孫 強, 吳文鋒, 程如朋, 劉 笑

(浙江海洋學(xué)院 海運與港航建筑工程學(xué)院輪機工程系， 浙江 舟山 316022)

晃蕩模擬平臺控制系統(tǒng)設(shè)計

孫 強, 吳文鋒, 程如朋, 劉 笑

(浙江海洋學(xué)院 海運與港航建筑工程學(xué)院輪機工程系， 浙江 舟山 316022)

針對開環(huán)控制的晃蕩模擬平臺在控制功能和控制精度方面存在的問題，根據(jù)機電一體化自動控制的思想，主要設(shè)計一個晃蕩模擬平臺的信號輸出控制系統(tǒng)，利用PLC直接控制電液比例閥，傳感器反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)閉環(huán)控制。通過晃蕩模擬試驗結(jié)果表明,能夠克服當(dāng)前該裝置控制功能單一、控制精度和靈敏度低的缺點，且可以采集相關(guān)的實驗參數(shù)，滿足多種復(fù)雜晃蕩實驗的要求，對今后船舶液貨艙晃蕩實驗有重要的指導(dǎo)意義。

液艙晃蕩 PLC 電液比例閥 反饋調(diào)節(jié)

regulation

1 引言

船舶晃蕩問題早已引起國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行廣泛研究[1～3]，由于理論研究方法不能直觀地反映出液貨艙內(nèi)部晃蕩所產(chǎn)生的問題，越來越多的學(xué)者傾向于物理實驗?zāi)Ｐ蛠斫鉀Q該問題。目前國內(nèi)外船舶及海洋工程領(lǐng)域已研制出較為先進(jìn)的晃蕩試驗平臺[4,5]，但這些試驗平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴，得不到廣泛應(yīng)用。而有些研究學(xué)者搭建的晃蕩試驗平臺是利用液壓缸驅(qū)動晃蕩平臺裝置模擬液艙晃蕩現(xiàn)象[6,7]，對液壓缸的控制采用普通液控閥手動預(yù)調(diào)方式，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但缺少反饋環(huán)節(jié)，在控制上存在功能單一、控制精度低、靈敏度差等特點。

基于文獻(xiàn)[7]中所述的實驗平臺，本文提出一種優(yōu)化設(shè)計方案，首先將普通液控閥換成電液比例閥，然后用PLC控制器直接控制電液比例閥驅(qū)動液壓缸運動，傳感器監(jiān)測液壓缸位移，實現(xiàn)閉環(huán)控制，用以滿足晃蕩實驗的自動化程度高、控制精度高且能反饋各實驗參數(shù)等基本要求，且成本低，可廣泛應(yīng)用于船舶液貨艙晃蕩實驗領(lǐng)域。

2 控制系統(tǒng)元件選型

2.1 主要控制元件

由于電液比例閥操作性強、安裝使用簡單、控制精度高及抗污染能力強使得它在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)中使用的范圍越來越廣泛。電液比例閥是通過電信號來控制其閥芯所受電磁力，進(jìn)而調(diào)節(jié)閥芯位置，以達(dá)到控制液壓油流量和壓力的目的[8]。工業(yè)上電控先導(dǎo)型電液比例閥得到廣泛地應(yīng)用，其控制器一般為單片機和PLC，但PLC相比單片機性能更加穩(wěn)定，抗干擾能力強，適合在船舶液貨艙晃蕩這種工作環(huán)境較為惡劣的試驗中使用，因此本文的晃蕩平臺選用三菱FX2n系列的PLC控制器。

三菱系列的PLC具有小型化、高速度、高性能的特點，適用于模擬控制和定位控制等特殊用途；通過內(nèi)置高速計數(shù)器，可實現(xiàn)輸入輸出刷新、中斷、輸入濾波時間調(diào)整、恒定掃描時間等；使用脈沖列輸出功能，可直接控制電液比例閥的閥芯電磁力；配備A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、通信模塊、高速計數(shù)模塊，適用于電液比例閥的迅速和精確控制；同時該PLC具有維修、編程方便，抗干擾能力強等優(yōu)點。一般電液比例閥的額定工作電壓為0～24 V，而帶模擬量輸出的PLC輸出電壓范圍是0～10 V，因此要通過功率放大器的放大作用才能達(dá)到其額定工作電壓，實現(xiàn)PLC對電液比例閥的控制[9]。

2.2 相關(guān)硬件

閉環(huán)控制系統(tǒng)中反饋數(shù)據(jù)的傳感器選用KTC配拉桿式線性位移傳感器，這種傳感器相對于內(nèi)置式和激光位移傳感器來說安裝方便，受外界環(huán)境干擾小。其內(nèi)部裝有耐用的導(dǎo)電塑料電阻軌，適合位置測量和自動化控制的應(yīng)用。拉桿的最大的移動速度可達(dá)到10 m/s，線性的準(zhǔn)確度小于0.05%，固定支架可在液壓缸外任何位置迅速而牢固的安裝。直接輸出4～20 mA或0～10 V的標(biāo)準(zhǔn)直流電信號，有RS232的通訊輸出接口顯示位移量的數(shù)值，可直接連接PLC[10]。

PLC輸出的電信號在0～10 V范圍內(nèi)，然而要想驅(qū)動電液比例閥需要24 V的電壓，這時需在輸出端接一個功率放大器，通過功率放大作用使輸出的電壓達(dá)到額定控制電壓要求，比例電磁鐵才能克服彈簧彈力和液動力，調(diào)節(jié)閥的開度。輸入信號為0～10 V/4～20 mA的模擬電信號量，放大器可提供+24 V的控制電源，斜坡發(fā)生器可對上升和下降時間進(jìn)行單獨調(diào)節(jié)。比例閥放大器加入了各種必要的環(huán)節(jié)，比如死區(qū)調(diào)整、增益調(diào)整、顫振信號調(diào)整和斜坡時間調(diào)整等，可有效消除電流控制中的溫漂現(xiàn)象[11]。

綜合以上主要控制元件選型，結(jié)合實際晃蕩平臺裝置特點，設(shè)計的晃蕩平臺控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 電控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)工作原理設(shè)計

本文搭建的晃蕩平臺系統(tǒng)，是通過電液比例閥控制液壓缸的運動來實現(xiàn)晃蕩平臺橫搖、縱搖和升沉等運動，控制原理如圖2所示。

圖2 晃蕩平臺控制系統(tǒng)工作原理圖

其工作原理如下：

(1) 啟動電動機3帶動液壓馬達(dá)2運轉(zhuǎn)，在上位機10上輸入設(shè)定的晃蕩角度，與PLC控制器9雙向通信，D/A轉(zhuǎn)換后輸出控制電流；

(2) 電流信號經(jīng)功率放大器放大到電液比例閥5的額定控制電壓驅(qū)動其閥芯動作，液壓缸6開始運動，推動晃蕩裝置的晃動；

(3) 由位移傳感器7檢測出液壓缸活塞桿的當(dāng)前位置，模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換反饋到PLC控制器9；

(4) PLC控制器9按照梯形圖程序進(jìn)行運算處理，把反饋數(shù)據(jù)與預(yù)定的值進(jìn)行比較，得出偏差控制量然后進(jìn)行電流調(diào)節(jié)；

(5) 調(diào)節(jié)好的電流信號通過D/A轉(zhuǎn)換經(jīng)功率放大器后再次驅(qū)動電液比例方向閥節(jié)流口開度，從而使液壓缸活塞6逐漸運動到指定的值，經(jīng)過多次循環(huán)晃蕩平臺將其晃蕩到設(shè)定角度。

3.2 PLC—電液比例閥接線原理

晃蕩平臺控制系統(tǒng)中PLC與電液比例閥的接線如圖3所示，其中：

X0為啟動按鍵，控制電液比例閥處于通電狀態(tài)；

X2為連續(xù)操作按鍵，控制電液比例閥連續(xù)運動；

X3為停止按鍵，控制電液比例閥急停；

X4、X5、X6為線性位移傳感器，液壓缸運行時，反饋其位移信號。

晃蕩平臺的控制過程如下：

(1) 啟動電動機后帶動液壓馬達(dá)運轉(zhuǎn)將液壓油輸送到油管，同時通過上位機給PLC下達(dá)指令，經(jīng)過其自帶的D/A轉(zhuǎn)換功能將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電壓信號通過功率放大器的功率放大作用使其控制電液比例閥閥芯的移動，此時液壓油將推動液壓缸的運動使其帶動晃蕩平臺的晃動；

(2) 單步操作時，輸入一個晃蕩角度，平臺則會運動到這一設(shè)定角度停止下來；

(3) 連續(xù)操作時需輸入晃蕩角度和晃蕩次數(shù)，平臺可以連續(xù)晃蕩，PLC開始計數(shù)，當(dāng)次數(shù)滿時，停止運動；停止操作是防止系統(tǒng)運行時出現(xiàn)緊急情況讓設(shè)備立即停止運行。

圖3 PLC—電液比例閥接線圖

3.3PLC控制程序設(shè)計

書簽功能：對瀏覽過的地圖可進(jìn)行書簽操作，快速進(jìn)入保存的書簽地圖；定位功能：對地圖上的點位可進(jìn)行定位操作；搜索功能：按地圖上的區(qū)域空間、屬性及類別進(jìn)行搜索操作；測量功能：可對地圖范圍內(nèi)劃定區(qū)域或線形進(jìn)行面積、長度測量操作；圖層功能：按工程分類信息設(shè)置圖層對地圖簡單明了操作；圖例功能：對地圖上根據(jù)屬性設(shè)置的圖例進(jìn)行說明。

PLC控制器控制程序相對復(fù)雜，需要一定的編程方法來實現(xiàn)。每個液壓缸的運動狀態(tài)相似，通過控制每個液壓缸的運動時間差，能夠?qū)问幤脚_實現(xiàn)多種控制狀態(tài)。為此，對PLC的控制程序設(shè)計方法如下。

(1) 分析系統(tǒng)工作過程，按照工作方式和使用功能把總程序分成公用程序、手動程序和自動程序等部分。手動操作是一種單步操作模式，即在控制界面上輸入一個晃蕩角度量，此時系統(tǒng)則會運行到某一角度停止下來，可方便觀察實際晃蕩角度與輸入角度的差值，測算系統(tǒng)的誤差程度。自動操作是在控制界面輸入一個晃蕩角度和晃蕩次數(shù)，這時系統(tǒng)將連續(xù)晃蕩，直到次數(shù)滿時停止，要求自動儲存晃蕩次數(shù)、頻率和振幅等數(shù)據(jù)。編程時考慮到手動程序和自動程序不能夠同時執(zhí)行，用跳轉(zhuǎn)指令把它們分開，跳轉(zhuǎn)條件是每個工作方式時所選擇的信號。公用程序是手動和自動操作都需要的部分，也是PLC編程中最基本、最常用的程序。公用程序包括循環(huán)時間監(jiān)控、通訊處理和外設(shè)服務(wù)等。

(2) 公用程序主要是設(shè)置晃蕩位置的參考點，輸入晃蕩角度和頻率，以及計數(shù)器清零等步驟，可以優(yōu)先采用經(jīng)驗的手法來設(shè)計。手動程序是執(zhí)行單步操作，公共程序中需輸入一個晃蕩量，執(zhí)行這個操作，控制電液比例閥閥芯回到中位使其停止在那個狀態(tài)。自動程序十分復(fù)雜，公共程序中輸入晃蕩的角度和頻率，以及晃蕩的次數(shù)，需要執(zhí)行函數(shù)轉(zhuǎn)換、反饋、比較等步驟，對于這種控制一般采用順序控制設(shè)計法，先畫出這個工作過程的功能表圖以及邏輯順序圖，再選擇合適的編程方式來設(shè)計梯形圖程序。

(3) 先根據(jù)控制流程圖和各功能表來確定各個程序間的聯(lián)系，查找編程相關(guān)的指令，進(jìn)行程序的編寫。然后把編好的程序用PLC仿真模擬軟件進(jìn)行電流控制的仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對程序初步修改，最后把程序?qū)懭隤LC連接到系統(tǒng)中進(jìn)行多次的試驗調(diào)試，直到達(dá)到控制目的為止。

PLC程序主要包括主程序和自動控制、手動控制子程序等，其中手動和自動控制程序主要使電液比例閥單步運行和連續(xù)運行，以便測試其控制精度及晃蕩頻率和振幅大小，從而實現(xiàn)自動化控制。圖4為PLC控制流程圖。

圖4 PLC控制流程圖

3.4 實驗誤差分析

本文設(shè)計的晃蕩裝置可實現(xiàn)橫搖、縱搖和升沉三自由度運動，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時允許最大橫搖角度為20.5°，縱搖20.5°，升沉15cm，晃蕩箱體體積V=0.8×0.8×0.8 m3，采用液壓缸驅(qū)動，動力比較足，因此平臺可以承載不同負(fù)荷的油進(jìn)行晃蕩實驗。

晃蕩實驗需考慮多種情況，不同晃蕩角度時不同負(fù)載下的晃蕩。本文選取橫搖18°，縱搖15°，升沉10 cm為設(shè)定值，晃蕩箱體加裝的油為0.3 V、0.5 V、0.7 V，然后取前三次的調(diào)試實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 晃蕩實驗數(shù)據(jù)記錄表

晃蕩實驗數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過前三次的試驗調(diào)試，橫搖、縱搖、升沉的反饋值逐漸趨近設(shè)定值，第三次調(diào)試后誤差已經(jīng)在實驗允許范圍內(nèi)，且晃蕩負(fù)載愈小，偏離值也愈小。分析其原因是理論設(shè)計程序時，未能把各運動部件的摩擦完全考慮進(jìn)去，當(dāng)負(fù)載增大時，產(chǎn)生的摩擦阻力增加，結(jié)果偏差也增大，實驗時可在各運動部件滴加潤滑油來有效減少一部分阻力。其次是電氣控制系統(tǒng)中干擾和不穩(wěn)定性難免存在，還需要對控制系統(tǒng)采取一些必要的防干擾措施。

綜上所述，把PLC—電液比例閥控制原理應(yīng)用到晃蕩平臺控制系統(tǒng)中，首先計數(shù)器先清零上次操作的參考量，然后輸入設(shè)定的晃蕩角度及晃蕩次數(shù)，如果是首次啟動裝置，則晃蕩平臺開始運動，傳感器反饋晃蕩的實際角度與設(shè)定的晃蕩角度比較，若有偏差則經(jīng)PLC運算處理更改晃蕩角度，這樣循環(huán)控制直到達(dá)到設(shè)定值時保持此運動狀態(tài)，完成設(shè)定的晃蕩次數(shù)為止；若不是首次啟動晃蕩平臺及在運行中更改晃蕩運動角度和次數(shù)，晃蕩平臺會繼續(xù)運動重復(fù)上面的操作，完成晃蕩次數(shù)停止。這樣實現(xiàn)PLC閉環(huán)控制該晃蕩平臺，控制功能多樣，控制精度和靈敏度顯著提高。

4 結(jié)束語

通過對實驗室的晃蕩平臺進(jìn)行多次的帶負(fù)載調(diào)試和試驗，電流控制方面基本消除溫漂；該晃蕩裝置控制系統(tǒng)控制功能較強，較易改變控制參數(shù)，操作簡單方便，解決以前該晃蕩模擬平臺裝置的控制功能單一，控制精度和靈敏度低，溫漂過大的缺點，取得了預(yù)期的效果。這個控制系統(tǒng)不但可用于該晃蕩模擬平臺裝置的自動化控制，也可以用于其它類似需要電流控制的場合，具有重要的實際意義和推廣價值。

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Design of Sloshing Simulation Platform Control System

SUN Qiang, WU Wen-feng, CHENG Ru-peng, LIU Xiao

(Marine Engineering of Maritime and Shipping Architectural Engineering School of Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316022， China)

Aiming at open-loop control of sloshing simulation platform control functions and precision, according to the idea of automatic control of mechatronics, mainly designing a signal output control system of simulation platform,using PLC directly control electro-hydraulic proportional valve, sensors feedback data to adjust,realizing a closed-loop control.By the result of sloshing simulation tests showing, overcoming the shortcomings of current device control features a single, low control accuracy and sensitivity, and can capture relevant experimental parameters, meeting the requirements of a variety of complex sloshing experiments, having important guiding significance for future ship's tanks sloshing experiments.

Tank sloshing PLC Electro-hydraulic proportional valve Feedback

國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃，編號：201410340008。

孫 強(1993-)，男，大學(xué)本科。

U662

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