基于Trio控制器的吸收式造波機運動控制系統(tǒng)設(shè)計

張小樂，呼英俊

(天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

造波機是在實驗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，模擬實際海浪對船舶或各種建筑物的作用．但因為實驗水池的長度有限，造波機對模型或池壁的反射波會再一次反射，即波浪的二次反射，它會嚴重影響實驗結(jié)果．而吸收式造波機在產(chǎn)生擬需波浪的同時，能吸收實驗區(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、計算波浪數(shù)據(jù)，給推波板一個附加的二次位移，以消除反射波浪撞擊推波板形成的二次反射波，從而更真實地模擬海浪的運動[1]．

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

隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，運動控制也逐漸網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化．網(wǎng)絡(luò)化使控制更靈活、開放，數(shù)字化使控制更簡單、精確．采用PC和運動控制器相結(jié)合的控制方式，用PC作為信息處理平臺，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)檢測和修復(fù)等優(yōu)點；用控制器實現(xiàn)期望造波運動，可充分利用運動控制器中的運動算法和進行精確的軌跡控制．這種方式的信息處理速度快、運動控制精度高、開放擴展程度好、系統(tǒng)可靠性高，更適合吸收式造波[3–4]．

本文針對吸收式造波，選擇支持網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的運動控制器，在程序設(shè)計中利用C語言應(yīng)用廣泛、人機交互方便和 Fortran語言在數(shù)據(jù)處理上的優(yōu)勢，并調(diào)用運動控制器的運動算法，使得造波運動程序設(shè)計、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)分析都更簡單，較好地實現(xiàn)了吸收式造波．

1 運動控制系統(tǒng)的基本工作原理

吸收式造波機運動控制系統(tǒng)的工作原理見圖 1．

根據(jù)期望的波高周期數(shù)據(jù)，由上位機程序計算推波板的位移和時間控制信號，運動控制器接收后將其轉(zhuǎn)換為運動方向和速度的控制信號，伺服驅(qū)動器再將其轉(zhuǎn)換為脈沖信號驅(qū)動伺服電機運動，經(jīng)執(zhí)行裝置帶動推波板作相應(yīng)的往復(fù)運動，推動水面產(chǎn)生波浪．在推波板前固定距離處設(shè)置 2個波高傳感器采集推波板前的波高信號．運動控制器根據(jù)反饋信號計算設(shè)定值與實測值之間的差值，并以此調(diào)整下一時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，實現(xiàn)吸收式造波；另一方面，波高信號反饋回PC，與期望波譜的數(shù)據(jù)對比，完成統(tǒng)計分析．

在吸收式造波機工作過程中，最重要的是要實時采集推波板前波高數(shù)據(jù)，迅速計算得出下一位移量并確保執(zhí)行裝置及時響應(yīng)，這就對運動控制器的性能及信號傳輸速度提出了較高的要求．

圖1 運動控制系統(tǒng)的工作原理Fig.1 Block diagram of the motion control system

2 運動控制器及其通信

2.1 Trio控制器

運動控制器選用 Trio Motion公司的 Trio MC224型數(shù)字獨立運動控制器，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、可擴展性豐富等優(yōu)點．它采用 32位 120～150,MHz的 DSP微處理器，計算速度快，控制精度高，滿足吸收式造波對控制器運算速度的要求；包含直線運動、梯形運動、曲線運動等多種軸運動軌跡控制模式，可完全脫離 PC獨立進行控制，在 PC出現(xiàn)通信故障等問題時，依然可以進行吸收式造波的控制．控制器采用模塊化設(shè)計，可連接擴展多種具有軸控制功能的子板，實現(xiàn)對多個伺服單元的控制，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)的標準更規(guī)范、更通用，在遠距離傳輸、組件成本、軟硬件資源等方面也更有優(yōu)勢；而且可與普通網(wǎng)絡(luò)通連，利用網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測，遠程控制也很方便，已成為現(xiàn)場設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢．

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

Trio控制器面板配置有相關(guān)接口，通過網(wǎng)線即可實現(xiàn)連接；PC中基于Windows平臺建立EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)也較簡單，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．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際標準，具有較高精度的實時性和開放性，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，不會受到其他電氣系統(tǒng)的干擾，對噪聲的免疫能力很強，無信號漂移，傳輸精度高．其協(xié)議也規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸格式，對網(wǎng)絡(luò)通信帶寬的需求相對較低，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)試及維護時間，運行速度更快，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)動器配置有 SERCOS接口，可以方便地用提供的線纜進行連接，實現(xiàn)SERCOS數(shù)字通信．

3 程序設(shè)計

在程序設(shè)計上采用混合編程調(diào)用的方法，采用C語言和 Fortran語言進行上位機程序設(shè)計，實現(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、目標波譜及造波參數(shù)的設(shè)定、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及報警保護功能[7]．

控制執(zhí)行機構(gòu)由Trio控制器自帶Trio Basic語言編寫運動控制程序程實現(xiàn)．編程通過 Motion Perfect平臺進行，然后下載到控制器中存儲和運行．Trio控制器提供ActiveX功能，可以根據(jù)設(shè)備的需要在計算機中用高級程序語言進行二次開發(fā)；提供 OCX Component功能，可以自動檢測控制器內(nèi)的程序并與計算機中程序比較；計算機中有 VB、VC、C++等語言編寫的程序時，可直接調(diào)用其運動函數(shù)，復(fù)制到Trio處理器中進行運算處理和控制，方便進行操作．

4 實 驗

利用本文設(shè)計的控制系統(tǒng)，在天津水運工程科學研究所的實驗水槽中進行測試．水槽長 35,m，寬1,m，高 1.2,m，最大水深為 0.8,m．實驗時，將模擬的波譜或波高數(shù)據(jù)由主程序輸入，計算獲得控制推波板運動所需的數(shù)字控制信號，經(jīng)由運動控制程序，驅(qū)動機械裝置帶動推波板運動．推波板往復(fù)運動的位移決定波高，往復(fù)運動的頻率決定波浪周期．板前設(shè)置2個波高傳感器，運用兩點法進行入反射分離，分別求得入、反射波高與周期[8]．部分實驗數(shù)據(jù)見表1．對實驗數(shù)據(jù)的評價參考 JTJ/T234—2001《波浪模型試驗規(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；而吸收式造波的實驗結(jié)果誤差小，滿足要求；本文設(shè)計的吸收式造波機的實驗誤差最小，精度最高．

表1 各類型造波機造波實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental wave data of various types of wave maker

另外，程序可統(tǒng)計畫出實驗的波面過程圖．其目標波高 0.4,m、周期 1.4,s的實驗波面過程如圖 3所示．由圖 3可以看出：實驗過程中，非吸收式造波的波面波動較大，在很長的實驗時間范圍內(nèi)都難獲得穩(wěn)定的波高；現(xiàn)有吸收式造波機相比非吸收式造波，在波高穩(wěn)定度上有明顯的進步，進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)計的吸收式造波機的波面最穩(wěn)定，波高偏差最小．

圖3 各類型造波機造波實驗波面過程圖Fig.3 Experimental wavefront process map of various types of wave maker

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了吸收式造波機的運動控制系統(tǒng)，針對現(xiàn)有造波機的信號傳輸處理不及時、控制精度不理想問題進行改進．上位機程序設(shè)計采用混合編程的方式，對執(zhí)行機構(gòu)控制調(diào)用 Trio Basic語言，更好地實現(xiàn)了對推波板的運動控制．相比現(xiàn)有裝置，信號傳輸與處理完全采用數(shù)字信號，使控制系統(tǒng)響應(yīng)更快，運行更穩(wěn)定．實驗證明設(shè)計達到了預(yù)期效果．

［1］ 王先濤. 吸收式造波機理論[D]. 大連：大連理工大學，2002.

［2］ 張亞群. 造波機的控制及其實現(xiàn)[D]. 武漢：武漢理工大學，2007.

［3］ 班華，李長友. 運動控制系統(tǒng)[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［4］ 郗志剛，周宏甫. 運動控制器的發(fā)展與現(xiàn)狀[J]. 電氣傳動自動化，2005(3)：12–16.

［5］ 鄧昌建. 工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議和接口技術(shù)研究[D]. 成都：電子科技大學，2005.

［6］ 李琰，徐殿國，戚佳金，等. SERCOS接口應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 伺服控制，2006(5)：26-28.

［7］ 張瑞波，王收軍，朱國良. 基于VC6.0和FORTRAN語言的造波機控制軟件的研究與開發(fā)[J]. 制造業(yè)自動化，2008(8)：49-52.

［8］ 張瑞波. 港工波浪模擬設(shè)備的研究[D]. 天津：天津理工大學，2008.