轉(zhuǎn)閥控制式搖板造波機(jī)控制系統(tǒng)及實驗應(yīng)用

劉 毅， 鄭三和， 沈超杰， 鄭羽茜， 黃方平

(浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院， 浙江 寧波 315100)

0 引 言

在實驗水池中，實現(xiàn)海上環(huán)境的模擬是隨著海洋開發(fā)工程而興起的一門試驗研究技術(shù)，除風(fēng)、流的模擬之外，波浪的模擬是極為重要的。波浪對船舶、水利、海工建筑、海上石油開采等許多領(lǐng)域的研究都具有重要的意義[1]。

傳統(tǒng)的波浪生成研究和實驗教學(xué)多是在水池中進(jìn)行，但是水池中的實驗需要動用大型儀器設(shè)備和較多的實驗人員，從而導(dǎo)致波浪生成研究能耗大，操作繁瑣，維護(hù)成本高昂[2-4]。目前，建立現(xiàn)代的波浪生成實驗教學(xué)平臺是相關(guān)海洋工程專業(yè)實驗教學(xué)的熱點[5-7]。在波浪所涉及到海洋科技、水產(chǎn)學(xué)、水利工程等研究方面，也迫切需求一種先進(jìn)的實驗設(shè)備用于實驗及教學(xué)。近些年來，很多國內(nèi)外大型造波裝置也常采用電液伺服技術(shù)作為波浪模擬的解決方案，但是，電液系統(tǒng)中伺服閥的加工和裝配精度高、價格昂貴、結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜等缺點阻礙其在常規(guī)的波浪生成研究和實驗教學(xué)進(jìn)一步應(yīng)用[8]。國內(nèi)外學(xué)者研制了一些大推力、多缸、多軸、高頻的液壓激振裝備，出現(xiàn)了交流伺服液壓振動技術(shù)、新型電液伺服控制技術(shù)等[9-12]。文獻(xiàn)[13-15]中提出了一種旋轉(zhuǎn)閥芯結(jié)構(gòu)的高頻電液激振器用于大推力液壓振動臺，并對電液激振器的頻率特性和典型激振波形的實現(xiàn)與控制等進(jìn)行了研究。本文基于電液轉(zhuǎn)閥控制技術(shù)[16-17]研制一種新型造波機(jī)實驗平臺。

1 造波實驗平臺的組成及控制系統(tǒng)

本造波機(jī)實驗平臺如圖1所示，由上位機(jī)控制系統(tǒng)、液壓泵站平臺、造波裝置、轉(zhuǎn)閥控制系統(tǒng)以及水槽等組成。圖2所示為造波機(jī)的電液控制系統(tǒng)原理圖，主要由雙作用液壓缸、轉(zhuǎn)閥、電液比例軸向變量柱塞泵和比例溢流閥所組成。

圖1 新型造波機(jī)實驗平臺

圖2 造波機(jī)電液控制系統(tǒng)原理圖

1-冷卻器；2-電液比例變量柱塞泵；3-比例溢流閥；4-單向閥；5-蓄能器；6-壓力傳感器；7-流量計；8-步進(jìn)電機(jī)；9-轉(zhuǎn)閥；10-伺服電機(jī)；11-雙作用液壓缸；12-電磁溢流閥；13-過濾器；14-油箱

轉(zhuǎn)閥的工作原理如圖3所示，閥芯有4個結(jié)構(gòu)相同的臺肩，閥芯通過聯(lián)軸器與伺服電動機(jī)連接控制閥芯的換向頻率，閥芯另一端通過與直線步進(jìn)電動機(jī)連接控制閥芯軸向位移，從而控制閥芯開口的大小以及流量。其中，閥口的設(shè)計是匹配對稱的，前臺肩對應(yīng)的閥口過流面積變化是從零到最大，然后從最大至零，隨后進(jìn)入后臺肩對應(yīng)的閥口過流面積變化，也是從零到最大，然后從最大至零，且當(dāng)其中一閥口關(guān)閉時，其另一臺肩軸肩上的另外一面閥口剛好打開，使閥始終保持一個工作狀態(tài)。

圖3 轉(zhuǎn)閥工作原理圖

由圖3可見，油路通斷為P～B口和A～T口。當(dāng)閥芯旋轉(zhuǎn)一定的角度，油路通斷可以為P～A口和B～T口。伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化使得液流方向不斷換向、實現(xiàn)雙作用液壓缸往復(fù)頻率可調(diào)。在造波機(jī)中，通過調(diào)節(jié)電液比例溢流閥的系統(tǒng)壓力以及轉(zhuǎn)閥中直線步進(jìn)電動機(jī)的軸向位移，調(diào)試生成規(guī)則波浪的波幅。

所設(shè)計的轉(zhuǎn)閥裝置控制柜程序流程如圖4所示，所需要的控制量數(shù)值在觸摸屏處輸入，經(jīng)過控制柜內(nèi)的SC主機(jī)處理后，分別發(fā)送信號給步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器與伺服電動機(jī)驅(qū)動器，使電動機(jī)開始運轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)閥內(nèi)的液壓油流向以及流速，以實現(xiàn)控制造波板移動。同時，安裝在油缸上的傳感器進(jìn)行實時讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，反饋給SC主機(jī)處理，處理后的數(shù)據(jù)再傳輸給觸摸屏進(jìn)行顯示。

圖4 轉(zhuǎn)閥裝置控制柜程序控制流程圖

該轉(zhuǎn)閥的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖5所示，主要由臺達(dá)觸摸屏DVP-B07S410、臺達(dá)DVP-SC主機(jī)、臺達(dá)06AD模塊、臺達(dá)ASDA-B2伺服電動機(jī)驅(qū)動器、海頓直線步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器DCM4010、開關(guān)電源、Temposonics-EH型傳感器等組成。觸摸屏編程為臺達(dá)DOP，主機(jī)為WPL。轉(zhuǎn)閥裝置控制柜觸摸面板的設(shè)計如圖6所示。在觸摸面板“直線步進(jìn)電動機(jī)操作指令”一欄中輸入實驗所需的轉(zhuǎn)閥閥口開度數(shù)值，按“位移”按鈕即可將實際轉(zhuǎn)閥閥口開度調(diào)為所需數(shù)值，該操作可調(diào)節(jié)造波板來回運動的位移。在觸摸面板“伺服電動機(jī)操作指令”一欄中輸入實驗所需的轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速數(shù)值，按“伺服電動機(jī)”按鈕即可將實際轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速調(diào)為所需數(shù)值，該操作可調(diào)節(jié)造波板來回運動的頻率。液壓缸(造波板)實際位移情況將會在觸摸面板的左側(cè)“液壓缸位移數(shù)值顯示及位移曲線分布圖”中顯示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件圖

1-開關(guān)電源；2-DCM4010步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器；3-繼電器；4-PLC-SC主機(jī)及模塊；5-臺達(dá)觸摸屏；6-電源指示燈；7-電源開關(guān)按鈕；8-熔斷器；9-ASDA-B2伺服電動機(jī)驅(qū)動器

圖6 轉(zhuǎn)閥裝置控制柜觸摸面板圖

上位機(jī)控制柜的硬件設(shè)計如圖7所示，內(nèi)包含一臺工控機(jī)，PLC-SV主機(jī)，2個DVP06AD模擬量模塊，2個開關(guān)電源，交流接觸器，中間繼電器，220 V空開，380 V空開等。具體設(shè)計操作過程為，首先打開控制柜外壁上380 V的空開，給整個設(shè)備供電，再打開220 V空開給控制柜內(nèi)各種負(fù)載供電，然后依次打開工控機(jī)，液壓泵站，轉(zhuǎn)閥裝置控制柜等。并且，所設(shè)計的上位機(jī)控制系統(tǒng)可調(diào)節(jié)整個實驗平臺系統(tǒng)壓力。

圖7 上位機(jī)硬件

利用LabVIEW應(yīng)用程序，所設(shè)計的操作頁面及程序如圖8所示，通過操作頁面內(nèi)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定來控制液壓泵站平臺供給于造波裝置液壓油的壓力。在操作頁面內(nèi)的“系統(tǒng)壓力設(shè)置MPa”一欄內(nèi)輸入實驗所需要的系統(tǒng)壓力數(shù)值，鼠標(biāo)點擊“把手”圖標(biāo)即可將系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)為所需的數(shù)值，亦可通過點擊輸入欄旁邊的“上下”圖標(biāo)來微調(diào)系統(tǒng)壓力值。實際系統(tǒng)壓力數(shù)值將會顯示在操作頁面左側(cè)的圓表盤內(nèi)和圓表盤左上角的數(shù)值顯示欄，以及通過觀察液壓泵站平臺上的儀表得知。

圖8 LabVIEW操作頁面及程序

2 造波實驗應(yīng)用與分析

利用上述造波機(jī)所設(shè)計的控制系統(tǒng)，本實驗平臺可通過改變造波裝置的液壓系統(tǒng)供油壓力、造波板板來回運動的位移和頻率造出不同形式的規(guī)則波。如圖9所示為造波實驗現(xiàn)場圖以及采集到的不同波高和波長的規(guī)則波，實驗平臺生成的規(guī)則波波形可通過高速攝像機(jī)拍攝保存來進(jìn)行各方面參數(shù)讀取和分析。

圖9 造波實驗現(xiàn)場圖

通過改變控制系統(tǒng)中輸入的控制參數(shù)，可以比較觀察各個輸出的規(guī)則波波形參數(shù)(波幅和波長)的變化。在搖板造波波幅實驗方面，如圖10(a)所示為關(guān)于規(guī)則波波幅大小的造波實驗數(shù)據(jù)圖，在給定水深為0.5 m和由轉(zhuǎn)閥裝置控制柜觸摸面板所控制的伺服電動機(jī)工作頻率為1.5 Hz的情況下，改變上位工控機(jī)控制界面所控制的系統(tǒng)供油壓力大小和轉(zhuǎn)閥裝置控制柜觸摸面板所控制的直線步進(jìn)電動機(jī)位移xv大小，觀察記錄所形成規(guī)則波波幅的數(shù)據(jù)。在保持水深和伺服工作頻率不變的情況下?lián)u板式造波，當(dāng)直線步進(jìn)電動機(jī)位移大小不變時，波幅會隨著系統(tǒng)壓力數(shù)值的增大而增大；當(dāng)系統(tǒng)壓力數(shù)值不變時，波幅會隨著直線步進(jìn)電動機(jī)位移數(shù)值的增大而增大。在搖板造波波長實驗方面，如圖10(b)所示為關(guān)于規(guī)則波波長大小的造波實驗數(shù)據(jù)圖，結(jié)合給定水深為0.5 m和由上位工控機(jī)控制界面所控制的系統(tǒng)壓力大小為1.0 MPa的情況下，改變由轉(zhuǎn)閥裝置控制柜觸摸面板所控制的伺服電動機(jī)工作頻率大小和直線步進(jìn)電動機(jī)位移大小，觀察記錄所形成規(guī)則波波長的數(shù)據(jù)并繪制成圖。從圖10(b)可知，在保持水深和供油壓力不變的情況下，直線步進(jìn)電動機(jī)位移不變時，波長隨頻率的增大而減小；當(dāng)頻率不變時，波長不受xv的影響。

(a) 波幅數(shù)據(jù)

(b) 波長數(shù)據(jù)

3 結(jié) 語

本文研制出一種轉(zhuǎn)閥控制式造波機(jī)控制系統(tǒng)，主要對造波控制系統(tǒng)中的伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速的輸入控制、直線步進(jìn)電動機(jī)軸向位移輸入控制和系統(tǒng)供油壓力控制進(jìn)行了設(shè)計和應(yīng)用，并對所研制出的轉(zhuǎn)閥控制式造波平臺進(jìn)行了實驗研究，分析了造波實驗平臺輸入控制參數(shù)對波幅的影響。分析結(jié)果表明：隨著供油壓力增大，波浪波高增大；其次，當(dāng)直線步進(jìn)電動機(jī)位移越大，波浪波高越大；波浪波長主要受頻率的影響，上述結(jié)果為進(jìn)一步精確造波實驗提供了技術(shù)支持和參考依據(jù)。研究表明，轉(zhuǎn)閥控制式造波系統(tǒng)易于生成調(diào)試不同波幅和波長的規(guī)則波浪，使得進(jìn)行研究和實驗教學(xué)操作過程更為直觀簡單，對于進(jìn)行水動力學(xué)研究以及教學(xué)實驗示范具有重要的參考價值。