新型船用中速柴油机性能优化设计探讨论文[推荐5篇]

第一篇：新型船用中速柴油机性能优化设计探讨论文

摘要：探讨了新型船用中速柴油机工作过程数值的计算，分析了新型船用中速柴油机故障仿真，研究了新型船用中速柴油机燃油喷射系统的性能优化设计。

关键词：新型船用中速柴油机；优化设计；数值计算

引言

随着近几十年来国际经济的发展与国际航运事业的进步，作为主推动力装置的新型中速柴油机的性能与质量问题越来越受到人们的关注。因此，进行新型船用中速柴油机性能的优化设计，有利于对中速柴油机的工作原理进行仿真，应用网络信息技术对其发生的故障进行科学模拟，对其成本进行虚拟化的测试，缩短了产品研发的周期，降低了产品的生产成本，实现了生产企业经济效益和社会效益的获得，有利于我国柴油机制造水平的全面提高。因此，需要对于新型船用中速柴油机工作过程数值的计算、故障仿真分析、燃油喷射系统的性能优化问题进行科学研究与分析。

1新型船用中速柴油机工作过程数值的计算

新型船用中速柴油机具有众多的工作特点，因此需要对工作过程的数值进行科学计算，以便于在此基础上进行柴油机数据信息的收集，对于设计模型的正确性进行科学验证。具体来讲，可以从以下方面进行工作，对新型船用中速柴油机的工作数值进行科学计算。

1）对新型船用中速柴油机增压压力进行科学选取。比如：对于柴油机的转速、废气排温、气缸的平均有效压力等进行科学计算，提高柴油机的经济性，延长其使用寿命。

2）进行柴油机压缩比的选取。比如：通过对于柴油机压缩比的选取可以测试出柴油机的启动性能与爆发压力，以此进行柴油机性能指标的改进，完善柴油机的结构。

3）进行柴油机配气相位的科学选取，有利于优化柴油机的指标性能。

4）进行柴油机燃烧始点数值的科学选取。

5）进行实验数值与负荷特性曲线的仿真。比如：对柴油机的实验结果进行仿真，对新型柴油机的负荷特性曲线进行充分了解。

6）对于新型船用中速柴油机的试验结果进行充分的验证。比如：进行测试时间、地点、对象的选取，对于新型船用中速柴油机的性能参数与负荷特性曲线进行充分的对比，减少设计的误差，使其达到工程设计的数值要求[1]。

2新型船用中速柴油机故障仿真分析

在柴油机的设计中一种重要的内容是进行故障问题的仿真分析与诊断，以便于解决新型船用中速柴油机的故障问题，提升在应用时的质量与水平，减少故障问题发生的概率，延长其使用寿命。具体来讲，需要进行故障问题设定，可以从以下方面进行故障仿真分析。

1）压缩比变化。在一般情况下，出现压缩比的变化主要是柴油机的气阀、活塞环、气缸垫等出现了错位或者是磨损等问题造成了一定的间歇而导致的。

2）曲轴箱窜气。润滑油供给不足或者是效果不佳、活塞环超出使用的寿命或者是磨损过度等问题都会导致曲轴箱窜气问题的产生。

3）柴油机供油量不均衡。此类问题的发生会严重影响到这种新型船用柴油机的性能，不利于今后的使用。因此，需要有关的设计人员进行此类问题的科学研究，并且制定出具体的解决方案[2]。

4）喷油正时故障。喷油正时故障的发生会导致这种新型船用柴油机的功率受到严重的影响。因此，有关的设计人员需要对喷油正时故障问题进行仿真化的模拟。

5）涡轮增压器效率故障。这种故障问题的发生会严重影响到柴油机的功率，长时间得不到有效的解决会使得柴油机的部件受到严重的磨损，最终出现停滞的问题。

6）中冷器换热故障。

7）中冷器压力损失故障。中冷器压力损失故障的发生主要是由于中冷器进气侧管道堵塞问题引起的。因此，进行中冷器压力损失故障的仿真模拟，有利于从设计阶段就对中冷器进气侧管道进行结构的优化，防止此类问题在柴油机使用的过程中发生。

8）排气阀故障。排气阀封闭的不紧密或者是发生了正时故障都会导致排气阀故障问题的产生，最终会影响到新型船用柴油机的性能与质量。因此，需要对排气阀故障进行仿真化的模拟分析，并且进行设计方案上的重新优化调整，提高柴油机的水平与工作效率[3]。

3新型船用中速柴油机燃油喷射系统的性能优化设计

进行这种新型船用柴油机原始参数的计算，主要的目的在于保障燃油喷射系统的性能达到设计的要求。具体来讲，需要对喷油泵的供油量进行计算；对凸轮接触应力进行计算；对出油阀流通截面进行科学计算；对喷油器进行科学计算。进行新型船用柴油机性能的优化设计离不开应用现代的网络信息技术进行网络设计模型的构建。因此，需要建立起科学的新型船用柴油机性能模型，并且对燃油喷射系统的各个部件进行全面的模拟仿真测试。具体来讲，需要将喷油泵、卸载出油阀、高压油管、喷油器等各个方面的具体初始参数在这个燃油喷射系统网络模型中全面输入，并且进行科学运算，依据计算的结果，对新型船用柴油机设计的燃油喷射系统进行验证，对于发现的不足之处全面改进，以达到优化柴油机性能的目的[4]。进行新型船用柴油机燃油喷射系统的优化设计，可以从以下几方面来进行，从而全面提升柴油机燃油喷射系统的质量与水平，为柴油机整体性能的进步打好基础。

1）对于凸轮曲线进行优化设计。比如：提高凸轮曲线的速度、进行线型的陡峭模式设计，使得柴油在柴油机燃油喷射系统中的喷射压力达到最高值。

2）进行新型船用柴油机燃油喷射系统中柱塞直径的优化设计。根据柴油机燃油喷射的规律可以了解到柱塞运动的速度和横截面的乘积与燃油喷射的压力成正比。因此，具体的优化设计方式为增大柱塞直径，使得燃油喷射量增加，最终提高柴油机燃油喷射系统的工作效率，提高整个柴油机的性能与水平[5]。

3）需要对高压油管进行优化设计。原因在于，高压油管的长度、管径都对柴油机燃油喷射系统的性能产生直接的影响。因此，首先需要对高压油管进行短小化的设计，提高其防振的性能。其次，要保持各缸高压油管的长度一致，使得各缸喷油保持一致，保障燃油喷射系统具有很强的稳定性。

4）对于蓄压腔进行科学的设计有利于提高柴油机燃油喷射系统的性能。进行此项工作有利于蓄压腔容积的增大，使得燃油喷射系统的喷射压力呈减少的趋势，最终满足柴油机对于燃油喷射系统的设计要求，有利于保障柴油机性能的提升。

5）需要对于柴油机燃油喷射系统的针阀升程进行优化设计，使得柴油机燃油喷射系统具有良好的节流作用，提高柴油机燃油喷射系统的喷射速率。

6）需要对柴油机燃油喷射系统的喷孔进行科学设计，提升燃油的雾化质量，最终提升柴油机工作的性能。具体来讲，首先对孔径进行优化设计，增强喷油的压力。其次，进行孔数的优化设计，使得孔数更好地满足柴油机燃油喷射系统的喷射要求，为提高柴油机的整体性能发挥出重要的作用。通过以上六种主要的方法，可以对柴油机燃油喷射系统的质量与性能进行全面提升，最终保障这种新型船用中速柴油机的质量与性能，使其在使用的过程中具有优良的使用效果与良好的使用质量，在长时间的使用中发挥出应有的功能[6]。

4结语

对于新型船用中速柴油机性能进行科学的优化设计，有利于全面提高这种柴油机的制造水平，使其在使用的过程中发挥出应有的功能，为我国航运事业的进步作出新的贡献。

参考文献

[1]张东明,平涛,陈志忠.基于DoE的船用中速柴油机性能优化仿真[J].内燃机工程,2016(1):93-97.[2]余永华,唐俊,韩冬,等.船用中速柴油机燃油系统升级改造仿真分析[J].大连海事大学学报,2016(3):111-117.[3]张慧,金玉山,张东明,等.船用中速柴油机SCR系统匹配与试验研究[J].柴油机,2016(4):15-19.[4]范保庆.中速船用柴油机主要部件的有限元最优化结构设计[J].船舶工业技术经济信息,1998(8):33-38.[5]方峰.船用柴油机的生产现状与发展[J].江苏船舶,2008(5):17-20.[6]孙洪杰.新型船用中速柴油机性能优化设计[D].武汉:武汉理工大学,2011.

第二篇：中国主要船用柴油机制造厂家列表及简介

中国主要船用柴油机制造厂家列表及简介

1、上海中船三井造船柴油机有限公司CSSC-MES Diesel Co., Ltd.(CMD)(T)公司简介

上海中船三井造船柴油机有限公司（英文名称：CSSC-MES Diesel Co.,Ltd.英 文简称：CMD）是由中国船舶工业集团公司、中国船舶工业股份有限公司和日本三井造船株式会社共同投资组建的一家船用大功率低速柴油机制造企业。公司位于上海临港新城重装备产业区内，占地近40万平方米，南临洋山深水港，北靠浦东国际航空港，区位优势非常明显。

公司总投资超过28亿元，分两期建设，一期工程投资达14亿元，目前注册资本7.06亿元。公司拥有大型数控装备和现代化重型测试设备，并引进曼恩和瓦锡兰专利技术，主要生产气缸直径600mm以上的船用大功率低速柴油机。

2008年，公司已形成100万马力的柴油机年生产能力；2009年一期项目完工后，公司将形成170万马力的柴油机年生产能力；公司全面建成后将形成超过300万马力的柴油机年生产能力，必将成为中国船用低速柴油机制造领域的核心和中坚力量。截至目前，公司累计交付柴油机突破200万马力，并于2008年7月成功制造中国首台世界最大缸径柴油机CMD-MAN B&W 8K98MC。2008年，公司通过了上海市高新技术企业认定和ISO9001：2000质量管理体系认证。

2、南车资阳机车有限公司CSR ZiYang Locomotive Co., Ltd.(CSR)(F)公司简介

中国南车旗下的南车资阳机车有限公司始建于1966年，是由铁道部兴建并培育壮大的中国西部唯一的机车制造企业。公司是四川省重大装备八大产品链重点企业，四川省“大集团、大企业”重点培育企业之一，在我国重大装备制造自主创新和西部大开发中发挥着重要作用。

公司累计新造各型机车数量居国内第二，出口到亚洲、非洲、美洲的16个国家，是土库曼斯坦、越南最大的机车供应商。公司生产的发动机应用到机车、船舶、发电领域，是工程船舶成套设备和大功率燃气机知名供应商。公司生产的中速发动机曲轴国内市场占有率达70%，出口到德国、日本、美国、韩国、印度、巴基斯坦等国家，是印度最大的机车曲轴供应商。

公司拥有先进的精密设备和检测仪器，共有各类机械设备2400余台套，通过优化整合企业优质资源，形成了以六轴电力机车、出口内燃机车为代表的机车产业，以燃气发动机、船用发动机为代表的发动机产业，以全断面隧道掘进机、隧道快速施工机械为代表的重型装备产业，以中速发动机全纤维锻钢曲轴、大型锻铸件为代表的优势零部件产业。

公司通过了“中国国家实验室”认可，是国家一级计量单位，通过了ISO9001质量管理体系2000版、ISO14000环境管理体系和OHSMS18000职业健康安全管理体系认证。

公司设立了国家级博士后科研工作站，大力实施“外引内联”的技术创新战略，相继引进美国EMD机车径向转向架制造技术、美国卡特彼勒公司36系列发动机制造技术、德国MAN公司27/

38、32/40船用发动机制造技术、日本三菱公司30G燃气发动机制造技术，企业核心竞争力不断提升。公司与西南交通大学等大专院校、科研院所广泛合作，努力成为我国知名的机车、发动机、全断面隧道掘进机以及曲轴等关键零部件的高标准研发制造中心。

秉持“诚信、敬业、创新、超越”企业精神的南车资阳机车有限公司，正携手四海宾朋，致力于交通和动力装备速度与力量的持续提升，向着更高的目标不断迈进。

3、大连船用柴油机有限公司Dalian Marine Diesel Works(T)公司简介

中国船舶重工股份有限公司大连船用柴油机有限公司（DMD），主要生产DMD-WARTSILA系列和DMD-MAN系列重型船舶主机，同时进行重大工艺装备制造。以船舶动力领域优秀专家组成的DMD造机团队用最大的智慧和努力，以最先进的技术、设备和系统，为一艘艘巨轮装备了主动力源，献给用户莫大喜悦。在“人人尽心尽力，达到顾客满意”企业价值观倡导下，凭着对用户的真诚和二十多年积累的技术、经验，DMD造机水平始终保持与世界先进水平同步，并通过全球网络迅速为用户提供主机技术支持、零部件的更换和维修等优质服务，在国际上被船东誉为“可以满足最高标准的工厂”。

面向世界和未来的大连船用柴油机有限公司，以全球用户满意为己任，以高新技术为先导，不断推进技术进步和创新，不断推动改革与发展，竭诚为用户制造精品主机，提供可靠动力。

4、合肥熔安动力机械有限公司Hefei Rong An Power Machinery Co., Ltd.(T)（注意：该企业已被列入全国失信被执行人名单中！详情请百度）

公司简介

合肥熔安动力机械有限公司是以船用柴油机为主要产品的大型装备制造企业，公司 2007年 8月在合肥注册成立，厂区位于安徽省合肥市经济技术开发区派河以东，宿松路以西区域，占地面积856.46亩。一期船用低速柴油机项目总投资 45.969亿人民币，设计年生产能力500万匹马力，达产后实现产值将达100亿元。该项目被列为安徽省 “861”项目，合肥市“121”重点项目，并于 2009年 3月 6日获国家发改委核准，是国内首家、目前也是唯一获国家发改委核准生产船用低速柴油机的民营企业。

公司先后与世界两大柴油机设计制造企业W?RTSIL?公司和 MAN公司签订了生产许可证合同，生产缸径为350-980mm的低速柴油机。公司生产的首台出口巴西的RONGAN-W?RTSIL? 6RT-flex68D柴油机已于2009年10月22日成功提交。后续的W?RTSIL? 7RT-flex82T和5RT-flex58T-D、MAN 6S70MC MARK6等型号柴油机也将于2010年开始生产制造。

按照投资集团战略规划，以熔安动力低速柴油机项目为起步，将在合肥经济技术开发区建立熔安动力工业园，工业园将集合中、低速柴油机、螺旋桨、船舶轴系等配套八大产品，全面提供船舶动力系统的解决方案。

公司秉持“建厂、育人、造机、效益”四同步的方针，坚持以客户满意、股东满意、员工满意、社区满意为使命，倡导激情卓越的企业文化，坚持技术创新与机制创新相结合，重视人才的培养和引进，培育具有熔安特色的企业核心竞争力，实现良好的经济效益和社会效益。

公司以快速发展为目标，立足中部崛起的战略要地，依托合肥当地的各种优势资源，抓住船舶配套产业发展的机遇，努力打造成为世界一流的造机企业。

5、河南柴油机重工有限责任公司Henan Diesel Engine Heavy Industry Co., Ltd.(F)公司简介

河南柴油机重工有限责任公司，前身是河南柴油机厂，始建于1958年5月，是我国“一五”期间156项重点项目之一,2007年6月成立河南柴油机重工有限责任公司，隶属于中国船舶重工集团公司，是国际先进、国内领先的高速大功率柴油机专业制造厂。

河柴重工位于河南省洛阳市涧西区，占地43.5万平方米。50年来，河柴肩负“振兴民族工业，服务国防建设”的企业使命，自觉践行“一流产品，奉献社会”的企业宗旨，为国防建设和国民经济作出了突出贡献。近年来，牢牢坚持“以军品上水平、以民品上总量”的指导思想和“以机为主、军品优先、船陆并举、发展成套”经营方针，逐步实现了由引进技术国产化到再创新和自主研发的根本性转变，形成了军民通用、船陆通用、主辅并举的两大系列两型机和成套装置的产品框架。产品已从柴油机发展到气体机，其用途也由过去单一舰船辅机到主辅机并举、由单兵种到多兵种、由军用到军民通用、由单机到成套。随着产品先进性、可靠性等优势的日益发挥，应用领域和市场不断拓宽。

新时期，河柴描绘出催人奋进的的发展蓝图，确定了 ”新三步走，翻五番” 的目标，河柴正在朝着“国际先进、国内领先的中高速内燃机（柴油机、气体机）及电站动力成套装置的研制生产基地”的目标奋勇前进。

6、沪东重机有限公司Hudong Heavy Machinery Co.Ltd.(T, F)公司简介

沪东重机有限公司成立于2007年12月7日，系中国船舶工业股份有限公司（简称中国船舶）的全资子公司，注册资本24亿元。

公司的前身为1998年5月组建上市的沪东重机股份有限公司。2007年7月31日，沪东重机股份有限公司收购外高桥造船有限公司等资产后，更名为“中国船舶工业股份有限公司”。2007年10月28日，“中国船舶”同意将原沪东重机股份有限公司柴油机部分的业务和资产出资设立沪东重机有限公司。

公司占地面积约 15万平方米,员工 1300余名，柴油机年生产能力达200万马力。经过上市公司的洗礼，公司逐步建立、完善了现代企业管理制度，管理更加规范，运转效率日益提高，生产规模和经济效益提升迅速。

公司主导产品为MAN-B&W、WARTSILA系列船用中、低速大功率柴油机、法国热机协会和自主研制的E390系列柴油机，以及柴油机备配件、大型铸锻件等，同时拥有陆用电站、地铁盾构、冶金设备等工程机械成套设备的制造、安装和维修能力。

公司具有较强的研发能力，是上海市高新技术企业和国家级技术中心（分中心）。

公司非常重视品质,环境,健康,安全系统的管理，已通过 IS0 9001质量管理体系认证、ISO 14001环境管理体系认证、OHSAS 18001 职业健康安全管理体系认证。

7、江苏安泰动力机械有限公司 Jiangsu Antai Power Machinery Co., Ltd.(T)

江苏安泰动力机械有限公司（原无锡柴油机厂大马力分厂）座落于美丽的长江之畔靖江新港经济技术开发区，占地面积28万平方米（一期），拥有员工800多人，其中，中高级技术人员140多名，中高级技师120多名，下设内燃机研究开发部、低速机加工车间、总装试车车间、中速机加工车间、总装试车车间、中件加工车间等十多个职能机构和生产车间。年生产力可达MAN低速机400万马力，国产及MAN中速机200万马力以及1000-5000kw重油发电机组150台，是目前国内最大的民营船用柴油机生产企业。

公司目前的主打产品为从德国MAN公司引进许可证生产的S35-S70系列船用低速柴油机，该系列产品为当今世界上最先进的大型柴油机，功率从3700-26000kw、转速从77-178rpm不等，适合于2万-18万吨的各类远洋船舶推进主机。同时引进的还有MAN系列L16-L32中速柴油机，其匹配的船用发电机组功率在900-5500kw，大量的作为船用辅机使用。此外，公司与国内相关科研机构共同开发研制的G300、X320系列中速柴油机，均具有国际九十年代先进水平，功率从1000-6000kw不等，广泛应用于中型船舶的推进主机，各类工程船、化学船的工作动力以及中、小型自备电厂、调峰电厂的重油发电机组。

作为一家有着60年柴油机的生产历史的老企业，安泰公司始终把产品质量放在首位，建立了一套科学，严谨的质量保证体系，早在1996年就一次性通过了ISO9001质量体系认证，并先后获得了CSS、BV、GL等各大船级社的认可。除此之外，公司利用自身的技术优势，进行技术创新，不断的改进和完善产品性能，提高产品档次。同时，利用遍布各地的服务网点，依托MAN公司成熟的服务网络，为用户进行了及时周到的全方位服务，深获用户好评。目前，公司的产品已遍及全国各地，并远销亚非拉等发展中国家，部分产品还成为国防重点工程以及援外项目的首选。

8、江苏国泰船用柴油机制造有限公司Jiangsu Guotai Marine Diesel Manufacture Co., Ltd.(F)

江苏国泰船用柴油机制造有限公司位于江苏省泰州市靖江市靖江市新港园区新木村六助港口向北300米,交通便利，属于外资企业，主要从事：中、低速船用柴油机配件制造。

9、济南柴油机股份有限公司 CNPC Jichai Power Equipment Company(F)

（简称济柴）是中国石油天然气集团公司控股的国有股份制企业，1996年在深圳证券交易所上市，简称“石油济柴”，股票代码000617。

济柴位于山东济南经济开发区，资产总额323306万元，在职员工1862人。济柴的核心业务是中大功率内燃机研发制造，目前拥有可应用于多领域、适用于多燃料的陆用机、船用机、气体机三大系列产品集群，功率覆盖150-2400kW。年产内燃机及配套机组5000台以上。

济柴经过十余年的跨越式发展，现已成为世界主流石油钻井动力制造商，中国最大的非道路用中高速中大功率内燃机研发制造企业，国家重要场合和重点项目动力发电设备的主要供应商，以及中国海军装备定型产品的指定供应商。

济柴通过了国家4A级标准化良好行为企业审核和质量、健康安全、环境管理体系和HSE管理体系认证，被中国质量协会评为质量信誉3A级企业。获得国家质量管理奖、全国用户满意企业、国家一级计量单位等荣誉称号。

济柴拥有27项国家及行业标准制定权，全国燃气发电设备标准化技术委员会，全国内燃机标准化技术委员会燃气发动机工作组，全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会钻采动力标准化工作部均设在济柴。

济柴发动机产品曾荣获国家唯一的大功率内燃机金质奖，气体机获中国气体发动机行业最具影响力品牌，船用柴油机连年被评为中国渔船行业名牌产品。济柴产品还分别通过了欧盟SGS、法国和俄罗斯海洋船级社等国际认证。

产品广泛应用于石油钻探、船用动力、可燃气体利用、电站、机车、军用等领域。济柴产品装备了中国90%以上的石油钻井队，并应用于西气东输、青藏铁路建设、大型煤矿、海洋钻井平台、尼日尔等国外大型电站等重点项目，还为国家党政机关、海军潜艇基地、航天基地、通讯领域等重要场合提供了常备及应急发电设备。济柴产品遍布全国油气田和32个省、自治区、直辖市及港澳台地区,出口到世界50多个国家和地区。

10、陕西柴油机重工有限公司Shaanxi Diesel Engine Heavy Industry Co., Ltd.(F)公司简介

陕西柴油机厂（SXD）是中国船舶重工集团公司（CSIC）所属的国内规模最大的中、高速大功率船用柴油机专业制造厂和柴油发电机组成套厂。是我国“一五”期间投资兴建的156项重点工程之一，属国家机械工业665个骨干企业之一。工厂地处西安郊外，距西安咸阳国际机场40公里，工厂铁路专线与陇海线相接。工厂占地面积113万平方米，拥有固定资产3.98亿人民币。现有职工5700余人，其中中级职称400余人，高级职称130多人。

主要生产MAN机、大发及MTU机及法国热机协会机。

工厂已建立了完善的质量保证体系机构，设有质量管理委员会，质量管理长抓不懈。1984年获得中国船检局颁发的《工厂认可证书》，1986年获《国家二级计量合格证》，1991年通过军保体系验收，1997年复检合格，1998年通过ISO9001质量体系认证。1999年5月通过了海军第二方认定注册。目前质量体系运行有效，产品质量稳定。工厂1998年获自营进出口权。

11、上海新中动力机厂Shanghai Qiyao Engine Company Limited(F, TC)

公司简介

创建于1925年的上海新中动力机厂是中国船舶重工集团公司七一一所所属生产中速柴油机和废气涡轮增压器的专业工厂。工厂现有职工约800人，其中各项专业技术人员282名，占地面积93700平方米，各类设备799台。拥有铸造、焊接、冷作、扳金、热处理、CNC加工，精密计量、三座标测试、装配、试验等适合于往复机械、回转机械生产的整套工艺技术装备。目前我厂主要产品有： 引进德国MAN B&W公司专利技术生产的L16/24系列柴油机； 引进德国MAN B&W公司专利技术生产的L21/31系列柴油机； 引进德国MAN B&W公司专利技术生产的L27/38系列柴油机； 自行研制并生产的新一代LA250Z重油柴油机、L250Z系列重油柴油机； 引进德国MAN B&W公司专利技术生产的L+V20/27系列柴油机，目 前是世界上唯一生产此系列柴油机的制造厂； 引进德国MAN B&W公司专利技术生产的NR系列径流增压器； 自行开发生产的CXZ系列轴流增压器； 自行开发生产的生物质气发动机； 引进日本TANABE专利技术生产的空气压缩机和PWC系列水泵。工厂还具有较强的铸造能力，以铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁为主的铸件，其产品质量达到美国、德国、日本的行业标准，产品远销国内外；与深圳玛西普医学科

技发展有限公司合作生产了目前世界上最新一代伽玛刀治疗设备（主机加工）；以及其它非船舶产品。工厂生产的中速柴油机先后为秦山核电站、上海人民广播电台堤桥发射台、北京总参通讯部、国家气象局、葛洲坝水电站、远望一号卫星发射观察船舶等提供了应急发电机组和移动应急电站。产品质量体系通过了中国新时代质量认证中心的审核，并取得IS9001质量证书，同时得到世界各主要船级社的认可，屡获国家、上海市、船舶行业优质产品奖。工厂还曾从瑞士ABB公司引进专有技术生产了VTR、VTC系列废气涡轮增压器。今后工厂将建成具有现代化企业制度的有限责任公司，加大科技开发力度，达到年产200台中速柴油机的生产能力。上海新中动力机厂愿以良好的信誉，竭诚与国内外朋友在技术、贸易合作、来料加工、合作生产和合资经营等方面携手共进、大展宏图。

12、STX(Dalian)Engine Co., Ltd.(T)

13、STX Heavy Industry Fushun Co., Ltd.(F)

14、潍柴重机股份有限公司Weichai Heavy Machinery Co., Ltd.(F)公司简介

潍柴重机股份有限公司（以下简称潍柴重机，SZ000880，原山东巨力股份有限公司）于１９９８年在深圳证券交易所上市。但由于行业竞争激烈和管理不善，２０００年以后，公司经营业绩呈逐年下滑之势，并自2003年起陷入连年亏损的境地，面临退市的危险。

为维护广大股东利益和公司的社会形象，2006年，根据山东省汽车工业发展规划和国有企业重组改制的精神，在潍柴重机原有资产、负债置出后，潍坊柴油机厂以其所属的中速柴油机和发电设备制造等优良的经营性资产，置入潍柴重机，成为本公司的控股股东。更为重要的是，迅速扭转了企业连年亏损的局面，实现了公司经营范围和战略方向的重大转变，为保证公司尽快摆脱困境、实现持续快速健康发展奠定了基础。

实现资产置换后的潍柴重机，主要生产6160系列、6170系列、8170系列、CW200系列中速柴油机和15KW到1250KW的柴油发电机组。目前，中速柴油机功率覆盖164-1800千瓦，其中，6160A型中速柴油机获得国家质量银质奖，社会保有量达到10万台以上；CW200发动机由公司设立于重庆江津的分公司生产，为引进M A N公司全套技术研发生产的新一代产品，具有可靠性高、经济性好、便于维修等优点。公司生产的柴油发电机组2004年通过了国家通信专用发电机组认证，2005年通过了国家内燃机发电机组质量监督检验中心的高原认证和德国莱茵中心的CE认证，主要包括陆用发电机组及船用发电机组，可广泛应用于通信、铁路、高速公路、广播电视系统、机场地面电源、防空设施、银行、高层楼宇、宾馆、医院、消防等重要部门及各类船舶作为不间断电源和备用、常用及应急电源。

公司建有遍布全国的营销网络和维修服务、配件供应中心，经过多年的不懈努力，形成了强大的品牌美誉度和用户忠诚度。中速柴油机占有国内船舶动力市场80%的市场份额，是中国最普及和成熟的船用柴油机产品，并大批量出口越南、印尼、菲律滨等国，在当地享有极高的品牌声誉；柴油发电设备占据国内市场的半壁江山，是中国最大的柴油发电设备生产商。

公司导入5S管理方法，强抓精益生产工作，不断提升现场管理水平，实现生产组织的全过程控制。1996年取得ISO9001质量管理体系证书，2004年获得英国标准协会BSI颁布的ISO/TS16949：2002体系认证证书，以高技术、高性能、高质量和一流的服务饮誉国内外。

公司将以做强做大民族动力为己任，加快引进适应中国船舶动力和发电设备市场的新产品，努力加快技术自主创新，进一步提升企业的竞争力，拓展国内外市场，保持持续健康发展，继续稳居中国中速机和柴油发电设备领先地位，跻身世界强者之林。

http://www.xiexiebang.com/

17、洋普重机Zhejiang YungPu Heavy Machinery Co., Ltd.(T)公司简介

洋普重机创立于2008年,总投资20亿,工厂占地面积1200亩,厂房建造面积46万m2,分二期进行,第一期于2008年1月开始于2009年8月结束,年产缸径500以下低速柴油机120台，总功率为100万马力。第二期于2009年8月开始，于2011年12月结束，年产缸径500以下低速柴油机300台，缸径500以上为120台，总功率500万马力。在此基础上，不断扩产，至2015年年产柴油机600台，总功率向1000万马力的目标迈进，实现销售额近200亿。届时，洋普重机将成为国内最大的柴油机制造企业。

洋普重机现正采用国际一流生产设备，运用现代化的管理手段，引进一流的国内外柴油机专家为生产国际一流品质而努力。

公司的工厂设计采用物流全封闭运作系统，无纸化办公系统，5S管理体系来实现现代化的管理模式。

18、镇江中船设备有限公司ZHENJIANG CME CO., LTD.(T, F)

公司简介

镇江中船设备有限公司是中国船舶工业集团公司直属企业，是由镇江船用柴油机厂等中船集团公司驻镇企业按现代企业制度要求，经过资产重组设立的有限责任公司。公司于2001年11月8日正式挂牌运营，注册资本13332万元，法定代表人孙伟。公司本部占地面积20.1万平方米，现有员工900余人。

公司经营范围：船用柴油机、增压器、船用辅机、起重机械、船用螺旋桨、其它机械及其配件的制造、销售；各种铜合金、鋅合金、铝合金的制造、销售；经营本企业自产产品的出口业务和本企业所需的机械设备、零配件、原辅材料的进口业务。

公司先后与日本日立造船株式会社、芬兰瓦锡兰推进装置联合有限公司、香港荣广发展有限公司等投资兴建镇江正茂日立造船机械有限公司、镇江中船瓦锡兰螺旋桨有限公司、镇江中船现代发电设备有限公司，分别拥有50%、45%、和48%的股权；与南京绿洲机器厂合资组建了南京中船绿洲机器有限公司，持股比例14%；同时，受中船集团公司委托，代行中船集团公司对正茂集团有限责任公司的股东权。

19、中基日造柴油机有限公司Zhongji Hitachi Zosen Diesel Engine Co., Ltd.(T)公司简介

中基日造柴油机有限公司是由大新华物流控股（集团）有限公司、日立造船株式会社、舟基（集团）有限公司共同投资的中外合资企业，于2009年2月正式注册登记成立。公司位于舟山本岛北部的舟山经济开发区新港工业基地，厂区总用地面积474.4亩，目前是浙江省唯一的船舶用低速柴油机制造企业。

公司引进日立造船雄厚的制造技术和管理经验，以“员工企业同发展” 为核心价值观，营造优秀人才发展平台，打造国内一流柴油机制造企业。

公司一期计划年产柴油机达80台，将形成150万马力的年生产能力。二期计划将形成300万马力的年生产能力。已与德国曼恩公司（MAN Diesel A/S）签订MAN B&W主机专利许可生产协议，产品覆盖350-980mm缸径的MAN B&W全系列低速柴油机。

公司以可靠的产品质量和售后服务，愿与国内外客户携手合作，共谋发展。

20、青岛齐耀瓦锡兰菱重麟山船用柴油机有限公司 Qingdao Qiyao Wartsila MHI Linshan Marine Diesel Co., Ltd.公司简介

青岛齐耀瓦锡兰菱重麟山船用柴油机有限公司（Qingdao Qiyao Wartsila MHI Linshan Marine Diesel Co., Ltd, 英文简称QMD），是由青岛齐耀麟山动力发展有限公司(QQLPDC)与荷兰熊猫新科股份有限公司（PSH）在2006年底共同出资注册成立的中外合资企业。其中，QQLPDC是由中国船舶重工集团公司（CSIC）下属的上海船用柴油机研究所（SMDERI）和宜昌船舶柴油机厂（YMD）共同成立，PSH是由世界著名的中低速柴油机制造公司芬兰瓦锡兰集团（W?rtsil?）和日本三菱重工（MHI）共同组建。

公司位于青岛海西湾造修船基地。青岛海西湾造修船基地是国家中长期发展规划环渤海湾造船基地建设的一个重要组成部分，位于胶洲湾西南端，北纬35-36度，是常年不冻不淤的深水良港，与海运重要港口青岛前湾港相邻，地理位置优越，交通便利，气候适宜。

公司全套引进芬兰W?rtsil?公司和日本MHI公司的产品设计、先进技术和管理经验，拥有大型数控生产设备和检测装置，主要制造、测试500mm～960mm缸径的RT-flex和UEC系列二冲程低速柴油发动机，可为船东和船厂提供优质可靠的船用主柴油机选型。

公司注册资本4.8亿元人民币，总投资为12亿元人民币，公司于2007年10月开工建设，2008年四季度正式投产，2009年三月份生产的第一台机7RT-flex60C已经交付。公司分两期建设，一期年生产能力为100万马力，二期年生产能力将扩至350万马力，以满足日益增长的国内和国际船用柴油机市场需求。

21、广州柴油机厂股份有限公司Guangzhou Diesel Engine Factory CO.,LTD公司简介

广州柴油机厂股份有限公司是广州机电集团（控股）有限公司的下属公司。广州柴油机厂股份有限公司创业于1911年，是中国柴油机制造业中历史最悠久的企业之一。一直以来，广州柴油机厂股份有限公司秉承雄厚的实力、可靠的质量、优质的服务、良好的信誉，逐步形成“广柴品牌”，在全国500家最大机械工业企业中位居前列，被列为广东省重点装备企业之一。

广州柴油机厂股份有限公司现有职工1100人，是一支高素质的管理干部、技术精湛的工程技术人员和技术工人队伍，是企业赖以生存和持续发展的坚强后盾。厂区绿树成荫，环境优美，占地面积16万m2，厂房面积9万m2，有综合办公楼，技术大楼以及铸造车间，机械加工车间，总装配车间等，具有“花园式企业”的美誉。

广州柴油机厂股份有限公司是中国华南地区最大的中速柴油机生产专业厂家，拥有铸造、机加工、装配、试验等一系列工艺设备和手段。铸造车间专业生产大中型球墨铸铁件，优质合金铸铁件，具备年产8000多吨铸件生产能力。机械加工车间拥有多台高精度的大、中型卧式、立式及五面体等数控设备和加工中心，还有一批较先进的进口机械加工设备。装配车间生产能力可达到年产柴油机30万kW，试验车间具有多个大功率柴油机试验台架，以及各种先进测试设备，对产品进行检测。柴油机产品技术在国内同行中处于领先地位，产品销售覆盖全国各地，并出口到印尼、越南、柬埔寨、马尔代夫、孟加拉等国家。

广州柴油机厂股份有限公司全面贯彻实施ISO9001质量标准体系并通过认证，以“可靠、耐用、经济；确保同行同类企业领先地位”为宗旨，为客户提供优质满意的服务。

产品范围

·生产中速大功率船用柴油机及柴油发电机。

·现有300、320、230三个系列50多个品种，具有国际先进水平的大功率、节能、环保型的天然气发动机正在开发中。

·现有产品功率覆盖范围从400马力到3300马力,正在开发的G32型柴油机最大功率超过5000马力。·主产品320、230系列柴油机获得国际海事组织（IMO）《柴油机国际防止空气污染符合证明》，是环保型的发动机。

22、珠海玉柴船舶动力股份有限公司 Zhuhai Yuchai Marine Power CO.,LTD公司介绍

公司位于美丽的“百岛之市”——珠海，由广西玉柴机器集团有限公司投资，生产和销售低速大功率船用柴油机。本项目总投资为25亿元，一期投资10亿元，形成年产120万马力船用发动机生产能力；二期累计投资15亿人民币，向大缸径机型发展，累计形成产能300万马力/年，被列为广东省“调结构，促增长”重点项目之一。公司引进瓦锡兰生产许可证，制造瓦锡兰RT-flex35、RT-flex40、RT-flex48、RT-flex50全电控共轨船用低速柴油机，功率范围为3475-13960kw。

玉柴集团创建于1951年，坐落于素有“千年古州，岭南都会”美称的广西玉林市。现有员工17000人，总资产172亿元。是中国最大的内燃机生产基地、最大的中小型工程机械生产出口基地，柴油发动机单厂产销规模居重中型商用车领域全球第一位，被誉为“中国绿色动力之都”。位列中国企业500强排行榜第265位，中国机械500强第21位，中国500最具价值品牌第111位，品牌价值71.19亿元。

第三篇：毕业设计(论文)柴油机连杆加工工艺设计说明书

毕业设计（论文）柴油机连杆加工工艺设计说明书

毕业设计论文任务书

专业 机械设计制造及其自动化 班级 机械051 姓名 下发日期 200-3-10 题目 12V180C柴油机加工工艺设计

艺设计

要 内 容 及 要

求 设计内容首先仔细分析所要加工零件的结构技术要求生产纲领等内容从而制定一套该零件的加工工艺规程认真分析该加工工艺规程的优点进而绘制出各个主要工序的工序卡片设计主要工序的机床夹具分析计算定位误差设计机床夹具的主要零件

要求根据给定的12V180系列柴油机零件图制定出符合加工技术要求的加工工艺工艺规程并对所制定的加工工艺规程进行可行性和优化性比较从而制定出较好的加工工艺设计重要工序的工艺装备要求的图纸量折合为零号图后不少于四张设计说明书不少于三万字

度

主要技术参数 进 主

专题

12V180柴油机加工工及 完 成 日 期

3月30日至4月10日2周 根据设计任务书要求查阅资料完成外文翻译工作

4月13日至4月24日2周 绘制连杆零件图熟悉连杆的结构初步确定连杆的加工工艺过程

4月27日至5月8日2周确定连杆机械加工工艺过程设计部分工序的工艺过程

5月11日至5月22日2周了解机床夹具设计的基本原则绘制重要工序夹具简图

5月25日至5月29日 1周 绘制重要工序的夹具图 6月1日至6月12日2周 编写设计说明书 6月15日至6月21日1周 修改整理资料打印资料 6月22日至6月23日2天 答辩

任签字 日 期 指导教师签字 日 期

导 教 师 评 语

教学院长签字 日 期 教研室主

指

指导教师 年 月 日 指 定 论 文 评 阅 人 评 语

评阅人

年 月 日

定 成

绩 指导教师给定 成绩 30 评阅人给定 成绩 30 答辩成绩 40 总 评 答辩委员会主席 签字

答 辩 委 员 会 评 语 评

连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件例如在往复活塞式动力机械和压缩机中用连杆来连接活塞与曲柄连杆多为钢件其主体部分的截面多为圆形或工字形两端有孔孔内装有青铜衬套或滚针轴承供装入轴销而构成铰接连杆是汽车发动机中的重要零件它连接着活塞和曲轴其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率连杆在工作中除承受燃烧室燃气产生的压力外还要承受纵向和横向的惯性力因此连杆在一个复杂的应力状态下工作它既受交变的拉压应力又受弯曲应力连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形通常疲劳断裂的部位是在连杆上的三个高应力区域连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能又要求具有足够的钢性和韧性连杆是柴油机的主要传动件之一本文主要论述了连杆的加工工艺及其部分工序夹具设计确定加工的生产纲领及生产类型确定的毛坯材料及尺寸确定毛坯加工余量设计加工工艺确定部分重要工序所用的工艺装备和设备计算部分重要工序的切削用量和基本时间设计重要工序所用的夹具连杆的尺寸精度形状精度以及位置精度的要求都很高而连杆的工作环境恶劣刚性比较差容易产生变形因此在安排工艺过程时就需要把各主要表面的粗精加工工序分开逐步减少加工余量切削力及内应力的作用并修正加工后的变形才能最后达到零件的技术要求

关键词 连杆变形加工工艺夹具设计Abstract At both ends of linkage with the active and passive components in order to convey movement and the hinged edge of the bar For example in reciprocating piston compressor and power machinery to connect the piston with connecting rod and crank Connecting rod for steel parts the main part of the cross section for the round or shaped both ends have a hole or holes with needle bearing bronze bushing for the pin into and constitute a hinged axis Linkage is an important automotive engine parts it is connected to the piston and the crankshaft its role is to the reciprocating piston movement into rotary movement of the crankshaft and the role of the force in the piston to the crankshaft to the output power Link at work in addition to gas produced by the combustion chamber under pressure also have to face the vertical and horizontal inertia force Therefore the connecting rod in a complex work under the stress state It is subject to alternating stress of tension and compression but also by the bending stress Link the main form of fatigue damage and excessive deformation Usually the site of fatigue fracture in the connecting rod on the three regions of high stress Requirements of the working conditions of connecting rod connecting rod has higher strength and fatigue performance also requires adequate and toughness of steelThe connecting rod is one of the main driving medium of diesel engine this text expounds mainly the machining technology and the design of clamping device of the connecting rod The precision of size the precision of profile and the precision of position of the connecting rod is demanded highly and the rigidity of the connecting rod is not enough easy to deform so arranging the craft course need to separate the each main and superficial thick finish machining process Reduce the function of processing the surplus cutting force and internal stress progressively revise the deformation after processing can reach the specification requirement for the part finally Keyword Connecting rod Deformination Working environment Processing technology Design of clamping device 目录 摘要 I Abstract II 目录 III 第1章 绪论 1 11机车柴油机简介 1 com 柴油机概述 com油机简介 2 12连杆简介及连杆加工工艺分析 4 com作用 4 com械加工工艺技术关键分析 4 com要研究内容 第2章 连杆加工工艺规程 21机械加工工艺规程简介 6 com工工艺规程的作用 6 com工工艺规程的制定程序 6 22计算产品生产纲领确定生产类型 6 23审查零件图样工艺性 24选择毛坯 7 25工艺过程设计 8 com准的选择 8 com段的划分与工序顺序的安排 10 com艺路线 11 26 确定毛坯加工余量及毛坯尺寸 13 com算连杆机械加工余量的方法 13 com 设计毛坯图 27 部分重要工序设计 15 com分重要工序介绍 com分重要工序工序尺寸 16 com削用量及基本时间 17 第3章 夹具设计 28 31机床夹具的分类基本组成及功能 28 31 1机床夹具的分类 28 com具的基本组成 28 com用夹具的主要功能 28 com用夹具设计的基本要求 29 32 12V180C 系列柴油机连杆铣剖分面夹具设计 com指出 29 com 夹具设计 30 33 12V180C系列柴油机连杆镗大小头孔夹具设计29

com 问题的指出 com 夹具设计 32 结论 34 参考文献 35 致谢 36 附件1 37 附件2 62

第1章 绪论 11机车柴油机简介 com 柴油机概述

柴油机是一种动力机械它以柴油为燃料将柴油燃烧而产生的热能转化为机械能柴油机广泛应用在工农业交通运输国防及人民日常生活中柴油机的型式很多一般可按下述几种方式分类

①按工作方式二冲程四冲程 ②按汽缸数单缸多缸

③按汽缸直径95105135 mm 等

柴油的特点是自燃温度低所以柴油发动机无需要火花塞之类的点火装置它采用压缩空气的办法提高空气温度使空气温度超过柴油的自燃测试这时再喷入柴油柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧从性能上说国内传统柴油机一直给人以体积笨重振动噪声大以及排放污染严重的印象因此国产轿车基本都采用汽油发动机然而近年来国外知名车商开始将一些最新的柴油机技术引入到中国大大改善了国人对柴油机的偏见譬如一汽大众刚刚推出宝来TDI柴油发动机其环保性动力性以及平顺性都不逊于汽油机同时又具有柴油机特有的巨大扭力和超低油耗市场前景十分看好

2柴油机结构及工作原理

结构柴油机由燃烧室组件动力传递组件机体和主轴承配气机构燃油系统和调速器润滑系统冷却系统起动系统构成

工作原理柴油机工作时一般分为吸气压缩爆发排气等步骤开始时活塞从上止点下行到下止点将新鲜空气吸入气缸然后从下止点上行到上止点将吸入的气体压缩使其压力及温度升高当接近上止点时气体温度已超过柴油燃点此时由喷油嘴将柴油喷入迅速燃烧高温高压燃气推动活塞下行做功之后活塞再次从下止点上行将废气排出气缸完成一个循环活塞往复不停地工作带动连杆使曲轴转动就从曲轴上把动能传输出来1机车柴油机概述

机车柴油机locomotive diesel engine是指用于内燃机车内燃车组或内燃动车的柴油机机车柴油机具有高功率强化柴油机的典型特征一般为四冲程V型机以12缸16缸最为普遍也有直列式6810缸的柴油机的宽度和高度受铁路机车车辆限界标准的限制机车的允许轴重对柴油机重量也有一定的限制现代机车柴油机不断提高增压度见内燃机增压同时加大气缸排量大功率柴油机的单机功率已达5000千瓦平均有效压力为13～20兆帕燃料消耗率为200～225克千瓦²时柴油机的附件如冷却水散热器风扇和空气滤清器等均布置在机车厢内机油滤清器机油换热器一般也布置在机车厢内柴油机几乎都采用电起动方式只有个别的采用空气起动调速系统大多采用液压全速调速器并装有超速停机油压保护和超温卸载等自动安全保护装置

2对机车柴油机的性能要求

机车在铁路上运行时线路状况不时变化又需要按计划时间运行因而要求机车柴油机的转速和功率在相当宽的范围内变化从运行工况的时间比例来看部分负荷约占50％空转占40％左右而标定工况的使用时间很少铁路分布地区广泛列车运行时的自然环境条件也在改变这就要求柴油机具有广泛的适应能力

对机车柴油机的性能要求是不仅在标定工况下而且更重要的是在部分负荷和空转时燃油和机油的消耗量小经济性应与机车牵引特性相适应有一个经济性最好的最低空载稳定转速性能指标随环境条件的变化小噪声低排气烟尘和有害成分少冷机或热机均能连续可靠起动一般在5℃气温时起动时间不超过10秒

2机车柴油机在中国的发展历程

柴油机发明后屡经研究试图将柴油机用于铁路牵引1913年瑞典最先制造了以55千瓦 75马力 柴油机为动力的第一台电力传动内燃动车但在1950年以前铁路车辆的牵引动力主要仍是蒸汽机车50年代内燃机车因有较好的能源利用率可以改善列车牵引经济性而获得了广泛的应用并逐步取代了蒸汽机车到80年代初世界上内燃机车已占机车总数的23 中国于1958年自行制造内燃机车 长辛店机车车辆厂制成了国产第一台内燃机车---建设型直流电力传动调车内燃机车机车装有2台B2-300型柴油机总装车功率为2³300马力最高速度80kmh该机车基本上是按从匈牙利进口的ND1型内燃机车仿造试制的

1969年1970年和1977年四方厂戚墅堰厂和资阳内燃机车厂以下简称资阳厂先后制造了6台4500马力等级的东方红4型货运液力传动内燃机车机车装用2台16V200ZL型柴油机最高速度100kmh 1970年四方厂开始生产援助坦-赞铁路和越南等国的装用12V180ZJ型柴油机的1000马力的DFH1345型和2000马力的DFH2型液力传动内燃机车总数达163台这是最早走出国门的国产内燃机车本文所研究就是12V180ZJ型柴油机气缸盖的加工工艺过程

1999年8月戚墅堰厂和浦镇车辆厂合作制成了M9T双M编组的新曙光号电力传动双层内燃车组媒介动力车机车装用1台12V280ZJ型柴油机车组总功率为2³3750马力席位1140个最高速度180kmh试验时达到1904kmh其他工厂的内燃动车也正在试制开发当中 内燃动车组的发展不仅提高了铁路在国内运输市场的竞争能力还提高了在国际市场上的竞争能力也为21世纪初叶我国铁路客运提供了新的运输工具

3机车柴油机发展方向

机车柴油机发展重点是在机车车辆限界和机车轴重允许的条件下不断提高功率一个重要的趋势是采用低压缩比与二级增压相配合的方法提高功率提高可靠性和耐久性以延长柴油机寿命提高经济性特别是改善部分负荷过渡工况和空转时的经济性应用电子技术实现运行工况优化和故障自动监控降低噪声和减少排气中的有害成分防止污染改善机车用柴油机增压器的跟随性等

内燃机车可靠性与可维修性设计也是国外大功率内燃机车的一个发展方向经验表明大功率交流传动内燃机车无故障运行能力要比传统的直流传动内燃机车大４０％左右可靠性提高除通过结构方面的改进外一个显著的特点是叫可靠性技术的应用提高内燃机车可靠性问题不只是通过对薄弱零件改进来解决而且要将可靠性技术贯穿于内燃机车设计试验制造使用维修和管理等各个环节中形成一个系统工程在设计中除采用概率统计方法把影响应力和强度的各因素视为随机变量运用可靠性理论保证所设计的零部件具有规定的可靠度外还要进行可靠性规划与设计主要包括建立可靠性模型将系统可靠性指标分配给各级组成部分进行可靠性分配根据设计方案进行可靠性预测按照设计方案进行故障模式影响及危害性分析ＦＭＥＣＡ及故障树分析ＦＴＡ等找出影响可靠性安全性的关键部件及薄弱环节国产第４代内燃机车应具有可靠性维修性及模块化设计

图1-1活塞连杆组

连杆是将活塞的往复运动转变成曲轴旋转运动的中间构件

连杆由连杆小头杆身连杆大头三部分组成连杆小头承受着活塞组产生的往复惯性力杆身承受着气缸内燃机气压力所产生的压应力以及往复惯性力产生的拉应力由制造误差产生的杆身断面偏移也会在杆身上形成附加弯曲应力连杆大头承受着往复惯性力和不包括连杆盖在内的连杆离心惯性力

对连杆的基本要求是

1连杆小头应具有足够的强度和刚度并使连杆小头轴承比压控制在合理范围内

2杆身应具有足够的疲劳强度尽可能小的质量良好的锻造工艺性 3连杆大头应具有足够的刚度以减小运转时的变形防止轴承热熔接连焊轴承应具有足够的承载面积

4连杆螺栓应具有足够的疲劳强度和一定的超转速工作能力

本论文主要研究大内容主要有 确定加工的生产纲领及生产类型

确定的毛坯材料及尺寸确定毛坯加工余量 设计加工工艺

确定部分重要工序所用的工艺装备和设备 计算部分重要工序的切削用量和基本时间 设计重要工序所用的夹具 第2章 连杆加工工艺规程 21机械加工工艺规程简介 com工工艺规程的作用

1机械加工工艺规程是组织车间生产的主要技术文件机械加工工艺规程是车间中一切从事生产的人员都要严格认真贯彻执行的工艺技术文件按照它组织生产就能做到个工序科学的衔接实现优质高产和低消耗

2机械加工工艺规程是生产准备和计划调度的主要依据有了机械加工工艺规程在产品投入生产之前就可以根据它进行一系列的准备工作如原材料和毛坯的供应机床的调整专用工艺装备如专用夹具刀具和量具的设计制造生产作业计划的编排劳动力的组织以及生产成本的核算等有了机械加工工艺规程就可以制所生产产品的进度计划和相应的调度计划使生产均衡顺利的进行

3机械加工工艺规程是新建或扩建工厂车间的基本技术文件在新建或扩建工厂车间时只有根据机械加工工艺规程和生产纲领才能准确确定生产所需机床的种类和数量工厂和车间的面积机床的平面布置生产工人的工种等级数量以及个辅助部门的安排等

制定机械加工工艺规程的原始资料主要是产品图样生产纲领生产类型现场加工设备及生产条件等设计机械加工工艺规程的程序一般为

1分析加工零件的工艺性主要包括审查零件结构的工艺性及了解零件的各项技术要求分析产品的装配图和零件的工作图熟悉该产品的用途性能及工作条件明确被加工零件在产品中的位置和作用等

2熟悉和确定毛坯 3拟定加工工艺路线 4工序设计 5 编制工艺文件

180C柴油机的该产品年产量为150台设其备品率为10机械加工废品率为1现制定该活塞的机械加工工艺规程

N Qn 1αβ 150 1101 166件年

连杆的年产量为166件现已知该产品属于轻型机械根据《机械制造工艺设计简明手册》表11-2生产类型与生产纲领的关系可确定其生产类型为中批生产

零件图样的视图正确完整尺寸公差及技术要求齐全 24选择毛坯

连杆在工作中承受多向交变载荷的作用要求具有很高的强度因此连杆材料一般采用高强度碳钢和合金钢如45钢55钢40Cr40CrMnB等近年来也有采用球墨铸铁的粉末冶金零件的尺寸精度高材料损耗少成本低随着粉末冶金锻造工艺的出现和应用使粉末冶金件的密度和强度大为提高因此采用粉末冶金的办法制造连杆是一个很有发展前途的制造方法

连杆毛坯制造方法的选择主要根据生产类型材料的工艺性可塑性可锻性及零件对材料的组织性能要求零件的形状及其外形尺寸毛坯车间现有生产条件及采用先进的毛坯制造方法的可能性来确定毛坯的制造方法根据生产纲领为大量生产连杆多用模锻制造毛坯连杆模锻形式有两种一种是体和盖分开锻造另一种是将体和盖锻成体整体锻造的毛坯需要在以后的机械加工过程中将其切开为保证切开后粗镗孔余量的均匀最好将整体连杆大头孔锻成椭圆形相对于分体锻造而言整体锻造存在所需锻造设备动力大和金属纤维被切断等问题但由于整体锻造的连杆毛坯具有材料损耗少锻造工时少模具少等优点故用得越来越多成为连杆毛坯的一种主要形式总之毛坯的种类和制造方法的选择应使零件总的生产成本降低性能提高

目前我国有些生产连杆的工厂采用了连杆辊锻工艺图1-2为连杆辊锻示意图．毛坯加热后通过上锻辊模具2和下锻辊模具4的型槽毛坏产生塑性变形从而得到所需要的形状用辊锻法生产的连杆锻件在表面质量内部金属组织金属纤维方向以及机械强度等方面都可达到模锻水平并且设备简单劳动条件好生产率较高便于实现机械化自动化适于在大批大量生产中应用辊锻需经多次逐渐成形

图连杆辊锻示意图

图给出了连杆的锻造工艺过程将棒料在炉中加热至1140～1200C0先在辊锻机上通过四个型槽进行辊锻制坯见图然后在锻压机上进行预锻和终锻再在压床上冲连杆大头孔并切除飞边见图锻好后的连杆毛坯需经调质处理使之得到细致均匀的回火索氏体组织以改善性能减少毛坯内应力为了提高毛坯精度连杆的毛坯尚需进行热校正

连杆必须经过外观缺陷内部探伤毛坯尺寸及质量等的全面检查方能进入机械加工生产线

辊锻制坯

在连杆机械加工工艺过程中大部分工序选用连杆的一个指定的端面和小头孔作为主要基面并用大头处指定一侧的外表面作为另一基面这是由于端面的面积大定位比较稳定用小头孔定位可直接控制大小头孔的中心距这样就使各工序中的定位基准统一起来减少了定位误差具体的办法是如图15所示在安装工件时注意将成套编号标记的一面不

图连杆的定位方向

与夹具的定位元件接触在设计夹具时亦作相应的考虑在精镗小头孔及精镗小头衬套孔时也用小头孔及衬套孔作为基面这时将定位销做成活动的称假销当连杆用小头孔及衬套孔定位夹紧后再从小头孔中抽出假销进行加工 为了不断改善基面的精度基面的加工与主要表面的加工要适当配合即在粗加工大小头孔前粗磨端面在精镗大小头孔前精磨端面

由于用小头孔和大头孔外侧面作基面所以这些表面的加工安排得比较早在小头孔作为定位基面前的加工工序是钻孔扩孔和铰孔这些工序对于铰后的孔与端面的垂直度不易保证有时会影响到后续工序的加工精度

在第一道工序中工件的各个表面都是毛坯表面定位和夹紧的条件都较差而加工余量和切削力都较大如果再遇上工件本身的刚性差则对加

工精度会有很大影响因此第一道工序的定位和夹紧方法的选择对于整个工艺过程的加工精度常有深远的影响连杆的加工就是如此在连杆加工工艺路线中在精加工主要表面开始前先粗铣两个端面其中粗磨端面又是以毛坯端面定位因此粗铣就是关键工序在粗铣中工件如何定位呢一个方法是以毛坯端面定位在侧面和端部夹紧粗铣一个端面后翻身以铣好的面定位铣另一个毛坯面但是由于毛坯面不平整连杆的刚性差定位夹紧时工件可能变形粗铣后端面似乎平整了一放松工件又恢复变形影响后续工序的定位精度另一方面是以连杆的大头外形及连杆身的对称面定位这种定位方法使工件在夹紧时的变形较小同时可以铣工件的端面使一部分切削力互相抵消易于得到平面度较好的平面同时由于是以对称面定位毛坯在加工后的外形偏差也比较小

com段的划分与工序顺序的安排

连杆的主要加工部位是大小头端面大小头孔次要加工部位是各种螺纹孔及倒角除机械加工外还有调质处理划螺纹孔线探伤等另外在机械加工过程后还安排了钳工倒角去毛刺并对连杆进行喷丸处理为连杆的组装做好准备

加工阶段的划分 连杆机械加工工艺过程

连杆的机械加工工艺过程大致可以分为加工基准面粗钻铣大小头平面及大小头孔调质处理半精钻铣大小头平面及大小头孔分离连杆和连杆盖精铣基准面并进行磨削钻铰锪各种孔精钻铣大小头平面及小头孔和大头轴瓦研磨重要孔的支撑面钳工倒角去毛刺探伤后钳工清洗组装

连杆的大小头平面及大小头孔的技术要求都很严格所以对于这些端面安排了粗铣半精铣精车铣对于180C柴油机连杆进行粗加工时以大小头两端面作为精基准所以先粗加工大小头端面然后再加工其他各主要表面各种孔的加工集中在连杆与连杆盖连接处所以将各种孔加工完之后再精铣大小头端面以保证重要加工表面不被破坏或划伤

连杆盖机械加工工艺过程

连杆盖的机械加工工艺过程大致可以分为半精铣对接面划孔线车孔精铣对接面钻铰各孔磨螺钉面修正圆角钳工组装划瓦槽铣瓦槽钳工组装

对于连杆盖进行粗加工时以连杆盖一侧的一端面作为粗基准然后以对接端面作为精基准加工其他的重要表面

二工序安排

在连杆加工中有两个主要因素影响加工精度

1连杆本身的刚度比较低在外力切削力夹紧力的作用下容易变形

2连杆是模锻件孔的加工余量大切削时将产生较大的残余内应力并引起内应力重新分布

因此在安排工艺进程时就要把各主要表面的粗精加工工序分开即把粗加工安排在前半精加工安排在中间精加工安排在后面这是由于粗加工工序的切削余量大因此切削力夹紧力必然大加工后容易产生变形粗精加工分开后粗加工产生的变形可以在半精加工中修正半精加工中产生的变形可以在精加工中修正这样逐步减少加工余量切削力及内应力的作用逐步修正加工后的变形就能最后达到零件的技术条件

各主要表面的工序安排如下 1两端面粗铣精铣粗磨精磨

2小头孔钻孔扩孔铰孔精镗压入衬套后再精镗 3大头孔扩孔粗镗半精镗精镗金刚镗珩磨

一些次要表面的加工则视需要和可能安排在工艺过程的中间或后面 制定工艺路线即工序设计其主要内容包括机床与工艺装备的选择加工余量的确定工序尺寸的确定切削用量的确定时间定额的确定等在此先确定工艺路线再在后面详细论述机床与工艺装备的选择加工余量的确定工序尺寸的确定切削用量的确定时间定额的确定等内容

制定柴油机加工工艺路线的出发点应当是使其能够合理保证气缸盖的几何形状尺寸精度及位置精度等技术要求在小批量生产的生产纲领下可以考虑广泛采用技术水平较高的数控机床及加工中心并尽量使工序集中来提高生产率除此之外还应当综合考虑零件特点和技术要求工艺设备与装备的具体使用条件及经济因素等可初步确定其加工工艺路线为

制定180C柴油机连杆工艺路线的出发点应当使连杆的几何形状尺寸精度及位置精度等技术要求得到合理保证在中批生产的生产条件下可以考虑采用通用夹具和部分专用夹具等并尽量使工序集中来提高生产率除此之外还应当考虑经济因素以降低生产成本 因此经过综合考虑最终确定180C柴油机连杆加工工艺过程如下表2-1连杆盖的加工工艺过程如下表2-2 表2-1 180C柴油机连杆加工工艺过程 序号 工序名称 定位基准

面

面 铣一步大平面及小平面 大小头平铣二步小头平面

大小头平2 铣二步大平面 大小头平面钻小头孔66

大小头平面 铣小头孔至695上偏差01 大铣另一侧面188±

9小头平面铣工艺面94±01 大小头孔

01 基面和一侧面粗镗大头孔134 基面和一侧面以及小头孔 铣工字型副板

铣落刀槽14两侧 基面和一侧面精铣外形 基面和一侧面精铣盖顶面及螺钉面 锯开 精铣一14 半精铣对接面钻扩铰各孔攻丝

步大平面 基面和一侧面精铣另一大平面及小平面 基面和一侧面半精镗大小孔 基面和铣R25R5818 精铣另一小头平面 基面和一侧面

一侧面以及大小头孔 基面和一侧面 铣两面肋 基面和一侧面 铣R75 基面和一侧面 车1795下偏差-02车185 侧面 24 车大端156165及148 25 磨两平面 基面和一铣瓦槽 基

3026 精镗大小头孔 基面和一侧面以及大小头孔 钻2-6油孔

面和一侧面以及小头孔 铣小孔倒角 铣7°斜

配重

钢质锻模件的机械加工余量按JB3835-85确定根据估算的锻件质量加工精度及锻件形状复杂系数由《机械制造工艺简明手册》表22-25可查得除孔以外各内外表面的加工余量孔的加工余量由《机械制造工艺简明手册》表22-24查得表中余量值为单面余量

1锻件质量 根据零件成品质量估算锻件质量为1352kg 2加工精度 零件表面均为精加工和磨削加工精度 3机械加工余量 用查表法确定机械加工余量 根据《机械加工工艺手册》第一卷 表3225 表3226 表3227平面加工的工序余量mm 平面加工的工序余量mm 单面加工方法 单面余量 经济精度 工序尺寸 表面粗糙度

125

粗铣 IT12 69

125

精铣

毛

坯

06 IT10 678 32 08 粗磨 03 IT8 672 16

精磨 01 IT7 67 则连杆两端面总的加工余量为

A总

A粗铣A精铣A粗磨A精磨2 150603012 mm 2连杆铸造出来的总的厚度为H 67 72mm 一确定毛坯尺寸公差

连杆的锻件质量1352kg形状复杂系数S242CrMoA中合金元素含量大于30按《机械制造工艺设计简明手册》表22-11锻件的材质系数为M2采取平直分模线锻件为精密精度等级则毛坯的公差可从《机械制造工艺设计简明手册》表22-1422-17查得

连杆毛坯的尺寸公差如表2-2毛坯的同轴度误差允许值为12mm残留飞边为12mm 毛坯图表2-连杆锻件尺寸公差mm 零件尺寸 单面加工余量 锻件尺寸 偏差

Φ137 15 Φ134 1795 425

188

Φ77

Φ66 70 1 72

1 65

com分重要工序介绍

一连杆两端面的加工

采用粗铣精铣粗磨精磨四道工序并将精磨工序安排在精加工大小头孔之前以便改善基面的平面度提高孔的加工精度粗磨在转盘磨床上使用砂瓦拼成的砂轮端面磨削这种方法的生产率较高精磨在M7130型平面磨床上用砂轮的周边磨削这种办法的生产率低一些但精度较高

连杆大小头孔的加工

连杆大小头孔的加工是连杆机械加工的重要工序它的加工精度对连杆质量有较大的影响

小头孔是定位基面在用作定位基面之前它经过了钻扩铰三道工序钻时以小头孔外形定位这样可以保证加工后的孔与外圆的同轴度误差较小

小头孔在钻扩铰后在金刚镗床上与大头孔同时精镗达到IT6级公差等级然后压入衬套再以衬套内孔定位精镗大头孔由于衬套的内孔与外圆存在同轴度误差这种定位方法有可能使精镗后的衬套孔与大头孔的中心距超差

大头孔经过扩粗镗半精镗精镗金刚镗和珩磨达到IT6级公差等级表面粗糙度Ra 为04μm大头孔的加工方法是在铣开工序后将连杆与连杆体组合在一起然后进行精镗大头孔的工序这样在铣开以后可能产生的变形可以在最后精镗工序中得到修正以保证孔的形状精度 连杆螺栓孔的加工

连杆的螺栓孔经过钻扩铰工序加工时以大头端面小头孔及大头一侧面定位 为了使两螺栓孔在两个互相垂直方向平行度保持在公差范围内在扩和铰两个工步中用上下双导向套导向从而达到所需要的技术要求

粗铣螺栓孔端面采用工件翻身的方法这样铣夹具没有活动部分能保证承受较大的铣削力精铣时为了保证螺栓孔的两个端面与连杆大头端面垂直使用两工位夹具连杆在夹具的工位上铣完一个螺栓孔的两端面后夹具上的定位板带着工件旋转1800 铣另一个螺栓孔的两端面这样螺栓孔两端面与大头孔端面的垂直度就由夹具保证

连杆体与连杆盖的铣开工序

剖分面亦称结合面的尺寸精度和位置精度由夹具本身的制造精度及对刀精度来保证为了保证铣开后的剖分面的平面度不超过规定的公差003mm 并且剖分面与大头孔端面保证一定的垂直度除夹具本身要保证精度外锯片的安装精度的影响也很大如果锯片的端面圆跳动不超过002 mm则铣开的剖分面能达到图纸的要求否则可能超差但剖分面本身的平面度粗糙度对连杆盖连杆体装配后的结合强度有较大的影响因此在剖分面铣开以后再经过磨削加工

大头侧面的加工

以基面及小头孔定位它用一个圆销小头孔装夹工件铣两侧面至尺寸保证对称此对称平面为工艺用基准面

确定工序尺寸的一般方法是由加工表面的最后工序往前推算最后工序的工序尺寸按零件图样的要求标注当无基准转换时同一表面多次加工的工序尺寸与工序或工步的加工余量有关当基准不重合时工序尺寸应用工序尺寸链解算 确定各主要面的工序尺寸

圆柱表面多次加工的工序尺寸只与加工余量有关前面根据有关资料已经查出本零件各圆柱面的总加工余量毛坯余量应将总加工余量分为各工序加工余量然后由后往前计算工序尺寸中间工序尺寸的公差按加工方法的经济加工精度确定

根据《机械制造技术基础课程设计指导教程》 表229 表234 1大头孔各工序尺寸及其公差铸造出来的大头孔为55 mm 工序名称 工序基 本余量 工序经济

精度 工序尺寸 最小极限尺寸 表面粗糙度

1375 16 半精镗 1

137 16 134 134 125

精镗

04

1375136

二次粗镗 2 扩孔 136 63 一次粗镗 2 132 132 2小头孔各工序尺寸及其公差

根据《机械制造技术基础课程设计指导教程》 表229表230 工序

名称 工序基本余量 工序经济 精度 工序

尺寸 最小极限尺寸 表面 粗糙度

精镗

02

Φ7749 Φ7749 16

半精镗 02

Φ7729Φ7729 64

Φ68 二次粗镗 9 Φ68

125

Φ771 Φ771 125 一次粗镗 锻至Φ68 1铣连杆大小头平面 选用X52K机床

根据《机械制造工艺设计手册》表2481选取数据

铣刀直径D 100 mm 切削速度Vf 247 ms 切削宽度 ae 80 mm 铣刀齿数Z 6 切削深度ap 3 mm 则主轴转速n 1000vD 475 rmin 根据表3131 按机床选取n 500 min 则实际切削速度V Dn1000³60 267 ms 铣削工时为按表2510 L 3 mm L1 15 50 mm L2 3 mm 基本时间tj Lfm z 32003 500³018³6 038 min 按表2546 辅助时间ta 04³045 018 min 粗磨大小头平面 选用M7350磨床

根据《机械制造工艺设计手册》表24170选取数据 砂轮直径D 40 mm 磨削速度V 033 ms 切削深度ap 03 mm fr0 0033 mmr Z 8 则主轴转速n 1000vD 1588 rmin 根据表3148 按机床选取n 100 rmin 则实际磨削速度V Dn1000³60 020 ms 磨削工时为按表2511 基本时间tj zbknfr0z 03³1 100³0033³8 001 min 按表3140 辅助时间ta 021 min 铣大头两侧面

选用铣床X62W 根据《机械制造工艺设计手册》表2477 88 选取数据

铣刀直径D 50 mm 切削速度V 064 ms 铣刀齿数Z 3 切削深度ap 4 mm af 010 mmr 则主轴转速n 1000vD 611 rmin 根据表3174 按机床选取n 750 rmin 则实际切削速度V Dn1000³60 078 ms 铣削工时为按表2510 L 40 mm L1 15 85 mm L2 25 mm 基本时间tj Lfmz 408525 750³010³3 023 min 按表2546 辅助时间ta 04³045 018 min 粗镗大头孔 选用镗床T68 根据《机械制造工艺设计手册》表2466选取数据

铣刀直径D 135m 切削速度V 016 ms 进给量f 030 mmr 切削深度ap 30 mm 则主轴转速n 000vD 47 rmin 根据表3141 按机床选取n 800 rmin 则实际切削速度V Dn1000³60 272 ms 镗削工时为 按表253 L 38 mm L1 35 mm L2 5 mm 基本时间tj Lifn 38355 030³800 019 min 按表2567 辅助时间ta 050 min 铣开连杆体和盖 选用铣床X62W 根据《机械制造工艺设计手册》表2479 90 选取数据

铣刀直径D 63 mm 切削速度V 034 ms 切削宽度ae 3 mm 铣刀齿数Z 24 切削深度ap 2 mm af 0015 mmr d 40 mm 则主轴转速n 1000vD 103 rmin 根据表3174 按机床选取n 750 rmin 则实际切削速度V Dn1000³60 247 ms 铣削工时为 按表2510 L 17 mm L1形容词节点甲 飞机 3 节点乙 鱼片 形容词节点丙 飞机 3 节点乙 鱼片 形容词节点甲 飞机-1 节点丙 飞机 A C not_a_blind_slot 甲乙丙

图4 步骤 图5 盲步骤 图6 焊盘 图7 洞 图8 盲孔

一种原始的功能是通过合并形成的边界面孔的原根的功能突变的成员根本特点和成员的边界将面临着一个家庭的一个原始的特征[ 16 ] 原始功能中可能存在三个礼仪 一独立 二与另一原始功能形成一个复杂的功能或 iii 与其他复杂的功能形成一个高层次复杂的功能下一水平的塑料制品的特点是复杂的功能这是所形成的相互作用的两个原始的塑料产品功能

有四种类型的功能互动边界脸边界面临 bb 段的相互作用根面临边界面临经常预算的相互作用根面临根面居民的相互作用和边界面临根面巴西的相互作用在BB心跳的互动这两个功能有一个共同的边界脸在经常预算的互动边界面对的一

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

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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

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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

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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

重庆大学硕士学位论文

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

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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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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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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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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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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。

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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

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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：用建构主义学习理论构建职业教育新型师生关系论文

关键词：建构主义构建职业教育师生关系

摘要：构建新型师生关系的理论依据是建构主义学习理论。构建新型师生关系有重要的现实意义和重大的历史作用；调查情况显示学生发展需要、教学目的要求阐释其必然性；教师角色多元化，突出主导性，以学生为中心，突出主体性，构建新型师生关系，积极建构职业教育新课程标准，以适应未来教育现代化要求。

1．构建新型师生关系的理论依据。

随着课程改革的全面推进和现代教育技术的发展，建构主义(con一structivism)学习理论给教学或学习带来一场革命启示。有以下观点：学习过程不是学习者被动地接受知识，是在与环境交互作用的过程中主动地建构内部心理表征的过程；学习活动是以学习者为中心，是真实的；意义建构是学习的目的；强调以学习者为中心，“情境”、“协作”、“会话”、“意义建构”是学习环境中四大要素；学习是与一定的社会文化背景即“情景”相联系的，通过“同化”与“顺应”达到对新知识意义的建构；同化与顺应离不开原有认知结构中的知识、经验与表象。”

2．构建新型师生关系的现实意义。

教育是在人与人之间的交往中展开的，师生关系在很大程度上决定着教育的质量和效果。构建新型师生关系是体现学校办学理念的需要，有利于学生的健康成长和教育事业发展，在学校教育中具有重要的地位。社会发展呼唤新型的师生关系。

2．1新型师生关系的内涵。师生关系是教学活动中最基本的关系。新型师生关系是完成教学任务的教与学的关系，也有情感行为的心理关系等。它是一种特殊的人际关系，是教师与学生在日常的正式与非正式的交往过程中形成的。受制于一定的制度、教学规范。苏联教育家克鲁普斯卡娅说：“教育新人就是形成人与人之间的新关系，教育的本质就在于建立个人与集体和社会这种实际联系和关系的体系，以保证个人的社会化”。‘

2．2构建新型师生关系的作用。良好的师生关系能促进教师个人魅力的辐射和渗透，激发学生的创新灵感，使学生全面成长成才。构建新型的师生关系(OnNewTeachers舢dentRelationship)，达到素质教育的目的，是我国社会主义新时期的历史使命。

2-3．1调查情况醒示。据北京市教科院基础教育研究所的一份调查，北京市93．1名的中小学教师感到当教师越来越不容易，压力很大，如有机会想调换工作的占50．8％，只有17．5％的教师愿意终身从事这一职业。分析原因：～是教育改革与发展对教师提出越来越高的要求，二是生源减少引发教师岗位的竞争，三是学生考试成绩与教师业绩评价导向，四是社会对教师职业过高要求。国内研究者对中小学生选择最有威信的教师的类型进行了研究。调查表明，学生最佩服、最喜爱的教师都具有开明、温和、理解、信任等人格特征。调查警示我们，一是要引导教师增强危机意识和自我发展意识：二是要改进管理思想和方式，尊重学生人格和合法权利；再者，建立起民主平等的新型师生关系。

2．3．2学生发展的需要。学生发展的前提是自信。自信是学生终身学习的基石。教师要保护和培养学生学习的自信心，就要承认人才的多样性，发展先后性，特长侧重性，多看学生的长处，允许他们存在缺陷和不足。

2-3-3教学目的要求。教学目的的一个重要方面，就是培养学生在已知基础上探求未知的能力。一是教师要善于把已知当未知。教师要努力在教学研究的过程中形成自己的见解，不当“传声筒”。二是教师要善于把学生当先生。“教学相长”成为真正的现实，正如《新课程标准实施纲要》指出的：“教师在教学过程中应与学生积极互动、共同发展。”

3．教师角色多元化

3．1学习活动的组织者。教师与课程同步发展，是学习活动的组织者。学习是学校发展的源动力，教师创设一种每个人都参与学习，发表见解，独立或协同学习的班组氛围。教是为了不教，使学生成为追求知识的主人。二是系统思维灵活运用多种教学策略，在与学生平等对话互动中点拨和指导，实现教学相长。

3．2综合信息的提供者。教学中，教师是各种综合信息的提供者，学生新知识学习的“先行组织者”。一是更好地“用教材”、“用信息”，不是“教教材”。二是教师给学生的学习提供适当的“脚手架”，以缩短学生原有知识经验与新的知识经验之间的距离。

3．3技能操作的合作者。职业教育教学必须突出实践性。教师要选择出以学生的经验与生活为核心的实践性课程形态。一是基于学生的直接经验。二是密切联系学生自身生活和社会生活。三是体现对知识的综合运用。把技能操作过程变成师生合作，共同发展的互动过程。

3．4创新能力的培养者。创新是教育的最高境界和终极目标。教育目标是通过教学活动实现。特点是将教学目的以传授知识为中心转向以学生发展为中心；教学过程以封闭式转向开放式。培养学生创新精神，创新情感、创新思维的创新能力。

3．5校本开发的研究者。教师是教育教学的研究者，尤其体现在校本研发。一是要有教科研精神，追求教育教学新境界。二是教学过程要以研究者的心态置身教学情景中，以研究者眼光审视和分析学习理论与教学实践，探求解决问题的途径与方法，提高教学质量和效益。

3．6就业服务的指导者。职业院校教师是学生就业服务的指导者。一是指导学生树立正确的就业观念。指导学生理性分析形势，坚持相关原则，适应市场经济双向选择。二是指导学生具备一定技能以适应，尽快顺利择业、就业、创业。

4．学生为中心的主体性。

提倡以教师为主导，教师是教学中的引导者、促进者，是“平等中的首席”。学生为主体，学生学习知识时的意义建构，是在真实的任务情境中，合作与对话中实现。使“知识在对话中生成，在交流中重组，在共享中倍增”。

总之，教师必须具备现代教育理念，不断完善自己的专业素质，职业品质及教育教学能力，扮演好多元角色，要以学生为中心突出主体性，构建新型师生关系。像美国著名课程专家多尔所说：教师是“平等中的首席“。