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新型电液舵机的自抗扰控制算法及试验研究

陈宗斌 廖健 刘帮会

陈宗斌, 廖健, 刘帮会. 新型电液舵机的自抗扰控制算法及试验研究[J]. 中国舰船研究, 2022, 17(1): 166–175 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02222
引用本文: 陈宗斌, 廖健, 刘帮会. 新型电液舵机的自抗扰控制算法及试验研究[J]. 中国舰船研究, 2022, 17(1): 166–175 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02222
CHEN Z B, LIAO J, LIU B H. Application research on active disturbance rejection control algorithm and test of electro-hydraulic steering gear[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2022, 17(1): 166–175 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02222
Citation: CHEN Z B, LIAO J, LIU B H. Application research on active disturbance rejection control algorithm and test of electro-hydraulic steering gear[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2022, 17(1): 166–175 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02222

新型电液舵机的自抗扰控制算法及试验研究

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02222
基金项目: 国防科技重点实验室基金资助项目(6142204180301);湖北省自然科学基金资助项目(2020CFB156)
详细信息
    作者简介:

    陈宗斌,男,1992年生,博士,助理研究员。研究方向:低噪声液压元件设计。E-mail:czb199268@163.com

    廖健,男,1989年生,博士,副研究员。研究方向:低噪声液压系统设计。E-mail:jl_zss@163.com

    通信作者:

    廖健

  • 中图分类号: U664.4+1;TH137

Application research on active disturbance rejection control algorithm and test of electro-hydraulic steering gear

知识共享许可协议
新型电液舵机的自抗扰控制算法及试验研究陈宗斌,等创作,采用知识共享署名4.0国际许可协议进行许可。
  • 摘要:   目的  直驱式容积控制的新型电液舵机是典型的大惯量小阻尼系统,为解决其控制快速性、稳定性以及安静性之间的矛盾,需开展电液舵机的自抗扰控制研究。  方法  首先,建立电液舵机的自抗扰控制(ADRC)模型,重点设计过渡过程以缓解启停瞬间的液压冲击;然后,搭建实物控制试验台,通过分析实物控制过程的稳定性问题,相应调整算法的滤波效果,并增加输出滤波预估模块,从而预报并补偿电液舵机的大时滞;最后,开展算法优化前后的控制性能对比测试。  结果  试验结果表明:在改进的自抗扰控制算法作用下,电液舵机启停瞬态的结构振动降幅约6~10 dB,位置控制精度在1 mm以内,在负载冲击等外界干扰下具有较好的稳定性和跟随性。  结论  研究成果可为大惯量小阻尼系统的稳定控制和自抗扰控制算法的工程化应用提供参考。
  • 图  新型电液舵机的系统原理和控制逻辑

    Figure  1.  System principle and control logic of a new electro-hydraulic steering gear

    图  主控制器的自抗扰控制算法

    Figure  2.  Active disturbance rejection control algorithm for main controller

    图  实物控制仿真平台

    Figure  3.  Physical control simulation platform

    图  样机的响应曲线

    Figure  4.  Response curve of the prototype

    图  电机转速的响应曲线

    Figure  5.  Response curve of motor speed

    图  来回打舵的响应曲线

    Figure  6.  Response curve of reciprocating motion

    图  fal函数曲线

    Figure  7.  fal function curve

    图  fhan函数曲线

    Figure  8.  fhan function curve

    图  fhan函数等高线

    Figure  9.  fhan function contour

    图  10  改进的ADRC控制算法结构框图

    Figure  10.  Structure block diagram of improved ADRC control algorithm

    图  11  算法改进前后的控制效果响应曲线对比

    Figure  11.  Comparison of control effects before and after algorithm improvement

    图  12  图11的稳态放大图

    Figure  12.  Steady state enlarged view of Fig. 11

    图  13  变舵角打舵曲线

    Figure  13.  Variable rudder angle steering curve

    图  14  位移跟踪性能曲线(0.02 Hz)

    Figure  14.  Displacement tracking performance curve(0.02 Hz)

    图  15  300 kN负载工况下的位移响应曲线

    Figure  15.  Displacement response curve under 300 kN load condition

    图  16  电机转速的响应曲线

    Figure  16.  Response curve of motor speed

    图  17  负载冲击下的位移响应曲线

    Figure  17.  Displacement response curve under load impact

    图  18  液压缸输出速度的响应曲线

    Figure  18.  Speed response of hydraulic cylinder

    图  19  电液舵机的实船安装示意图

    Figure  19.  Installation diagram of electro-hydraulic steering gear in the submarine

    图  20  液压缸基座测点布置

    Figure  20.  Measuring point layout at hydraulic cylinder base

    图  21  传统PID控制算法下的结构振动加速度时域曲线

    Figure  21.  Acceleration response of structural vibration with traditional PID control algorithm

    图  22  自抗扰控制算法下的结构振动加速度时域曲线

    Figure  22.  Acceleration response of structural vibration with ADRC algorithm

    图  23  2种控制算法下的时域总级曲线

    Figure  23.  Structural vibration vs. time under two control algorithms

    图  24  2种控制算法下打舵周期内各测点的结构振动总级

    Figure  24.  Structural vibration at each measuring point in rudder turning cycle under two control algorithms

    表  仿真整定的控制参数值

    Table  1.  The control parameter values of simulation setting

    参数数值
    $r$50
    h0.01
    ${\;\beta _{\text{1}}}$2
    ${\;\beta _{\text{2}}}$55
    ${\;\beta _{\text{3}}}$800
    $b$0.5
    ${r_1}$100
    c0.02
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-14
  • 修回日期:  2021-02-22
  • 网络出版日期:  2022-02-26
  • 刊出日期:  2022-03-02

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