可編程控制器在船舶減搖鰭隨動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：介紹了船舶減搖鰭的減搖原理和隨動(dòng)系統(tǒng)的組成，說明了可編程控制器在減搖鰭隨動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，同時(shí)討論了程序設(shè)計(jì)方法。最后將設(shè)計(jì)完成后的系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際減搖鰭控制系統(tǒng)中，并對(duì)其進(jìn)行了測試，結(jié)果表明應(yīng)用ＰＬＣ改造后的系統(tǒng)性能優(yōu)良。 關(guān)鍵詞：減搖鰭 ＰＬＣ 隨動(dòng)系統(tǒng) 減搖鰭是最為行之有效的一種主動(dòng)式船舶減搖裝置，它的減搖效率高，經(jīng)過６０多年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各種船舶中。它的減搖原理是：船舶在水中行駛過程中，當(dāng)鰭在水中有一個(gè)速度和傾斜角的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)升力，利用此升力產(chǎn)生的力矩來抵抗海浪的干擾力矩，便可達(dá)到減小船舶橫搖的目的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，減搖鰭系統(tǒng)正在逐步完善，減搖效果也在不斷提高。 近年來，在工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制領(lǐng)域中，正普遍利用一種新型控制設(shè)備——可編程控制器ＰＬＣ。目前的ＰＬＣ正在向著精度更高、功能更多、使用更方便的方向發(fā)展。從ＰＬＣ的發(fā)展趨勢來看，ＰＬＣ控制技術(shù)將成為今后工業(yè)自動(dòng)化的主要手段。將其引入減搖鰭控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，將進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性。 １ 減搖鰭隨動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理 減搖鰭的隨動(dòng)系統(tǒng)連接來自控制系統(tǒng)的控制信號(hào)，是轉(zhuǎn)鰭機(jī)構(gòu)的中間轉(zhuǎn)換和功率放大環(huán)節(jié)。改造前，每個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)由%26;#177;１５Ｖ穩(wěn)壓電源板ＤＹＣＪ、綜合放大板ＳＫＣＪ、操縱轉(zhuǎn)換板ＳＣＣＪ、液壓控制系統(tǒng)以用轉(zhuǎn)鰭機(jī)構(gòu)、反饋、限位元件等組成。隨動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)盡可能“快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定”地工作。目前，大多數(shù)減搖鰭的隨動(dòng)系統(tǒng)都是“電－液隨動(dòng)系統(tǒng)”。本系統(tǒng)以ＮＪ４型減搖鰭的閥控式電液隨動(dòng)系統(tǒng)為原型，對(duì)其做了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。 原有隨動(dòng)系統(tǒng)的工作原理圖如圖１所示。首先將來自控制器的信號(hào)送到綜合放大電路板ＳＫＣＪ（該插件板能對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行隔離），與升力反饋信號(hào)進(jìn)行代數(shù)求和、校正、放大，然后再與鰭角反饋信號(hào)進(jìn)行二次代數(shù)求和、校正、放大，接著送到鰭機(jī)械組合體上的射流管電液伺服閥，進(jìn)行電－液信號(hào)轉(zhuǎn)換。電液伺服閥根據(jù)ＳＫＣＪ板輸出信號(hào)的大小和極性調(diào)節(jié)來自油源機(jī)組的液壓油的流量和流向，使液壓缸的活塞速度和運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，帶動(dòng)鰭機(jī)械組合體上的搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)，使鰭轉(zhuǎn)動(dòng)到一定的角度產(chǎn)生相應(yīng)的對(duì)抗力矩。 改造后，以上各功能完全由ＰＬＣ實(shí)現(xiàn)，原有隨動(dòng)系統(tǒng)中的各電源、插件板也將由ＰＬＣ各模塊取代。 ２ 隨動(dòng)系統(tǒng)的改造 ２．１ 減搖鰭隨動(dòng)系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) ＰＬＣ隨動(dòng)系統(tǒng)接收來自控制器的控制信號(hào)，經(jīng)過處理后傳遞給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)減搖鰭移動(dòng)到指定位置，同時(shí)將輸出信號(hào)反饋回ＰＬＣ，構(gòu)成控制回路。系統(tǒng)改造后的原理如圖２所示。 ２．２ 系統(tǒng)中ＰＬＣ的選擇 由于船舶航行在環(huán)境瞬息萬變的海面上，工作環(huán)境非常惡劣，比如機(jī)艙內(nèi)的溫度能夠達(dá)到５５℃，濕度更可以達(dá)到９５％，并且存在各種強(qiáng)烈的沖擊、振動(dòng)和鹽霧，這就要求安裝在艦船上的減搖鰭系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗干擾能力。而船舶上空間狹小，對(duì)所安裝設(shè)備的體積也有一定的要求。由于減搖鰭隨動(dòng)系統(tǒng)工作環(huán)境的特殊性，對(duì)系統(tǒng)中的ＰＬＣ有較高的要求?？紤]到性能指標(biāo)、功能、體積和價(jià)格等因素，本文選擇了松下電工的ＦＰ０系列可編程控制器。 系統(tǒng)主要包括電源單元、控制單元和兩個(gè)模擬量輸入輸出單元。ＰＬＣ工作環(huán)境溫度在０～５５℃范圍內(nèi)，工作環(huán)境相對(duì)濕度為３０％～８５％，模擬輸入與ＰＬＣ內(nèi)部電路之間采用光電耦合器進(jìn)行隔離，同時(shí)輸入輸出端設(shè)置濾波器，使之符合減搖鰭系統(tǒng)工作環(huán)境的要求。 ２．３ ＰＬＣ軟件實(shí)現(xiàn)的功能 根據(jù)系統(tǒng)要求，程序需要實(shí)現(xiàn)以下功能： （１）對(duì)來自系統(tǒng)油源機(jī)組的信號(hào)進(jìn)行檢測，如發(fā)現(xiàn)油溫、油位等出現(xiàn)故障，系統(tǒng)停機(jī)并自動(dòng)報(bào)警。 （２）對(duì)來自控制器的輸入信號(hào)進(jìn)行檢測，保證其始終被限定在規(guī)定范圍內(nèi)，以保證減搖鰭工作轉(zhuǎn)角不超過其極限值；并對(duì)控制信號(hào)按一定控制規(guī)律進(jìn)行處理。 （３）在鰭轉(zhuǎn)動(dòng)工作時(shí)，將從鰭角電位計(jì)接收到的反饋信號(hào)與輸入的控制信號(hào)進(jìn)行比較，構(gòu)成回路，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋。將控制信號(hào)與反饋信號(hào)綜合處理得到的結(jié)果作為控制指令發(fā)送給輸出端口。 （４）檢測ＰＬＣ輸出給電液伺服閥的信號(hào)是否超過額定范圍，如超出則做相應(yīng)處理，保證伺服閥和減搖鰭正常安全地工作。 （５）在工作前或停機(jī)時(shí)根據(jù)操作需要隨時(shí)將減搖鰭運(yùn)行到零位或其它需要的位置。 隨動(dòng)系統(tǒng)軟件功能框圖如圖３所示。 ２．４ 系統(tǒng)改造中存在的問題及解決方法 系統(tǒng)正常工作時(shí)，油溫應(yīng)低于６０℃，油位應(yīng)大于３００ｍｍ，若超出上述指標(biāo)，設(shè)在油箱內(nèi)部的傳感器開關(guān)將閉合，輸出電壓信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)油溫和油位的檢測，需要將代表油溫和油壓的兩路信號(hào)輸入給ＰＬＣ進(jìn)行檢查這樣將占用ＰＬＣ模擬量輸入／輸出單元的兩個(gè)輸入端口，增加單元塊的數(shù)量?？紤]到油溫和油壓變化較緩慢 沒有必要時(shí)刻監(jiān)視其變化，因此用軟件設(shè)置定時(shí)器，控制兩個(gè)繼電器交替開關(guān)，使油溫和油壓信號(hào)只通過一路通道交替輸入ＰＬＣ，在ＰＬＣ內(nèi)部進(jìn)行檢測達(dá)到降低成本的目的。 不同鰭工作時(shí)的飽和角度不同，設(shè)計(jì)中將鰭的正常工作角度設(shè)定在%26;#177;２５%26;#176;以內(nèi)。根據(jù)真實(shí)鰭角與反饋電壓的比例關(guān)系，可以確定鰭角在%26;#177;２５%26;#176;時(shí)對(duì)應(yīng)的反饋電壓是%26;#177;２．２Ｖ，將這兩個(gè)電壓值作為ＰＬＣ對(duì)輸入電壓信號(hào)進(jìn)行檢測的參考值。在ＰＬＣ程序中分別用十進(jìn)制數(shù)值%26;#177;Ｋ４４０表示兩個(gè)參考電壓。ＰＬＣ控制信號(hào)在輸出給電液伺服閥前也要進(jìn)行檢測，這一步檢測的標(biāo)準(zhǔn)不是減搖鰭的工作額定電壓，而是電液伺服閥的額定電流，目的是保證伺服閥可以正常安全工作。伺服閥工作的額定電流為%26;#177;８ｍＡ，線圈電阻為１０００%26;#177;１００Ω。由于ＦＰ０系列ＰＬＣ輸出電流范圍在０～２０ｍＡ之間，無法為伺服閥提供負(fù)電流，但ＰＬＣ的電壓輸出范圍在%26;#177;１０Ｖ之間，因此將電壓值作為指令信號(hào)輸入伺服閥。伺服閥串聯(lián)后線圈電阻為２０００Ω，由此得到伺服閥工作的電壓可以達(dá)到%26;#177;１６Ｖ。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為使伺服閥始終工作在線性區(qū)，將ＰＬＣ對(duì)伺服閥的輸入電壓限定在%26;#177;８Ｖ以內(nèi)在ＰＬＣ程序中分別用%26;#177;Ｋ１６００表示兩個(gè)參考電壓如指令信號(hào)在%26;#177;８Ｖ之內(nèi)，則正常輸出，如果超過%26;#177;８Ｖ的范圍，則按照%26;#177;８Ｖ輸出。 由于松下ＦＰ０系列ＰＬＣ的ＰＩＤ命令不支持負(fù)數(shù)運(yùn)算，所以隨動(dòng)系統(tǒng)控制部分采用自行設(shè)計(jì)的ＰＤ控制命令。每次程序啟動(dòng)前ＰＬＣ都先自動(dòng)對(duì)各主要寄存器清零，以消除程序啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的動(dòng)作。另外由于松下ＦＰ０型號(hào)不提供小數(shù)運(yùn)算，因此對(duì)無法整除的數(shù)據(jù)只能采用四舍五入的處理方法，比例系數(shù)只能設(shè)定成整數(shù)。為了克服這一缺點(diǎn)，程序先將存儲(chǔ)于ＤＴ２０中的指令信號(hào)與鰭角反饋信號(hào)的差值乘以一個(gè)十進(jìn)制的系數(shù)（如Ｋ４７），將得到的數(shù)值存儲(chǔ)在ＤＴ３０中，再將ＤＴ３０中的數(shù)據(jù)除以一個(gè)十進(jìn)制系數(shù)（如Ｋ１０），這樣最終得到的數(shù)據(jù)與ＤＴ２０中的數(shù)值直接乘以４．７后的結(jié)果幾乎完全相同，有時(shí)兩者之間會(huì)存在一個(gè)很小的偏差，可以忽略不計(jì)。這樣就解決了比例系數(shù)只能是整數(shù)的不足，更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了比例控制。 ２．５ 隨動(dòng)系統(tǒng)性能分析 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)完畢后，按要求安裝，對(duì)各端口進(jìn)行測試，確?？梢哉９ぷ骱髮⑾到y(tǒng)啟動(dòng)。給設(shè)計(jì)完成的隨動(dòng)系統(tǒng)輸入一個(gè)幅值為１Ｖ的階躍信號(hào)，得到系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)如圖４所示。 從圖中可以看到，系統(tǒng)的最大超調(diào)量在２％以內(nèi)，上升時(shí)間小于０．６ｓ，過渡時(shí)間小于０．８ｓ，暫態(tài)過程中的振蕩次數(shù)為３。上述各項(xiàng)指標(biāo)完全符合減搖鰭隨動(dòng)系統(tǒng)的工作要求。 除了良好的暫態(tài)品質(zhì)以外，還要求足夠的穩(wěn)態(tài)控制精度５。穩(wěn)態(tài)控制精度反映了對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性或控制的穩(wěn)態(tài)精度的要求。對(duì)于恒值控制系統(tǒng)，在工作中如果給定值不變，要求輸出量也不變，因此注意的是擾動(dòng)量所引起的穩(wěn)態(tài)誤差；而對(duì)于隨動(dòng)系統(tǒng)，給定量以任意規(guī)律變化，則要求輸出量以一定的精度跟隨給定量變化，因此注意的是被控量和給定量之間的誤差。在檢測隨動(dòng)系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)中，輸入的階躍信號(hào)幅值為１Ｖ，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出為０．９８６Ｖ，穩(wěn)態(tài)誤差小于２％。上述各種指標(biāo)均符合減搖鰭系統(tǒng)對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)的要求。 根據(jù)鰭角與鰭角反饋電壓的比例關(guān)系圖，將輸入幅值在%26;#177;０．９Ｖ之間變化的正弦信號(hào)作為指令信號(hào)，使減搖鰭在指令信號(hào)的控制下，在%26;#177;１０%26;#176;之間來回?cái)[動(dòng)。保持指令信號(hào)的幅值不變，改變信號(hào)的頻率，得到被控系統(tǒng)相應(yīng)的幅值和相角。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到隨動(dòng)系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性，分別如圖５和圖６所示。需要注意的是，系統(tǒng)頻率特性圖中的橫坐標(biāo)不是通常使用的對(duì)數(shù)分度ｌｇω，而是直接使用ω。 觀察隨動(dòng)系統(tǒng)的幅頻特性圖可以看出，系統(tǒng)在頻率小于０．３５Ｈｚ之前表現(xiàn)出了類似放大環(huán)節(jié)的特性，且此時(shí)系統(tǒng)的輸出幾乎沒有任何明顯變化，與角頻率變化無關(guān)，非常準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了指令信號(hào)的輸出，系統(tǒng)非常穩(wěn)定。從０．３５Ｈｚ開始，隨著頻率的增大，系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性均發(fā)生了改變。從整個(gè)變化過程來看，系統(tǒng)表現(xiàn)出類似慣性環(huán)節(jié)的特性，因此可以將ω＝０．３５Ｈｚ近似地認(rèn)為是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率或交接頻率。 與幅頻特性相同，隨動(dòng)系統(tǒng)的相頻特性圖也顯示出系統(tǒng)在ω＝０．３５Ｈｚ之前的相角滯后非常小，在５%26;#176;以內(nèi)，可以忽略不計(jì)。在０．３５Ｈｚ之后相角發(fā)生了明顯的變化，整個(gè)變化趨勢也類似于一個(gè)慣性環(huán)節(jié)。但與典型的慣性環(huán)節(jié)不同，在所認(rèn)為的轉(zhuǎn)折頻率ω＝０．３５Ｈｚ處，系統(tǒng)的相角沒有滯后４５%26;#176;左右，系統(tǒng)也沒有象典型慣性環(huán)節(jié)一樣相移－ａｒｃｔｇＴω，與角頻率ω表現(xiàn)出嚴(yán)格的反正切關(guān)系。 從整個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)出的幅頻特性和相頻特性來看，改造后的隨動(dòng)系統(tǒng)可以近似地認(rèn)為是由一個(gè)放大環(huán)節(jié)與慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)組成，系統(tǒng)在頻率小于０．３５Ｈｚ的低頻段表現(xiàn)出了較好的性能，符合減搖鰭系統(tǒng)對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)的要求，可以很好地工作。 由于ＰＬＣ在軟件和硬件上具有突出的優(yōu)點(diǎn)，隨動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度都有所提高，系統(tǒng)的安裝和修改也更為簡單方便。經(jīng)過運(yùn)行測試，改造后的隨動(dòng)系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，能夠穩(wěn)定運(yùn)行，確保了船舶減搖鰭系統(tǒng)的正常工作。隨動(dòng)系統(tǒng)的改造完成后，將利用可編程控制器繼續(xù)完成減搖鰭控制器的設(shè)計(jì)，從而形成一套完整的應(yīng)用可編程控制器實(shí)現(xiàn)的船舶減搖控制系統(tǒng)。

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