0 引　言

液压舵机是船舶的操作设备，依据液压舵机转舵机构的变化，可将液压舵机划分为齿轮式、十字头式、摆缸式等众多形式^[1]。相比于其他形式的液压舵机，齿轮式液压舵机具有质量轻、占地空间小等众多优势，在船舶领域具有广泛的应用^[2-3]。船用齿轮式液压舵机是船舶操纵控制的核心，液压舵机的控制性能，决定了船舶的航行安全性。PID控制器具有较高的自适应控制性能，PID控制器可以适应船舶在不同航行环境下的航行工况。船舶航行时，其运行环境存在较高的不确定性^[4]，提升了船舶液压舵机的控制难度。PID控制器面对海况变化以及负载变化时，具有较高的自适应能力，通过舵机自适应控制，保障船舶可靠运行。

目前针对液压舵机控制的研究方法众多。李婷等^[5]针对液压舵机设计了容错控制器，该方法利用控制器参数重配置，提升控制性能。选取前馈补偿方法，实现舵机的精准控制。陈宗斌等^[6]针对新型电液舵机进行自抗扰控制，该方法设置了滤波预估模块，利用该模块确定电液舵机时滞，提升舵机的控制性能。

以上方法虽然可以实现舵机的有效控制，由于未考虑负载对液压舵机运行的影响，控制效果不够理想，无法适应舵机实际应用中的复杂环境。针对以上方法在舵机控制中存在的问题，设计船用齿轮式液压舵机负载自适应控制系统，通过软件与硬件结合的设计方式，保障系统控制液压舵机时的跟随性以及稳定性，提升船用齿轮式液压舵机的自适应控制性能。

1 液压舵机负载自适应控制系统 1.1 系统总体结构

船用齿轮式液压舵机负载自适应控制系统的总体结构如图1所示。选取型号为TMS320F28377芯片作为系统的主控芯片。利用主控芯片，依据船用齿轮式液压舵机的负载变化，控制舵机无刷直流电机的运行参数。控制模块依据上位机给定的舵机运行指令，利用模糊PID自适应控制算法，生成船用齿轮式液压舵机的控制信号。驱动模块由功率芯片和驱动电路组成，接收船用齿轮式液压舵机的驱动控制信号控制舵机运行状态。数据采集模块由电流传感器、转速传感器和位置传感器组成，采集数据传送至控制模块，控制模块利用模糊PID自适应控制算法，依据负载变化，调节液压舵机的电机位置、转速和电流，保障舵机以可靠状态运行。

1.2 系统硬件设计 1.2.1 数据采集模块

为了实现不同负载时，船用齿轮式液压舵机的精准控制，采用电流传感器、转速传感器和位置传感器组成数据采集模块，结构如图2所示。

1.2.2 控制模块

舵机控制系统的控制模块采用三闭环控制结构。三闭环控制结构包括电流环、位置环以及转速环3部分。舵机负载自适应控制的控制对象为舵机的无刷直流电机。控制模块的结构图如图3所示。图中，电流环是控制模块的最内环，具有控制电机转矩的作用；利用转速环跟踪舵机转速，在舵机负载转矩变化时，将舵机转速维持在固定区间；位置环决定了舵机的动态性能以及静态性能。三闭环控制结构具有较强的自适应性，提升舵机的控制性能。控制模块接收数据采集模块采集的转速、位置等参数后，利用驱动模块输出摇臂偏角信号，驱动舵机的摇臂偏转^[7]。保证舵机摇臂在规定时间内，高精度接近设置的摇臂偏角。舵机传动机构位于驱动模块内，传动机构作为驱动摇臂的执行部件。

控制模块选取TMS320F28377单片机作为微处理器，支持串口调试与串口下载功能，设置了定时器与计数器，设置大小为256 bytes的RAM。芯片内包含丰富的内部资源。

船用齿轮式液压舵机的负载转矩变化时，将模糊PID自适应控制算法，作为串级三闭环控制结构的控制算法。模糊PID自适应控制算法，依据电流、转速以及位置的闭环反馈，获取最终的控制参数。依据舵机电机状态，实时调整电机参数，提升舵机的动态响应，降低舵机的静态误差。

1.3 模糊PID的舵机负载自适应控制算法

系统的控制模块利用模糊PID自适应控制算法控制舵机。模糊PID自适应控制算法的结构图如图4所示。自适应控制算法包括在线部分和离线部分两部分。利用离线部分的模糊控制器获取PID控制器的控制参数。利用离线部分获取的参数对在线部分的PID控制参数进行自适应调节整定。通过整定后的PID控制器，依据舵机负载变化，控制舵机的运行参数。自适应控制算法中的模糊控制器利用连续论域的模糊规则，通过模糊推理获取模糊控制曲面。拟合控制曲面，获取平滑的控制曲线及相应的连续函数。将连续函数获取结果，设置为最终的控制参数，对PID控制参数进行自适应地调节整定。模糊控制器，通过合适的变换因子，将舵机控制的基本论域，变换为[−6,6]区间的连续论域。模糊控制器输出的模糊变量，划分为对应模糊子集。选取对称的三角形隶属度函数，作为船用齿轮式液压舵机控制相关变量对应的隶属度函数。通过反模糊化获取模糊控制曲面，进行离散取点操作。对模糊控制曲面进行三次曲面拟合，输出控制参数，利用控制参数输出结果，对PID控制参数进行在线调节整定。

传统的PID控制器属于位置式控制器，位置式控制器由过去状态决定PID控制输出，计算过程需要对误差项累加，运算过程过于复杂。传统PID控制器的输出与舵机执行机构对应，控制器输出变化时，执行机构同样变化。采用增量式PID控制器，解决传统PID控制器存在的问题。增量式PID控制器的输出，仅与舵机当前状态与之前状态的误差相关。设置舵机执行机构增量作为控制量，舵机舵角控制偏差的表达式如下：

$ e\left( t \right) = r\left( t \right) - y\left( t \right)，$

(1)

式中，r(t)与y(t)分别为给定和实际舵机舵角输出。

传统PID的控制规律表达式如下：

$ u\left( t \right) = {K_p}\left[ {e\left( t \right) + \frac{1}{{{T_i}}}\int_0^t {e\left( t \right){\rm{d}}t + \frac{1}{{{T_D}}}\frac{{{\rm{d}}e\left( t \right)}}{{{\rm{d}}t}}} } \right]。$

(2)

式中：u(t)与e(t)分别为采样时刻为t时，控制器输出及控制器偏差；K_P与T_I分别为控制器的比例放大系数及积分时间常数；T_D为微分时间常数。

对式(2)进行离散化处理，获取离散化结果为：

$ u\left( t \right) = {k_p}\left( {e\left( t \right)} \right) + {k_i}\sum {e\left( i \right)} + {k_d}\left[ {e\left( t \right) - e\left( {t - 1} \right)} \right] 。$

(3)

式中：k_p，k_i与k_d分别为比例、积分、微分系数。

对式(3)取增量，获取舵机舵角控制量增量 $ \Delta u\left( t \right) $ 的表达式如下：

$ \Delta u\left( t \right) = u\left( t \right) - u\left( {t - 1} \right) 。$

(4)

利用式(4)确定舵机舵角的控制增量，实现舵机舵角的精准控制。

采用增量式控制器控制舵机舵角时，确定舵机电机位置、转速等参数的变化量，即可控制舵机舵角，保证舵机伴随负载变化，实施自适应控制时，受到最小的影响。

2 系统性能的测试

为了验证所研究船用齿轮式液压舵机负载自适应控制系统，进行仿真测试，参数设置如表1所示。

统计齿轮式液压舵机在空载、负载阶跃响应时的控制结果。选取模糊控制器、PID控制器与本文系统的控制结果进行对比。通过不同工况时的舵机动态响应性能，衡量系统的控制效果，对比结果如图5所示。可知，采用本文系统控制齿轮式液压舵机，空载、负载等不同工况下，舵机的响应时间均最小，未出现超调以及波动情况。相比于模糊控制器以及PID控制器，本文系统具有最优的控制性能，可以满足不同工况时的舵机控制需求。

为舵机设置10 Hz负载的正弦信号，统计舵机的正弦信号跟踪响应结果，统计结果如图6所示。可以看出，采用本文系统控制统计齿轮式液压舵机，舵机负载为10 Hz时，本文系统可以实现负载正弦信号的有效跟踪，通过高效的控制性能，提升舰船舵机的运行可靠性。

统计采用本文系统控制齿轮式液压舵机，在不同负载时的控制性能，控制性能统计结果如表2所示。可以看出，不同负载情况下，本文系统可以控制舵机输出的舵角快速跟随给定的舵角变化，幅值与相位的最大误差均低于1%，满足船用舵机控制的精度需求。可以依据负载变化，自适应调整舵机执行机构的参数，保证舵机可靠运行，提升船舶的航行可靠性。

3 结　语

本文设计船用齿轮式液压舵机负载自适应控制系统，利用模糊PID自适应控制算法，依据液压舵机负载，实现舵机参数的自适应控制。通过系统测试结果，验证船用齿轮式液压舵机输出的舵角，可以紧跟给定舵角变化。依据舵机负载的实时变化，通过舵机的自适应控制，保障船舶在复杂海面环境上维持可靠的运行状态。