張小樂，呼英俊

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

造波機(jī)是在實(shí)驗(yàn)水池中模擬波浪的設(shè)備，可人工控制產(chǎn)生不同類型的波浪，模擬實(shí)際海浪對(duì)船舶或各種建筑物的作用．但因?yàn)閷?shí)驗(yàn)水池的長(zhǎng)度有限，造波機(jī)對(duì)模型或池壁的反射波會(huì)再一次反射，即波浪的二次反射，它會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果．而吸收式造波機(jī)在產(chǎn)生擬需波浪的同時(shí)，能吸收實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的二次反射波，其原理是在推波板式造波的基礎(chǔ)上，通過采集、計(jì)算波浪數(shù)據(jù)，給推波板一個(gè)附加的二次位移，以消除反射波浪撞擊推波板形成的二次反射波，從而更真實(shí)地模擬海浪的運(yùn)動(dòng)[1]．

現(xiàn)有吸收式造波機(jī)多采用工控機(jī)與控制卡的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制[2]．這種方式提前設(shè)定工控機(jī)和控制卡的相關(guān)程序，硬件組成、連接及操作都比較簡(jiǎn)單．其缺點(diǎn)在于集成化過高，擴(kuò)展性、互換性不好，在不同造波環(huán)境、不同造波條件下難以通用；各種處理運(yùn)動(dòng)控制和參數(shù)采集的板卡全由工控機(jī)控制，還需進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，延緩了控制命令傳輸和采集信號(hào)處理的時(shí)間，控制時(shí)效和精度不夠理想．

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制也逐漸網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化．網(wǎng)絡(luò)化使控制更靈活、開放，數(shù)字化使控制更簡(jiǎn)單、精確．采用PC和運(yùn)動(dòng)控制器相結(jié)合的控制方式，用PC作為信息處理平臺(tái)，可發(fā)揮PC的信息處理快、開放的程序語言及可在線網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)和修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)；用控制器實(shí)現(xiàn)期望造波運(yùn)動(dòng)，可充分利用運(yùn)動(dòng)控制器中的運(yùn)動(dòng)算法和進(jìn)行精確的軌跡控制．這種方式的信息處理速度快、運(yùn)動(dòng)控制精度高、開放擴(kuò)展程度好、系統(tǒng)可靠性高，更適合吸收式造波[3–4]．

本文針對(duì)吸收式造波，選擇支持網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的運(yùn)動(dòng)控制器，在程序設(shè)計(jì)中利用C語言應(yīng)用廣泛、人機(jī)交互方便和 Fortran語言在數(shù)據(jù)處理上的優(yōu)勢(shì)，并調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)算法，使得造波運(yùn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)分析都更簡(jiǎn)單，較好地實(shí)現(xiàn)了吸收式造波．

1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作原理

吸收式造波機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理見圖 1．

根據(jù)期望的波高周期數(shù)據(jù)，由上位機(jī)程序計(jì)算推波板的位移和時(shí)間控制信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制器接收后將其轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)方向和速度的控制信號(hào)，伺服驅(qū)動(dòng)器再將其轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)執(zhí)行裝置帶動(dòng)推波板作相應(yīng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)水面產(chǎn)生波浪．在推波板前固定距離處設(shè)置 2個(gè)波高傳感器采集推波板前的波高信號(hào)．運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)反饋信號(hào)計(jì)算設(shè)定值與實(shí)測(cè)值之間的差值，并以此調(diào)整下一時(shí)刻控制推波板的位移，使之生成與反射波反相位的波，以消除二次反射波，實(shí)現(xiàn)吸收式造波；另一方面，波高信號(hào)反饋回PC，與期望波譜的數(shù)據(jù)對(duì)比，完成統(tǒng)計(jì)分析．

在吸收式造波機(jī)工作過程中，最重要的是要實(shí)時(shí)采集推波板前波高數(shù)據(jù)，迅速計(jì)算得出下一位移量并確保執(zhí)行裝置及時(shí)響應(yīng)，這就對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的性能及信號(hào)傳輸速度提出了較高的要求．

圖1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理Fig.1 Block diagram of the motion control system

2 運(yùn)動(dòng)控制器及其通信

2.1 Trio控制器

運(yùn)動(dòng)控制器選用 Trio Motion公司的 Trio MC224型數(shù)字獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制器，其融合了最新的控制理論和技術(shù)，具有多種控制和通信方式、多任務(wù)編程、可擴(kuò)展性豐富等優(yōu)點(diǎn)．它采用 32位 120～150,MHz的 DSP微處理器，計(jì)算速度快，控制精度高，滿足吸收式造波對(duì)控制器運(yùn)算速度的要求；包含直線運(yùn)動(dòng)、梯形運(yùn)動(dòng)、曲線運(yùn)動(dòng)等多種軸運(yùn)動(dòng)軌跡控制模式，可完全脫離 PC獨(dú)立進(jìn)行控制，在 PC出現(xiàn)通信故障等問題時(shí)，依然可以進(jìn)行吸收式造波的控制．控制器采用模塊化設(shè)計(jì)，可連接擴(kuò)展多種具有軸控制功能的子板，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)伺服單元的控制，在大港池、多方向條件下造波也完全適用．控制器與 PC間通信可采用總線或網(wǎng)絡(luò)方式，如 PROFIBUS、DeviceNet、EtherNet/IP、CANopen 等方式；控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器通信可采用總線或數(shù)字式，如CANopen、EtherNet/IP、SERCOS等方式，多種通信接口使其應(yīng)用擴(kuò)展更廣泛．

2.2 EtherNet/IP通信

Trio控制器與PC之間選用EtherNet/IP通信協(xié)議，它是一種工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用協(xié)議．相比于其他控制系統(tǒng)中常見的總線結(jié)構(gòu)，工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)更規(guī)范、更通用，在遠(yuǎn)距離傳輸、組件成本、軟硬件資源等方面也更有優(yōu)勢(shì)；而且可與普通網(wǎng)絡(luò)通連，利用網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)程控制也很方便，已成為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)．

EtherNet/IP協(xié)議采用Producer/Consumer通信模式，它不同于其他協(xié)議從源到點(diǎn)的指定模式，而是規(guī)定所有節(jié)點(diǎn)都可在同一時(shí)間讀取來自同一個(gè)源的數(shù)據(jù)[5]．這種模式的效率更高，實(shí)時(shí)性更好，適用于在造波現(xiàn)場(chǎng)由PC向控制器發(fā)送信號(hào)指令．

Trio控制器面板配置有相關(guān)接口，通過網(wǎng)線即可實(shí)現(xiàn)連接；PC中基于Windows平臺(tái)建立EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)也較簡(jiǎn)單，為組網(wǎng)和數(shù)據(jù)交換提供了很大便利．

2.3 SERCOS接口

在吸收式造波中，Trio控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器之間的通信最重要，要求快速、穩(wěn)定、誤差最小地傳輸調(diào)整信號(hào)．而現(xiàn)有系統(tǒng)中多常用模擬接口，受噪聲影響較大、傳輸速度緩慢、精度不高、線路連接復(fù)雜，不能滿足吸收式造波高速、穩(wěn)定的要求．基于數(shù)字化控制的設(shè)想，選用SERCOS數(shù)字接口．SERCOS接口是數(shù)字控制接口的唯一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，具有較高精度的實(shí)時(shí)性和開放性，可保證快速建立數(shù)字連接、傳送參數(shù)、精確控制和智能診斷的實(shí)現(xiàn)．

SERCOS光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其最主要的特點(diǎn)就是用光纖取代傳統(tǒng)多軸控制系統(tǒng)中的普通電纜，是全數(shù)字式的網(wǎng)絡(luò)通信方式，不會(huì)受到其他電氣系統(tǒng)的干擾，對(duì)噪聲的免疫能力很強(qiáng)，無信號(hào)漂移，傳輸精度高．其協(xié)議也規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸格式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信帶寬的需求相對(duì)較低，通信速率大于 4,MB/s，通信周期小于 1,ms[6]．相比傳統(tǒng)的模擬技術(shù)，SERCOS有效提高了工程速度，減少工程調(diào)試及維護(hù)時(shí)間，運(yùn)行速度更快，精確度更高．

圖2 SERCOS光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 SERCOS fiber-optic network structure

Trio控制器自帶 SERCOS通信子板模塊，選用的驅(qū)動(dòng)器配置有 SERCOS接口，可以方便地用提供的線纜進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)SERCOS數(shù)字通信．

3 程序設(shè)計(jì)

在程序設(shè)計(jì)上采用混合編程調(diào)用的方法，采用C語言和 Fortran語言進(jìn)行上位機(jī)程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)包括基本造波及吸收式造波的控制功能、系統(tǒng)的初始化設(shè)定、推波板的回零定位、目標(biāo)波譜及造波參數(shù)的設(shè)定、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及報(bào)警保護(hù)功能[7]．

控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)由Trio控制器自帶Trio Basic語言編寫運(yùn)動(dòng)控制程序程實(shí)現(xiàn)．編程通過 Motion Perfect平臺(tái)進(jìn)行，然后下載到控制器中存儲(chǔ)和運(yùn)行．Trio控制器提供ActiveX功能，可以根據(jù)設(shè)備的需要在計(jì)算機(jī)中用高級(jí)程序語言進(jìn)行二次開發(fā)；提供 OCX Component功能，可以自動(dòng)檢測(cè)控制器內(nèi)的程序并與計(jì)算機(jī)中程序比較；計(jì)算機(jī)中有 VB、VC、C++等語言編寫的程序時(shí)，可直接調(diào)用其運(yùn)動(dòng)函數(shù)，復(fù)制到Trio處理器中進(jìn)行運(yùn)算處理和控制，方便進(jìn)行操作．

4 實(shí) 驗(yàn)

利用本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，在天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所的實(shí)驗(yàn)水槽中進(jìn)行測(cè)試．水槽長(zhǎng) 35,m，寬1,m，高 1.2,m，最大水深為 0.8,m．實(shí)驗(yàn)時(shí)，將模擬的波譜或波高數(shù)據(jù)由主程序輸入，計(jì)算獲得控制推波板運(yùn)動(dòng)所需的數(shù)字控制信號(hào)，經(jīng)由運(yùn)動(dòng)控制程序，驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置帶動(dòng)推波板運(yùn)動(dòng)．推波板往復(fù)運(yùn)動(dòng)的位移決定波高，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率決定波浪周期．板前設(shè)置2個(gè)波高傳感器，運(yùn)用兩點(diǎn)法進(jìn)行入反射分離，分別求得入、反射波高與周期[8]．部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1．對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)參考 JTJ/T234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》，模擬規(guī)則波的平均波高和周期的允許偏差為±5%．結(jié)合表 1數(shù)據(jù)可以看出：非吸收式造波的波高數(shù)據(jù)受反射波的影響，誤差很大；而吸收式造波的實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差小，滿足要求；本文設(shè)計(jì)的吸收式造波機(jī)的實(shí)驗(yàn)誤差最小，精度最高．

表1 各類型造波機(jī)造波實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental wave data of various types of wave maker

另外，程序可統(tǒng)計(jì)畫出實(shí)驗(yàn)的波面過程圖．其目標(biāo)波高 0.4,m、周期 1.4,s的實(shí)驗(yàn)波面過程如圖 3所示．由圖 3可以看出：實(shí)驗(yàn)過程中，非吸收式造波的波面波動(dòng)較大，在很長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間范圍內(nèi)都難獲得穩(wěn)定的波高；現(xiàn)有吸收式造波機(jī)相比非吸收式造波，在波高穩(wěn)定度上有明顯的進(jìn)步，進(jìn)行吸收造波之后的波高變得比較穩(wěn)定，但由于控制系統(tǒng)不夠精確，與期望的波高還是有一定差距；而本文設(shè)計(jì)的吸收式造波機(jī)的波面最穩(wěn)定，波高偏差最?。?/p>

圖3 各類型造波機(jī)造波實(shí)驗(yàn)波面過程圖Fig.3 Experimental wavefront process map of various types of wave maker

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了吸收式造波機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，針對(duì)現(xiàn)有造波機(jī)的信號(hào)傳輸處理不及時(shí)、控制精度不理想問題進(jìn)行改進(jìn)．上位機(jī)程序設(shè)計(jì)采用混合編程的方式，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制調(diào)用 Trio Basic語言，更好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)推波板的運(yùn)動(dòng)控制．相比現(xiàn)有裝置，信號(hào)傳輸與處理完全采用數(shù)字信號(hào)，使控制系統(tǒng)響應(yīng)更快，運(yùn)行更穩(wěn)定．實(shí)驗(yàn)證明設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果．

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