山东科学
第３３卷第３期２０２０年６月出版
Ｖｏｌ.３３Ｎｏ.３Ｊｕｎ.２０２０
ＳＨＡＮＤＯＮＧＳＣＩＥＮＣＥ
ＤＯＩ:１０.３９７６/ｊ.ｉｓｓｎ.１００２￣４０２６.２０２０.０３.００６
【海洋科技与装备】基于ＰＬＣ和伺服电机的主动冲箱式
造波系统的控制及实现
郝宗睿ꎬ李超ꎬ张浩ꎬ华志励ꎬ任万龙
(齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院海洋仪器仪表研究所ꎬ山东青岛２６６１００)
摘要:为了研究在１０ｍ×０.５ｍ的玻璃水槽内的主动冲箱造波技术ꎬ设计了基于ＰＬＣ运动控制器、伺服电机和驱动器、工控机以及浪高采集仪的造波系统ꎮ该系统根据水动力学参数在ＰＬＣ运动控制程序中实现主动造波算法ꎻ采用交流伺服驱动器并搭配相应尺寸的电机ꎬ完成楔形板的上下造波运动ꎻ通过工控机上的人机界面对造波机系统的整体状态进行控制ꎮ为了提高控制精度ꎬ该系统在伺服驱动器内部闭环控制的基础上ꎬ还增加了基于ＰＩＤ算法的波高和频率闭环控制ꎮ实际应用表明ꎬ该造波系统可通过对波形的实时反馈ꎬ保证控制的准确性和稳定性ꎬ达到了主动造波的目的ꎮ关键词:造波机ꎻＰＬＣ运动控制器ꎻ伺服电机ꎻＰＩＤ算法
中图分类号:ＴＰ２３ 文献标志码:Ａ 文章编号:１００２￣４０２６(２０２０)０３￣００４０￣０５开放科学(资源服务)标识码(ＯＳＩＤ):
Ｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆａｎａｃｔｉｖｅｓｔｒｉｋｉｎｇｂｏｘｗａｖｅｍａｋｅｒ
ｂａｓｅｄｏｎＰＬＣａｎｄｓｅｒｖｏｍｏｔｏｒ
ＨＡＯＺｏｎｇ￣ｒｕｉꎬＬＩＣｈａｏꎬＺＨＡＮＧＨａｏꎬＨＵＡＺｈｉ￣ｌｉꎬＲＥＮＷａｎ￣ｌｏｎｇ
(ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｃｅａｎｏｇｒａｐｈｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎꎬＱｉｌｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(ＳｈａｎｄｏｎｇＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ)ꎬＱｉｎｇｄａｏ２６６１００ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ∶Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｗａｖｅｍａｋｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆａｃｔｉｖｅｓｔｒｉｋｉｎｇｂｏｘｉｎａｗｉｄｅｇｌａｓｓｗａｔｅｒｔａｎｋ(１０ｍ×０.５ｍ)ꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄａｗａｖｅｍａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎａＰＬＣｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒꎬｓｅｒｖｏｍｏｔｏｒａｎｄｄｒｉｖｅｒꎬｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｍｐｕｔｅｒａｎｄｗａｖｅｈｅｉｇｈｔａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ.ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓａｎａｃｔｉｖｅｗａｖｅｍａｋｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｎｔｈｅＰＬＣｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓ.ＩｔｎｏｔｏｎｌｙｕｓｅｓｔｈｅＡＣｓｅｒｖｏｄｒｉｖｅｒａｎｄｔｈｅｍｏｔｏｒｏｆｔｈｅｓａｍｅｓｉｚｅｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｗａｖｅｍａｋｉｎｇｕｎｄｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｗｅｄｇｅｐｌａｔｅꎬｂｕｔａｌｓｏｃｏｎｔｒｏｌｓｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｗａｖｅｍａｋｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｓｙｓｔｅｍｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｍａｎ￣ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｎｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｍｐｕｔｅｒ.Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌａｃｃｕｒａｃｙꎬｔｈｅｃｌｏｓｅｄ￣ｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｏｆｗａｖｅｈｅｉｇｈｔａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｂａｓｅｄｏｎａＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓａｄｄｅｄｔｏｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｃｌｏｓｅｄ￣ｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｓｅｒｖｏｄｒｉｖｅｒ.Ａｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｅｎｓｕｒｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｃｏｎｔｒｏｌｂｙｒｅａｌ￣ｔｉｍｅｆｅｅｄｂａｃｋ
收稿日期:２０１９￣１２￣２０
基金项目:山东省重点研发计划(２０１９ＪＺＺＹ０１０８１９ꎬ２０１９ＧＧＸ１０４０４２ꎬ２０１９ＧＳＦ１１０００９)
作者简介:郝宗睿(１９８３—)ꎬ男ꎬ副教授ꎬ硕士生导师ꎬ研究方向为流体机械装备设计及研发ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｈａｏｚｒ００１＠ｓｉｎａ.ｃｏｍ
第３期郝宗睿ꎬ等:基于ＰＬＣ和伺服电机的主动冲箱式造波系统的控制及实现
４１ｏｆｔｈｅｗａｖｅｆｏｒｍꎬａｎｄａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆａｃｔｉｖｅｗａｖｅｍａｋｉｎｇ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ∶ｗａｖｅｍａｋｅｒꎻＰＬＣｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒꎻｓｅｒｖｅｒｍｏｔｏｒꎻＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍ
造波作为一项重要的实验技术ꎬ在海洋工程领域占有重要的位置ꎮ造波机能够实现各种模型实验所需的模拟波浪ꎬ在有限的区域范围内尽可能模拟出真实的海域环境[１]ꎮ而船舶及海洋装备的发展对模拟实验的准确度提出了更高要求ꎬ迫切需求较高精度的波浪模拟设备[２]ꎮ模型实验的波浪效果一方面由造波水槽及执行机构的本身结构及力学性质决定ꎬ另一方面由实验环境能否准确地反映自然的海浪环境决定ꎮ为了提高实验环境的准确性及可靠性ꎬ就必须不断改善和提高造波技术[３]ꎮ近年来ꎬ国内外专家学者对实验水池的建设投入了大量的研究工作ꎬ造波技术取得了长足的发展ꎮ从最初的直流电机驱动传动机构进行机械式造实地模拟各种海况ꎬ为实验提供更科学的依据ꎮ伺服电机驱动具有响应速度快、控制精度高的特点[４]ꎬ其得到的波浪更接近于目标波浪ꎬ可以提供更好的实验环境ꎮ１９９６年日本长崎研究所利用伺服电机运动控制技术ꎬ设计了适航性水池中的多向不规则波造波机控制系统[５]ꎮ２００１年荷兰把ＣＡＮ总线技术和Ｅｔｈｅｒｎｅｔ/ＩＰ网络技术内第一台采用伺服电机作为动力源的可模拟斜向不规则波的波浪水池造波设备[７]ꎮ我国７０２研究所建立的实无法保持不变ꎬ波高精确控制问题依旧是现有造波技术的瓶颈ꎮ因此ꎬ造波水平的差距主要表现在对造波机的精确控制上ꎮ本文采用的造波控制系统在伺服驱动器内部闭环控制的基础上ꎬ还增加了基于ＰＩＤ(ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ)算法的波高和频率闭环控制ꎬ能够有效地提高造波精度ꎮ
本文以楔形板在垂直方向做上下往复运动产生规则波为造波需求完成造波运动ꎮ首先利用造波控制理与伺服控制器结合在一起建造了ＭＡＲＩＮ水池网络化多向不规则波造波机[６]ꎮ２００６年ꎬ大连理工大学开发了国验水池也是采用了交流伺服电机控制方式[８]ꎮ然而国内外造波机存在共同的缺陷ꎬ即特定的频率范围内波高波ꎬ之后的电液模拟量伺服系统的应用ꎬ到现在的交流伺服电机运动控制技术的开发ꎬ造波设备越来越能够真
论计算出造波机楔形板的运动参数ꎻ然后由运动控制器根据运动参数计算出楔形板的控制参数ꎬ控制伺服电机驱动楔形板运动ꎻ再利用ＰＩＤ负反馈算法提高波高与周期的精度ꎻ最后上位机界面通过ＴＣＰ(ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｔｏｃｏｌ)与运动控制器通信ꎬ实现对现场的实时监测和控制ꎮ仿真数据结果表明ꎬ采用ＰＩＤ算法比动力学模型的造波效果更好ꎬ精确度更高ꎮ
１ 造波机系统参数计算
本文造波系统的实验水槽尺寸为１０ｍ×１ｍ×０.５ｍꎬ距离地面０.４ｍꎬ造波参数为波高０~１０ｃｍꎬ频率０.５~３Ｈｚꎮ造波机构由楔形块、固定支架组成ꎮ通过楔形块的垂直上下运动ꎬ产生波浪ꎬ如图１所示ꎮ图中水深为ｈꎬ楔形块在水面下垂直深度为ｂꎬ楔形块最大移动距离为Ｙꎬ中心线距离波面的距离为ａꎮ
图１ 冲箱造波机结构示意图
Ｆｉｇ.１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｉａｇｒａｍｏｆｗａｖｅｍａｋｅｒｗｉｔｈｓｔｒｉｋｉｎｇｂｏｘ
本文以规则波造波理论为基础ꎬ计算造波机系统参数ꎮ根据造波理论需要得到波高和频率ꎬ反向计算冲箱式造波系统的设计参数ꎮ楔形块的运动方程是通过推板式造波系统的设计参数推导得出[８]ꎬ主要包括水动力学系统Ａꎬ波长Ｌꎬ波数ｋꎬ楔形块移动最大行程Ｓｍａｘꎬ最大运动速度Ｖｍａｘꎬ最终得到楔形板最大行程对
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应的位移ｘ和速度ｖꎮ具体的造波设计参数算法流程如图２所示ꎮ
图２ 造波机设计参数计算流程图
由上述流程得到的楔形板最大行程对应的位移和速度ꎬ不仅给造波机系统运动结构的设计、伺服驱动系统的选型及动力学模型的建立提供了参考ꎬ而且给后续的控制算法的数学推导和仿真分析提供了所需的数据支撑[３]ꎮ
Ｆｉｇ.２ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｆｏｒｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｗａｖｅｍａｋｅｒｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
２ 造波机控制系统
２.１造波机运动控制系统组成设计如图３所示ꎮ
造波机控制系统由工控机、ＰＬＣ控制器、伺服驱动器、伺服电机、楔形板和浪高传感器等构成ꎮ硬件系统
图３ 基于交流伺服电机的下压式造波机控制系统框图
系统采用西门子Ｓ７￣２００ＳｍａｒｔＰＬＣ及ＥＭ２３５作为运动控制器和模拟量采集模块ꎬ主要负责接收上位机控制指令ꎬ运行下位机造波控制程序ꎬ采集传感器信息ꎬ实现造波算法ꎮ伺服控制器采用西门子Ｖ９０ꎬ功率为
Ｆｉｇ.３ ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｄｏｗｎｓｔｒｏｋｅｗａｖｅｍａｋｅｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＡＣｓｅｒｖｏｍｏｔｏｒ
第３期郝宗睿ꎬ等:基于ＰＬＣ和伺服电机的主动冲箱式造波系统的控制及实现
０.７５ｋＷꎬ集成ＰＲＯＦＩＮＥＴ通信ꎬ可实现用户数据、过程数据和诊断数据的实时传输ꎬ完成驱动任务[９]ꎮ伺服电机为Ｓ￣１ＦＬ６低惯量型电机ꎬ功率为０.７５ｋＷꎬ转速为３０００ｒ/ｍｉｎꎬ２５００线增量编码器ꎬ主要驱动楔形块的上下位移和速度ꎮ上位机通过ＴＣＰ/ＩＰ与ＰＬＣ直接通信ꎬ利用组态王软件对系统整体状态进行控制ꎮ
具体工作方式为工控机以ＴＣＰ/ＩＰ通信方式给ＰＬＣ控制器下发指令ꎬＰＬＣ控制器通过伺服驱动器驱动伺服电机运动ꎬ并转换为楔形块的上下运动ꎮ伺服驱动器一方面通过ＰＲＯＦＩＮＥＴ总线获得ＰＬＣ发送的电机转速和位移信息ꎬ另一方面ꎬ通过检测的电机编码器信号进行负反馈调节ꎮ电机的状态信号经ＰＬＣ采集后发送给主控计算机ꎬ由主控计算机显示电机工作状态ꎮ浪高传感器将采集的浪高信号经浪高仪滤波、放大、去噪处理后发送给模拟量采集模块ꎬＰＬＣ控制器再利用ＰＩＤ算法对运行参数进行调整和修正ꎮ２.２ ＰＩＤ控制算法
为了提高造波的准确性ꎬ采用ＰＩＤ控制器对被控
４３对象进行控制ꎮ这是一种线性控制器ꎬ通过对控制系统中偏差的比例(Ｐ)、积分(Ｉ)、微分(Ｄ)进行线性组合来重新调整控制量[１０￣１１]ꎮ图４为ＰＩＤ控制器结构图ꎬ控制器的输入为需要的波高Ｈｄ或频率Ｆｄꎬ以及浪高传感器采集的实际波高Ｈ或频率Ｆꎬ求得偏差Δｈ
ＰＩＤ算法的数学表达式为:
图４ ＰＩＤ控制器结构Ｆｉｇ.４ ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
和Δｆꎬ然后利用ＰＩＤ闭环控制算法得到被控对象位移和速度ꎬ并再次反馈给输入ꎬ不断地调整和修正参数ꎮ
１ｄｅ(ｔ)
ｕ(ｔ)＝ｋｐ[ｅ(ｔ)＋ｅ(ｔ)ｄｔ＋Ｔｄ]
Ｔｉ０ｄｔ
其中:ｋｐ为比例放大系数ꎻＴｉ为积分时间常数ꎻＴｄ为微分时间常数ꎬ其值应根据造波机的实际工作情况来确定ꎮ通过不断的造波实验来修正系数ꎬ以找到最合适的数值对造波机进行控制ꎮ２.３ 上位机软件设计
造波机上位机界面采用组态王软件ꎬ通过ＴＣＰ与ＰＬＣ控制器通信ꎮ组态王软件具有适应性强、开放性好、
∫
ｔ
(１)
易于扩展、经济、开发周期短等优点ꎬ不但可以实现对现场的实时监测与控制ꎬ且在自动控制系统中具有完成上传下达、组态开发的重要作用[１２]ꎮ本文的组态界面主要包括凑谱、控制界面、波形采集显示和数据处理ꎮ
凑谱可根据第１节中的系统模型函数ꎬ输入波浪周期、波高、水深等参数ꎬ计算出波浪控制数据ꎬ如图５
所示ꎮ控制界面可用作控制造波机的启停和故障检测ꎬ标定ＰＩＤ系数ꎬ如图６所示ꎮ波形采集界面可通过浪高仪采集波浪数据ꎬ并实时显示在上位机界面上ꎮ数据分析界面对采集的数据点数进行分析ꎬ如通过统计分析得到规则波的波个数、平均波高、最大波高和平均周期、最大周期等[１３]ꎮ
图５ 凑谱Ｆｉｇ.５ Ｇａｔｅｒｓｐｅｃｔｒｕｍ
图６ 控制界面Ｆｉｇ.６ Ｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｅｒｆａｃｅ
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３ 实验验证
为了验证主动造波功能ꎬ选定在０.４ｍ水深的波浪水槽内做规则波运动ꎬ设定波高为６ｃｍꎬ频率为０.５Ｈｚꎮ图７是在实验水槽内做的规则波运动ꎬ从图中可以看出ꎬ波形接近正弦波ꎮ
图７ 实验水槽规则波运动
Ｆｉｇ.７ Ｒｅｇｕｌａｒｗａｖｅｍｏｔｉｏｎｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｆｌｕｍｅ
图８ 实验数据对比
Ｆｉｇ.８ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ
另外ꎬ我们运用Ｍａｔｌａｂ软件分别对系统参数计算方法和ＰＩＤ算法对造波的波形进行对比ꎮ图８为３种波形的仿真数据的比较ꎬ黑色曲线ｙ１为标准正弦波波形ꎬ蓝色虚线ｙ２是由水动力传递函数得出的波形ꎬ红色曲线ｙ３为ＰＩＤ算法得到的波形ꎮ从图中可以看出ꎬ规则波总体效果较好ꎮ在２ｓ之前ꎬｙ３波形呈无规律变化ꎻ２ｓ之后ꎬ造波效果越来越接近标准波ꎬ而ｙ２波形在幅度和周期上与标准波误差越来越大ꎬ原因是随着周期的增加非线性的影响也在增加ꎮ因此ꎬ在造波中采用ＰＩＤ控制算法可以满足精度要求ꎮ
４ 结论
本文对冲箱式造波系统的造波原理进行了理论分析ꎬ并对造波机的控制系统进行了详细介绍ꎮ该系统在控制方式上利用ＰＬＣ控制器通过伺服驱动器驱动伺服电机运动ꎻ在造波控制算法上ꎬ用ＰＩＤ负反馈算法代替原来的水动力学算法ꎬ使产生的波浪更接近于理论的目标波浪ꎬ从而提高了控制精度ꎬ为波浪实验提供了更精确的条件ꎮ
本文设计的造波机主要是针对规则波ꎬ对于非规则波的研究ꎬ还要进行大量的实验验证ꎮ另外ꎬ由于在水槽尾部没有设计消波装置ꎬ随着时间的增加ꎬ波形会受到二次反射波的影响ꎮ因此ꎬ以后在此基础上ꎬ还要进行大量的非规则波分析实验ꎬ以及对造波系统进行改进ꎬ实现造波机的吸收功能ꎮ
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(下转第７４页)
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