

审计机构、会所、大正会所指德州大正有限责任会计师事务所 验资机构指德州大正有限责任会计师事务所 祥光精饰指沂水县祥光金属表面精饰有限责任公司 许家湖信用社指山东省农村信用社沂水联社许家湖信用社 工商银行沂水支行指中国工商银行股份有限公司沂水支行 民生银行临沂分行指中国民生银行股份公司临沂分行 沂水县工商局指沂水县工商行政管理局 临沂市工商局指临沂市工商行政管理局

报告期、两年一期指2011、2012、20131月-11月企业产品和行业专业词语释义: 气动元件通过气体的压强或膨胀产生的力来做功的元件,即将压缩空气 特别说明:本说明书中部分合计数与各分项数值之和如存在尾数上的差异,均为四舍五入原因造成。的弹性能量转换为动能的机件。

液压传动 以液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。液压 传动系统一般由动力元件、执行元件、控制调节元件、辅助元 件和工作介质组成。

液压缸 油缸或液压油缸,是液压系统中的一种重要执行元件,其功能 就是将液压能转变成直线往复式的机械运动。液压缸一般由缸 筒、缸盖、活塞、活塞杆、密封装置与缓冲装置等部分组成。缸筒

缸筒是液压缸的主体,其内孔一般采用镗削、铰孔、滚压或珩 磨等精密加工工艺制造,使活塞及其密封件、支承件能顺利滑 动,从而保证密封效果,减少磨损;缸筒要承受很大的液压力, 因此,应有足够的强度和刚度。

缸盖 缸盖安装在缸体的上面,从上部密封气缸并构成封闭空间。它 经常与高温高压燃气相接触,因此承受很大的热负荷和机械负 荷。

活塞杆 活塞杆是支持活塞做功的连接部件,大部分应用在油缸、气缸 运动执行部件中,是一个运动频繁、技术要求高的运动部件。其加工质量的好坏直接影响整个产品的寿命和可靠性。活塞杆 加工要求高,其表面粗糙度要求为Ra0.4~0.8um ,对同轴度、耐磨性要求严格。

密封件 密封件是指安置在液压与气压传动系统及其元件中,防止工作 介质的泄露及外界尘埃和异物的入侵,起密封作用的元件,常 由橡胶材料合成。

抛光

指利用机械、化学或电化学的作用,使工件表面粗糙度降低, 以获得光亮、平整表面的加工方法。第二章风险因素

一、行业周期风险

经济发展都具有一定的周期性特征。公司所处的液压缸行业为挖掘机等大型基建设备、海洋工程设备、港口船舶、大型工业设备等重型装备关键配套件行业,其发展与宏观经济形势具有较强的相关性。“十二五”期间,受我国城镇化步伐加快、重大工程开工、以及我国机械装备制造业升级改造需求的带动,装备制造业的固定资产投资仍将十分强劲。但是,如果国家宏观经济政策转向紧缩,企业压缩投资规模或降低投资速度,则将对液压设备及配套液压机械行业的整体需求和经营情况产生不利影响。

应对措施:近两年,公司业务受上游机械行业需求不振的影响较大,但公司仍然保持了稳定发展的势头。一方面,公司不断拓展销售渠道,通过增加供应商、产品出口抵消国内需求下降的负面影响。另一方面,公司正在开展的高端密封件研发项目投产以后,将实现公司产品的多元化,降低行业风险对公司经营的影响。

二、公司管理水平滞后风险

公司的不断发展壮大对公司管理层提出了越来越高的要求。公司需要不断完善管理制度、建立健全与企业发展状况相适应的内控制度、进一步提升管理能力以适应发行人经营规模的迅速扩大。如果发行人管理层不能适时完善管理体制,未来可能存在管理水平滞后,不能满足公司业务发展的管理风险。

应对措施:公司已完善了治理结构,设有股东大会、董事会、监事会和经理层等决策、监督及经营管理机构。一方面,公司已经建立了完整的组织机构,并制定了相应的内部管理和控制制度,使各部门之间分工明确、各司其职、相互配合,构成一个

有机整体,保证公司管理运作有序。另一方面,公司注重对管理人员的培训和锻炼,不断提升公司的管理能力。

三、市场竞争的风险

目前,在高端液压机械领域,国内生产规模较大、技术工艺较为成熟、产品性能好且可靠性强、业内口碑较好的企业较少。经过多年的发展,众力液压已在

核心产品、技术创新、生产能力、市场品牌等方面形成了较强优势,并在主要产品技术方面具备了替代进口的能力,但如果公司不能抓住有利时机扩大现有优势产品的生产能力并及时进行产品的升级换代,迅速扩大竞争优势,则可能面临较大的市场竞争风险。

应对措施:公司正积极进行产品升级和产品结构调整,提高公司产品的市场竞争能力。加强与现有客户的沟通,了解客户需求,提升合作水平。同时逐步实现公司产品的多元化,提高公司的市场竞争能力。

四、技术风险

随着科学技术的发展及与装备制造等相关产业的发展,客户对公司现有产品在技术和质量上提出了更高的要求,如果本公司不能准确预测产品的市场发展趋势,及时研究开发新技术、新工艺及新产品,或者科研与生产不能同步跟进,满足市场的要求,产品可能面临被淘汰的风险。此外,如果公司生产所依赖的技术被淘汰,公司的生产经营将会受到较大的影响。

应对措施:创新与研发是公司持续发展的源动力,公司一直注重新产品的研发与现有技术的改造,技术研发投入不断提高。同时,公司高度重视与高等院校、科研院所的合作,通过共同研发和技术引进增强企业的科技水平,力争使公司的研发水平保持在同行业的前列。

五、原材料成本价格风险

液压企业生产所需主要原材料包括钢材锻件、密封件等,而上述原材料成本在企业生产中可以占主营业务成本的比例较高。虽然公司产品价格会随原材料成本变动做相应调整,但产品价格调整具有滞后性,如果产品价格调整不能抵销原材料价格变动的影响,或上述原料库存调配不合理,原材料的价格波动将直接影响公司产品制造成本的变动,从而影响公司的利润。

应对措施:首先,随着我国钢铁产能过剩及钢材需求增幅的下降,钢材价格大幅上涨的可能性较小。其次,公司采购部门一直密切关注原材料价格动向趋势,做好批量采购,加强原材料管理,严把进料关。最后,公司一直严把生产质量关, 降低次品率,最大幅度的降低生产成本。

六、技术人才流失或不足的风险

公司发展与高级管理人员和核心技术人员的贡献密切相关。公司已制定并实施了针对上述核心人员的绩效激励和约束制度,但随着市场竞争的不断加剧,液压行业对专业人才需求加大,仍不排除核心技术人员流失的风险。此外,随着市场竞争的加剧和客户需求的不断提高,必然扩大对技术人才的需求,公司也将面临技术人才不足的风险。

应对措施:公司经过十余年的发展,高级管理人员与核心技术人员相对稳定。企业十分注重培育企业文化,通过企业文化建设增强员工向心力和团队凝聚力,通过定期或不定期的培训提高员工的素质。随着公司效益的提升,不断提高员工待遇,丰富员工福利。

七、实际控制人和控股股东控制风险

公司董事长、法定代表人秦洪明为公司控股股东、实际控制人。虽然公司建立了较为完善的公司治理制度,但公司的实际控制人仍可凭借其控股地位,通过行使表决权等方式对公司的人事任免、生产和经营决策等进行不当控制,从而损害公司及公司中小股东的利益。

应对措施:目前公司在业务、资产、人员、财务及机构上已经独立运作,不存在被实际控制人和控股股东操纵的现象。公司已建立了规范的法人治理结构,对股东的权利义务以及参与公司决策的程序做出了规定,及加强对大股东的规范和对中小股东权益的保护。此外,作为公司的实际控制人和控股股东已做出书面承诺,将严格按照《公司法》及《公司章程》的有关规定,不侵犯公司及其他股东的合法权益,不利用其大股东地位做出有损于其他股东权益的行为。

八、短期偿债风险

2013年11月30日的资产负债率为79%,处于较高水平。如果宏观经济形势发生不利变化或者信贷紧缩,同时公司销售回款速度减慢,则公司正常运营将面临较大的资金压力。

应对措施:公司资产负债率较高主要是由于公司引进的高端密封件项目目前处于试验调试阶段,资金投入较大。另一方面,公司对其子公司祥光精饰投资,而其主营的镀铬、镀锌业务投资回收周期长。

公司主要供应商相对稳定,主要客户大多为国内的知名企业,商业信用良好;同时公司针对应收账款建立了严格的管控制度,货款能够及时收回,为偿付到期债务提供了可靠的资金保障。同时,随着子公司祥光精饰的经营日渐完善,公司的投资收益将逐步显现。未来公司高端密封件项目的投产,预计2014年销售收入达到1.5亿元,实现利税4000万元。

第三章公司基本情况

一、公司概况

公司名称:山东众力液压技术股份有限公司 住所:沂水县工业园(经济开发区 注册资本:壹仟贰佰万元

实收资本:壹仟贰佰万元 公司类型:股份有限公司(非上市 成立日期:2003年9月19日 注册号:37***27 法定代表人:秦洪明

经营范围:前置许可经营项目:无。

一般经营项目:生产、销售:液压机械、货物与技术的进出口。(国家法律、行政法规禁止经营的除外,需许可经营的,须凭许可证或资质证经营。

山东众力液压技术股份有限公司成立于2003年,是重型自卸汽车、工程机械液压缸的专业化生产厂家。公司主要产品有重型自卸汽车液压缸及放大架、环保设备液压缸、农业机械装备液压缸、煤机缸、工程机械液压缸、设备用液压缸、液压系统等系列产品。多年以来,公司与中集、重汽、一汽、二汽、东岳、五岳等著名大型企业建立了良好的合作关系,在国内拥有30多家经销商及服务站,并出口韩国、俄罗斯等国家。

公司先后通过了ISO9001、TS16949质量管理体系认证,围绕涉及产品质量形成全过程的各个环节,从人员培训、设计、采购、生产、安装、出厂检验等环节建立了严格的质量控制体系,处于同行业领先水平。

公司为省级企业技术中心,高新技术企业(2012年12月31日到期,现在重新申请中,市级液压缸工程技术中心;已授权实用新型专利11项;研发的新

型自卸汽车多级液压缸,分别获得了山东省中小企业科技进步一等奖、市科技成果二等奖;重型自卸汽车液压缸获得了山东省名牌产品称号。

公司一贯注重自主创新,注重新工艺、新技术的应用,密切同高等院校、科研院所合作,不断提高公司的研发能力、管理水平。公司抓住山东省政府建设山东半岛机械制造业基地的机遇,以高新技术为先导,不断拓展产品种类,形成了具有行业和企业自身特点的新工艺、新技术,促进了产品的更新换代,提高了产品的市场定位。由于产品质量好,企业信誉高,市场占有率不断提高。

二、公司股权结构及股东情况(一股权结构现状

(二公司前十名股东持股情况 序

号姓名性别证件号码持股数量(万股 持股比例

(% 1 秦洪明男37282719630730**** 720 60 2 秦全男37282719520122**** 180 15 3 吴宪云女23112319841226**** 90 7.5 4 秦少华男37***6**** 90 7.5 5 秦皓文男37***9**** 90 7.5 6 济南恒银--*** 30 2.5 合计----1200 100(三公司控股股东及实际控制人情况

公司的股东秦洪明认缴注册资本720万元,占总注册资本的60%,为公司控股股东。秦洪明自公司成立以来的持股情况如下: 时间持股数量持股比例2003.09.19 240万股80% 2009.08.17 640万股80% 2013.12.17 720万股60% 自公司成立以来,秦洪明一直担任公司执行董事兼总经理,2013年11月25日,众力液压召开第一届董事会第一次会议,选举秦洪明为董事长,同日公司聘任秦洪明为公司总经理。

保荐人经核查认为,秦洪明是公司的实际控制人,并自公司设立以来未发生变化。

秦洪明,男,1963年7月出生,大专学历,身份证号:37282719630730****,家住山东省沂水县沂水镇前埠东村144号。1982年参加工作,1982年6月至1990年1月任沂水县沂东木器厂厂长;1990年1月至2003年1月任沂水县沂东油缸厂厂长;2003年

至今创立山东众力液压技术有限公司任执行董事兼总经理。现任公司董事长、总经理。

(四持有5%以上股份股东情况 序

号姓名性别证件号码持股数量(万股 持股比例(% 1 秦洪明男37282719630730**** 720 60 2 秦全男37282719520122**** 180 15 3 吴宪云女23112319841226**** 90 7.5 4 秦少华男37***6**** 90 7.5 5 秦皓文男37***9**** 90 7.5 合计----1170 97.5(五报价商简介和报价商持股情况

1、报价商简介

济南恒银股权投资合伙企业(有限合伙资金规模5000万元人民币,法定代表人:柴修申。济南恒银股权投资合伙企业(有限合伙致力于发现、挖掘具有良好发展前景的优秀企业,推荐企业在股权交易市场挂牌,本着与挂牌企业共同成长的理念,专注于投资挂牌企业股权,助力挂牌企业更快、更好发展,为企业提供保荐服务、报价服务,是在天津股权交易所有限公司注册的合格投资人、报价商和保荐机构。

2、报价商持股情况

报价商济南恒银股权投资合伙企业(有限合伙持有公司股份30万股,占总股本的2.50%。

三、公司业务(一公司主营业务介绍

公司主营业务为液压缸的生产和销售。

液压缸是将液压能转换为往复直线运动的机械能的能量转换装置。液压缸的输入量是流体的流量和压力,输出的是直线运动速度和力。液压缸广泛应用于各种工程机械、起重机械、矿山机械及农用运输车、自卸汽车等的液压传动。

(二公司主要产品流程

产品研发是公司生产过程中的重要业务流程之一。公司研发部门主要根据客户提供的产品要求和型号或根据公司销售部门的市场调研,设计新产品、改良现有产品,然后批量生产。

主要产品液压缸的生产流程:

四、公司会计信息

(一最近两年及一期的资产负债表

1、资产负债表(资产 单位:元 资产行 次

2013年11月30日 余额

2012 年末余额2011年末余额 流动资产:

货币资金 1 12,260,154.63 18,784,114.94 5,214,597.78 交易性金融资产 2 应收票据 3 应收账款 4 11,870,426.70 14,179,218.07 14,430,674.60 预付款项 5 586,872.89 1,733,457.00 5,057,209.18 应收利息 6 应收股利7 其他应收款8 524,432.75 286,517.25 893,316.59 存货9 17,542,645.91 17,734,657.31 8,856,899.30 一年内到期的非流动 10 资产

其他流动资产11 流动资产合计12 42,784,532.88 52,717,964.57 34,452,697.45 非流动资产: 可供出售金融资产13 持有至到期投资14 长期应收款15 长期股权投资16 投资性房地产17 固定资产18 56,300,516.38 60,939,821.29 36,923,895.53 工程物资19 在建工程20 3,483,326.94 2,483,014.89 固定资产清理21

生产性生物资产22 油气资产23 无形资产24 5,722,054.35 5,849,422.07 5,976,789.80 开发支出25 商誉26 长期待摊费用27

2、资产负债表(负债与所有者权益 单位:元

(二最近两年及一期利润表 单位:元

(三最近两年及一期现金流量表

(四公司主要财务指标

五、利润分配政策(一近两年股利分配 最近两年未进行股利分配。(二滚存利润分配

公司挂牌前滚存未分配利润由挂牌后公司新老股东共享。

六、发展规划概况

(一公司未来两年的发展目标

1、销售目标

2014年,抓住我国城镇化步伐加快、重大工程开工、以及我国机械装备制 造业升级改造的大好时机,完成汽车缸的新产品上市,实现液压缸销售收入 1.3亿元。2015年至 2016年,通过努力,公司实现液压缸销售收入 2-3亿元。

2、产品研发目标

密封件是公司生产液压缸的重要原材料, 其密封性和稳定性直接影响公司产 品的使用安全和使用寿命。公司目前正与俄罗斯国家科学院西伯利亚分院合作, 引进俄方具有国际先进水平的抗侵蚀耐低温弹性密封复合材料生产技术, 组织实 施研究与生产试验,实现抗侵蚀耐低温弹性密封复合材料液压密封件规模生产, 建立产业化基地,达到年产高端液压密封件 2000万件的生产能力。

3、技术研发目标

加快企业技术改造,继续加大产品研发的投入,抢占液压缸技术的至高点。第一, 加强同山东大学合作, 由众力液压具体组织, 成立沂水县气动液压技术联 盟;第二,完成汽车前置缸的技术改造;第三,筹备建立省级液压缸工程技术中 心。

4、人力资源建设目标

随着公司产品生产规模的扩大、销售收入的增加以及公司快速发展的要求, 公司现阶段员工的素质将很难适应公司规模化大生产, 引进高端人才, 尤其是引 进生产技术方面和业务销售方面的人才成为公司发展的需要。公司未来两年要建 立一支高素质的管理团队;稳步提高员工待遇,增强企业凝聚力。

(二公司未来两年的发展规划

1、引进国外先进技术,生产高端密封件

目前我国的密封件技术水平整体低下, 导致产品早期故障率高、使用寿命短、可靠性差, 与世界先进水平相比存在较大差距, 已经严重影响机械装备制造业的 核心竞争力。通过引进俄方技术, 生产出的高端密封件, 抗侵蚀性提高 50%以上, 耐低温达到零下 50摄氏度,材料弹性由 150%提高到 240%。

通过本项目的成功实施, 开发多种系列复合材料密封件产品, 一方面有助于 公司新型耐低温耐腐蚀液压缸的研发, 另一方面实现了公司产品的多元化, 提高 抗风险能力。

2、市场营销与公司营销网络建设规划

现阶段公司产品通过经销商、主机厂直接供货、出口等方式, 客户群体比较 稳定。然而受下游工程机械等行业需求不振等因素的影响, 公司营业收入增长放 缓,公司产能尚未完全释放。在未来两年,公司将引进更多的营销人才,巩固现 有业务关系, 在现有营销体系的基础上建立自己的营销网络。公司未来两年的营 销规划为:建立起业务能力强的营销团队, 形成自己产品的营销网络, 提高营业 收入。

3、公司经营理念建构规划

经营理念是管理者追求企业绩效的根据, 是顾客、竞争者以及职工价值观与 正确经营行为的确认,是形成企业基本设想、技术优势、发展方向、共同信念和 企业追求的基础。公司一直以来十分重视内部管理和内部资源的整合, 不断改革 和完善公司治理结构,理顺内部管理体系,不断对企业文化、组织架构、绩效考 核、业务流程、产品开发、人力资源等方面进行理念塑造和制度建设,塑造公司 员工的共同价值观,提高员工的自我管理能力,提升工作团队的自我治理能力, 提高执行力和资源利用效率。通过建立有效的激励机制, 为员工利益着想, 充分 调动员工的积极性。

第四章 挂牌各方当事人

一、挂牌公司基本情况

挂牌公司:山东众力液压技术股份有限公司 法定代表人:秦洪明 注册地址:沂水县经济开发区 电 话:0539-2221993 传 真:0539-2238166 联 系 人:李娟

二、本次挂牌交易的有关机构(一挂牌交易保荐机构

名 称:济南恒银股权投资合伙企业(有限合伙 法定代表:柴修申

地 址:山东省济南市历下区解放路 26号综合办公楼 4楼 经 办 人:柴霄 徐腾飞 电 话:*** 传 真:0531-81958765(二挂牌交易报价商

名 称:济南恒银股权投资合伙企业(有限合伙 法定代表:柴修申

地 址:山东省济南市历下区解放路 26号综合办公楼 4楼 经 办 人:柴霄 徐腾飞 山东众力液压技术股份有限公司 股权挂牌交易说明书摘要 电 传 话：*** 真：0531-81958765

（三）律师事务所 名 地 称：北京市邦盛（济

南）律师事务所 址：山东省济南市历下区解放路 26 号综合办公楼四楼 负 责 人：董伟 经办律师：开庆江 电 传 陈亮亮 话：0531-67870999 真：0531-67870999

（四）审计机构 名 地 称：德州大正有限责任会计师事务所 址：德州市德城区湖滨中大道 1319 号 负 责 人：崔洪章 经办会计师：崔洪章 电 传 吕光军 话：*** 真：0534-2312391

（五）验资机构 名 地 称：德州大正有限责任会计师事务所 址：德州市德城区湖滨中大道 1319 号 负 责 人：崔洪章 经办会计师：崔洪章 电 吕光军 话：*** 24 山东众力液压技术股份有限公司 股权挂牌交易说明书摘要 传 真：0534-2312391

（六）申请挂牌的股权交易所 名 称： 天津股权交易所有限公司 法定代表人： 高峦 注册地址： 天津市经济技术开发区第三大街 52 号 W6-6 电 传 话: 022-66216888 真： 022-66285277

（七）股权登记托管机构 名 称： 天津股权交易所有限公司 注册地址：天津市经济技术开发区第三大街 52 号 W6-6 法定代表人： 高峦 电 传 话: 022-66216888 真： 022-66285277 25 山东众力液压技术股份有限公司 股权挂牌交易说明书摘要 26