摘 要

作为航向控制的重要设备，船舶舵机起着至关重要的作用，为了保证舵机的稳定运行，因此必须要分析船舶舵机的运行特性。在研究船舶舵机运行特性的方法上，一般有两种方法：软件仿真和实船试验。考虑到实船试验复杂的工作环境，高昂的试验成本，大量的试验时间以及极限的工作状态，特别是无法保证极限工况下的安全性，实现船舶舵机实船试验是非常困难的。而通过软件仿真恰好能解决这些问题，对舵机系统进行仿真分析，能够节约时间和成本，同时也能保证安全。

本文以川崎-武汉型电动液压舵机为研究对象，分析其系统结构和工作原理，建立仿真模型，研究舵机系统的运行特性。对于液压舵机的仿真分析采用AMESim与Simulink联合仿真来进行，液压舵机的液压回路物理模型在AMESim中建立，经过数学建模分析构建的水动力模型在Simulink中建立，二者通过仿真接口来进行数据交换，构成舵机系统的联合仿真模型。在不同工作状态和参数下，对液压舵机的模型进行联合仿真，分析舵机的运行特性。通过对结果的分析，验证液压舵机联合仿真模型的正确性，得出结论：舵角增大会导致转舵力矩增大，在舵角比较大时，转舵力矩受到船舶航速和舵叶浸水面积的影响非常大；改变舵机的参数进行运行特性分析，结果表明可以通过适当减小油缸容积来提高转舵速度，增大系统总粘度阻尼系数可以缩短响应时间但影响不大。

关键词：液压系统；AMESim；Simulink；船舶

ABSTRACT

The ship's steering gear which is an important equipment of course control plays an important role. It is necessary to analyze the operation characteristics of the ship's steering gear to ensure the stable operation of the steering gear. Generally, there are two methods to study the operation characteristics of ship steering gear: software simulation and real ship test. Considering the complex working environment, high test cost, a large number of test time and limit working conditions, especially the inability to ensure the safety under the limit working conditions, it is very difficult to realize the real ship test of ship steering engine. Through the software simulation, these problems can be solved, and the simulation analysis of the steering system can save time and cost, but also ensure safety.

This paper takes Kawasaki Wuhan electric hydraulic actuator as the research object, analyzes its system structure and working principle, establishes a simulation model to study the operating characteristics of the actuator system. AMESim and Simulink are used for the simulation analysis of the hydraulic steering gear. The physical model of the hydraulic circuit of the hydraulic steering gear is established in AMESim. The hydrodynamic model is established in Simulink after the mathematical modeling analysis. The two models exchange data through the simulation interface to form the joint simulation model of the steering gear system. Under different working conditions and parameters, the model of the hydraulic steering gear is simulated and the running characteristics of the steering gear are analyzed. Through the analysis of the results, the correctness of the joint simulation model of the hydraulic steering engine is verified, and the conclusion is drawn: the increase of the rudder angle will lead to the increase of the rudder moment. When the rudder angle is large, the rudder moment is greatly affected by the speed of the ship and the flooded area of the rudder blade; the change of the parameters of the steering engine can be used to analyze the operation characteristics, and the results show that the rudder speed can be improved by properly reducing the volume of the oil cylinder Increasing the damping coefficient of the total viscosity can shorten the response time but has little effect.

Key Words：hydraulic system；AMESim； Simulink；ship

目录

第1章 绪论 1

1.1课题的研究背景及意义 1

1.2国内外的研究现状 2

1.2.1国内外液压舵机研究 2

1.2.2 国内外液压仿真技术发展现状 2

1.3研究的内容及目标 3

第2章 舵机系统概述 5

2.1 舵机的分类和组成 5

2.2泵控型舵机的工作原理 6

2.3船舶液压舵机系统的数学模型 7

2.3.1油泵的流量模型 7

2.3.2转舵油缸模型 8

2.3.3舵的水阻力矩计算模型 9

2.3.4舵角求解模型 11

第3章 舵机仿真模型的建立 12

3.1AMESim-Simulink联合仿真技术 13

3.2舵机仿真模型的搭建 14

3.2.1舵机系统的AMESim模型 14

3.2.2舵机系统水动力的Simulink模型 15

3.2.3舵机系统的联合仿真设计及实现 16

3.2.4代数环的解决方法 17

第4章 仿真分析 18

4.1舵角从-35°到35°运行下的舵角曲线 18

4.2航速和浸水面积对转舵力矩的影响 20

4.3参数改变对舵机系统的影响 21

4.4仿真结果分析 22

第5章 结论与展望 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

习总书记提出二十一世纪海上丝绸之路战略后，我国加快了海运业的建设，逐渐跨入到世界航运大国的行列。结合习总书记对航运事业的态度，我们可以知道，在当前这个瞬息万变的时代，国家竞争力的体现是在方方面面的，船运事业的发展必须要跟上国家的发展步伐。在战略层面来看，船舶工业的发展为我国海军实力的增长奠定了坚实的基础，是事关国家安危的产业，在民生角度来看，国民的衣食住行都与航运事业息息相关，是惠及全民的大事。

航运事业的飞速发展离不开船舶稳定、高效的运行，这不仅要求船舶具有运行良好的动力系统，还要求船舶在航行中保持精准的航线。船舶舵机主要用于改变船舶航行方向，所以舵机的反应灵敏性以及转舵的精准度会直接影响船舶航行的安全性^[1]。当某个方向的水流冲击力作用在舵叶上时，舵叶受到流体动力，舵叶再通过舵杆将力传递给船体，从而实现船舶航行方向的改变。航行过程中如果舵机发生故障，就像汽车失去方向盘一样，轻则影响船舶的正常航行，重则造成重大的经济损失，甚至会发生重大的海难事故。这就对船舶安全航行提出了更高的要求，而舵机作为控制船舶航向的重要设备，对其进行仿真研究具有实际意义。

作为船舶航行控制的重要执行机构，船舶舵机系统的好坏直接影响着船舶操作性能，计算机建模仿真技术可以对所舵机模型进行不同海况中的模拟性能试验，建模仿真技术不仅可以降低时间和资金成本，还可以对一些极端、危险的海况进行模拟，有利于提高舵机的工作上限。通过对计算机对仿真模型的测评、分析，可以对系统中的组件进行改良，从而提高舵机的精准性、可靠性等。研究分析船舶舵机液压系统的工作原理以及液压传动机构，可以得出系统元件的建模方案。依靠AMESim丰富的模型库，用户可以在AMESim中按照实际舵机系统将其中的复杂机械分为若干模块从而构建出自定义模块或仿真模型，大大提高液压系统的建模仿真的便利性^[2]。在此基础上，考虑液压舵机在实际工作过程中的情况，我们可以借助Simulink来建立舵机的数学模型，还可以根据需求自行在MATLAB中编写所需要的程序，并与AMESim进行联合，这样的联合进一步发挥出了AMESim强大的液压元件的仿真效果以及MATLAB强大的数值处理能力。建立舵机联合仿真模型，很有效地弥补了单一软件仿真技术的不足，大大提高了仿真技术的真实性、准确性^[3]_。利用专业仿真软件对模型做出分析，不仅可以得到系统中的组件应该如何优化的建议，而且随着技术手段的不断升级，在对船舶舵机系统进行仿真与动态分析时，高效、合理的选择出系统在最佳状态时各组件的参数也变得更为容易。

1.2国内外的研究现状

1.2.1国内外液压舵机研究