風(fēng)洞艦船模型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

王 飛, 吳小峰

(1.高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心(船海協(xié)創(chuàng)中心),上海 200240;2.上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240;3.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心,江蘇 無(wú)錫 214082)

0 引 言

艦船尾流場(chǎng)特性是直升機(jī)著艦安全性研究中的一個(gè)基本課題，尾流場(chǎng)由于影響因素眾多且具有時(shí)變性及不確定性[1-3]。在該方面的研究中，理論計(jì)算方法難以滿足實(shí)際的要求，風(fēng)洞模型試驗(yàn)一直作為基本的研究手段。為此需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)專門(mén)的模型運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，以展開(kāi)這方面的風(fēng)洞試驗(yàn)研究。

艦船尾流場(chǎng)研究試驗(yàn)不僅需要考慮基本的縱傾、橫傾等靜態(tài)工況，同時(shí)為了模擬艦船在波浪中的運(yùn)動(dòng)還要重點(diǎn)考慮升沉、縱蕩、橫搖3個(gè)方向上的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)工況。目前已有的相關(guān)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)只能完成靜態(tài)工況的控制，無(wú)法滿足模型動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)控制的要求。本文以此為背景，針對(duì)艦船模型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)展開(kāi)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作，完成模型運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的機(jī)械、電控設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)控制與監(jiān)測(cè)軟件，解決數(shù)據(jù)同步問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)艦船模型的三自由度靜態(tài)與動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)控制，解決試驗(yàn)中模型運(yùn)動(dòng)控制的現(xiàn)實(shí)需求。在此基礎(chǔ)上，展開(kāi)基本的測(cè)試工作，確保系統(tǒng)有效運(yùn)行。

1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

艦船在海上航行時(shí)除了基本的直航運(yùn)動(dòng)外，還包括3個(gè)方向上周期性的搖擺與偏蕩運(yùn)動(dòng)，即：縱蕩、橫蕩、垂蕩(升沉)、橫搖、縱搖、艏搖，其中直航運(yùn)動(dòng)在風(fēng)洞中通過(guò)定常風(fēng)速模擬，而搖擺偏蕩運(yùn)動(dòng)則通過(guò)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常，橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)于尾流場(chǎng)影響較顯著，而艦船自身的縱蕩、橫蕩及艏搖幅度小，對(duì)尾流場(chǎng)的影響小，故艦船尾流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)壳爸豢紤]橫搖、縱搖和垂蕩3種運(yùn)動(dòng)。

為節(jié)約成本，縱搖升沉運(yùn)動(dòng)采用直流調(diào)速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而橫搖運(yùn)動(dòng)因?yàn)闄C(jī)構(gòu)的空間限制及精度原因，本文采用高性能的安川伺服電機(jī)來(lái)控制。

1.1 整體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了艦船模型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案[4-5]，其中橫搖機(jī)構(gòu)通過(guò)前桿和后桿疊加于縱搖升沉機(jī)構(gòu)上，整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 艦船模型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

(1) 縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)控制部分。由縱搖升沉電機(jī)和2個(gè)偏心輪機(jī)構(gòu)組成，其中電機(jī)由DC590+數(shù)字驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，可精確控制轉(zhuǎn)速，而偏心輪的偏心距和相位均可手動(dòng)調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)前后兩個(gè)機(jī)構(gòu)的偏心距和相位，便可實(shí)現(xiàn)模型的縱搖、升沉兩自由度的運(yùn)動(dòng)。

(2) 橫搖運(yùn)動(dòng)控制部分。由橫搖電機(jī)和橫搖支架組成，其中電機(jī)采用安川系列低速大扭矩伺服電機(jī)，由脈沖運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行精確控制。

(3) 工控及姿態(tài)測(cè)量部分。由位移計(jì)(直線位移傳感器)和橫搖角度傳感器，外加數(shù)據(jù)采集卡組成，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

其中，縱搖升沉電動(dòng)機(jī)通過(guò)1∶9減速器和系統(tǒng)相連，因功率要求較大,為節(jié)約成本該電機(jī)暫不采用伺服電機(jī)，而采用大功率直流電動(dòng)機(jī)。外部觸發(fā)信號(hào)為和試驗(yàn)數(shù)據(jù)同步而增設(shè)的一路輸入信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖郊幢硎玖鲌?chǎng)測(cè)量已開(kāi)始，然后以此點(diǎn)來(lái)同步模型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和流場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)采用硬件的參數(shù)分別如下：

(1) 橫搖電機(jī)。安川伺服電機(jī)，低速大扭矩系列，型號(hào)SGM7G-09AFC61，驅(qū)動(dòng)器SGD7S-7R6A 00A002，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min。

(2) 縱搖升沉電機(jī)。大功率直流電機(jī)，功率10 kW，驅(qū)動(dòng)器DC590+Digital Drive，額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)幅度為0.01%，ModBUS通訊協(xié)議。

(3) 數(shù)據(jù)采集卡。研華 AD-PCI-1711，12位多功能數(shù)據(jù)采集卡。

(4) 運(yùn)動(dòng)控制卡。研華 PCI-1245，經(jīng)濟(jì)型多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，支持線性插補(bǔ)。

(5) 485通訊卡。通用型485總線適配器。

(6) 傳感器。2個(gè)位移傳感器，1個(gè)角度傳感器，均為通用的電壓輸出型傳感器，各傳感器系數(shù)通過(guò)實(shí)際標(biāo)定確定。

1.2 縱搖升沉控制部件

縱搖升沉系統(tǒng)采用稀土永磁大功率直流電機(jī)，以DC590+直流調(diào)速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)直接勻速轉(zhuǎn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。DC590+具有指令控制與狀態(tài)讀取功能，采用雙工RS-485以ModBUS RTU協(xié)議[6-7]和上位機(jī)進(jìn)行雙向通訊，在使用前需要對(duì)DC590+進(jìn)行一些設(shè)置，加速時(shí)間設(shè)置為(0x0064)10.0 s，減速時(shí)間設(shè)置為(0x0032)5.0 s。

(a) 直流調(diào)速器

(b) 永磁直流電機(jī)

1.3 橫搖運(yùn)動(dòng)控制部件

橫搖系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器組成，如圖3所示?？刂瓶檠腥APCI-1245脈沖型步進(jìn)/伺服多軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡，板卡配有高性能DSP，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡和時(shí)間的準(zhǔn)確控制，具有連續(xù)插補(bǔ)及T/S曲線等功能，當(dāng)前僅使用其中的1軸，伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器為安川系列。為精確控制橫搖軌跡，伺服電動(dòng)機(jī)以脈沖模式運(yùn)行，每周脈沖數(shù)設(shè)置為256×1024個(gè)，以CW/CCW脈沖方式運(yùn)行。

(a) 運(yùn)動(dòng)控制卡

(b) 橫搖伺服電動(dòng)機(jī)

(c) 伺服驅(qū)動(dòng)器

(d) 接線端子板

機(jī)構(gòu)安裝時(shí)橫搖電機(jī)直接連接于橫搖支架，并盡量確保支架角度零點(diǎn)、角度傳感器零點(diǎn)和電機(jī)z向零點(diǎn)一致。

1.4 姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是為了實(shí)時(shí)記錄整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，為后期流場(chǎng)測(cè)量分析提供模型姿態(tài)數(shù)據(jù)。該部分由多功能數(shù)據(jù)采集卡、角度傳感器和直線位移傳感器組成，圖4為各部件實(shí)物圖。其中,角度傳感器直接連接于橫搖電機(jī)主軸上，兩個(gè)位移計(jì)分別連接于兩個(gè)偏心輪機(jī)構(gòu)上，數(shù)據(jù)采集卡研華AD-PCI-1711，為12位16通道高速數(shù)據(jù)采集卡，本系統(tǒng)共記錄4路輸入信號(hào)，前3路分別接3個(gè)傳感器，而第4路作為外界觸發(fā)信號(hào)輸入用以同步數(shù)據(jù)。

(a) 數(shù)據(jù)采集卡

(b) 橫搖角度傳感器

(c) 位移計(jì)

1.5 運(yùn)動(dòng)控制與監(jiān)測(cè)軟件

軟件部分主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制，并實(shí)時(shí)測(cè)量各個(gè)傳感器以確定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。為保證試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的適用性，軟件具有以下功能：①縱搖升沉電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制與調(diào)整;②橫搖電機(jī)的靜態(tài)定位控制與動(dòng)態(tài)橫搖控制;③具有傳感器標(biāo)定功能;④運(yùn)動(dòng)姿態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量與顯示;⑤數(shù)據(jù)在線處理、顯示與記錄。

1.6 傳感器信號(hào)濾波

由于電機(jī)是比較強(qiáng)烈的電磁干擾源，3個(gè)傳感器輸出的信號(hào)噪聲比較大，為減小噪聲，傳感器采用獨(dú)立的電源進(jìn)行供電，所有線纜全部采用屏蔽線，同時(shí)采用并聯(lián)電容的形式進(jìn)行濾波[8]。

測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，如采用大容量電容，輸出的信號(hào)很光順，但存在畸變與時(shí)滯，特別是高頻運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)此本文采用很小容量的電容以確保信號(hào)的準(zhǔn)確性。其中位移傳感器采用5.6 nF陶瓷電容，橫搖角度傳感器采用47 nF電容。

2 3自由運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

2.1 動(dòng)態(tài)橫搖運(yùn)動(dòng)

由于動(dòng)態(tài)橫搖運(yùn)動(dòng)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，位置及速度時(shí)刻在變化，常規(guī)的運(yùn)動(dòng)控制卡不能直接實(shí)現(xiàn)。本文采用連續(xù)直線段擬合的方式來(lái)模擬簡(jiǎn)諧正弦函數(shù)，如圖5所示。將每一直線段的起、止位置與轉(zhuǎn)動(dòng)速度通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡路徑設(shè)置函數(shù)輸入程序，然后進(jìn)行無(wú)限循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

圖5 分段直線擬合示意圖

對(duì)于橫搖簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)方程，

φR=aRsinωt

(1)

將其在[0～2π)范圍內(nèi)分為N(N建議≥30)段，第i(i=0～N-1)段的起、止位置與速度分別為：

(2)

式中：φR為橫搖角，其上的點(diǎn)表示橫搖角速度;aR為橫搖角幅值;ω為角頻率;ε是為了減小曲線凹凸誤差而額外加的一個(gè)微小調(diào)整量。

由于伺服電機(jī)的輸入為脈沖量而不是角度，故在最終使用時(shí)，需要將以上這些參數(shù)乘一個(gè)系數(shù)轉(zhuǎn)換為伺服電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的脈沖量，輸入進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制卡。

程序?qū)崿F(xiàn)：在測(cè)控程序中，使用路徑設(shè)置函數(shù)Acm_GpAddPath將每一段的起始位置pos0、終止位置pos1和運(yùn)動(dòng)速度vel輸入進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制卡，然后用函數(shù)Acm_GpMovePath以無(wú)限循環(huán)運(yùn)行模式啟動(dòng)橫搖運(yùn)動(dòng)，而停止運(yùn)動(dòng)可采用Acm_GpStopDec或Acm_GpStopEmg進(jìn)行停止。

2.2 縱搖與升沉運(yùn)動(dòng)控制

由于縱搖升沉運(yùn)動(dòng)是通過(guò)前后桿的上下運(yùn)動(dòng)間接來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因其為偏心輪機(jī)構(gòu)，前后桿的位移zF,zA可表示為，

(3)

式中：aF,aA為位移幅值，也即偏心輪的偏心距；相位角θF=ωt+θ0；δθ為相位差。

根據(jù)幾何關(guān)系，模型升沉運(yùn)動(dòng)為

Zsc=0.5(zF+zA)=ascsin(θF+δθsc)

(4)

式中：asc為升沉幅值；δθsc為升沉初始相位，

模型的縱搖運(yùn)動(dòng)為：

(5)

式中：azy為縱搖幅值；δθzy為縱搖初始相位;Lx為前后桿間距，

本文中將目標(biāo)相位差定義為(縱搖-升沉)相位。

式(3)～(5)構(gòu)成了縱搖、升沉運(yùn)動(dòng)的參數(shù)設(shè)置方程，根據(jù)目標(biāo)縱搖幅度、升沉幅度及它們之間的相位差，本文采用打靶法進(jìn)行求解，算出前桿幅度、后桿幅度及它們之間的相位差，以完成運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量程序開(kāi)發(fā)

由于該試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)屬專用系統(tǒng)，無(wú)任何商用軟件可采用，本文自行編寫(xiě)測(cè)量程序[9-12]。該程序全部代碼采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，可運(yùn)行于Win98～Win8系統(tǒng)，程序界面如圖6所示。

圖6 運(yùn)動(dòng)測(cè)控共享程序

為保證系統(tǒng)的兼容性，確保傳感器更換后仍可正常使用，程序已內(nèi)置傳感器標(biāo)定功能。文中采用兩點(diǎn)線性標(biāo)定法來(lái)確定各傳感器系數(shù)，標(biāo)定完成后將系數(shù)存盤(pán)，每次程序啟動(dòng)后系數(shù)及零點(diǎn)自動(dòng)載入。如發(fā)現(xiàn)系數(shù)有漂移，則需要重新標(biāo)定。

傳感器標(biāo)定流程:為保證整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度，3個(gè)傳感器在使用前需要進(jìn)行標(biāo)定。本文采用兩點(diǎn)線性方法標(biāo)定：

y=k(u-u0)

(6)

式中：y表示傳感器對(duì)應(yīng)的物理量；u為傳感器輸出電壓；u0為電壓零點(diǎn)。標(biāo)定流程如圖7所示，其中為保證精度兩步中傳感器的位置差(y2-y1)需足夠大，否則忽略該傳感器的標(biāo)定，其仍采用原先值。

圖7 傳感器系數(shù)標(biāo)定流程

標(biāo)定結(jié)束后，將3個(gè)傳感器系數(shù)和電壓零點(diǎn)存盤(pán)，供程序下次啟動(dòng)后自動(dòng)載入。對(duì)于不同工況的試驗(yàn)而言，傳感器的零點(diǎn)基準(zhǔn)可能會(huì)變化，故程序中電壓零點(diǎn)可以單獨(dú)另行設(shè)置。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

為模擬實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境，將一個(gè)約10 kg的模型固定于橫搖支架上，然后展開(kāi)各方向上的運(yùn)動(dòng)測(cè)試。

其中縱搖升沉運(yùn)動(dòng)參數(shù)為：升沉幅值0.05 m，縱搖幅值5°，相位差20°，運(yùn)動(dòng)頻率均為2.5 Hz。根據(jù)方程(3)～(5)，對(duì)應(yīng)的設(shè)置參數(shù)為：前桿幅值0.066 7 m;后桿幅值0.034 1 m;相位差-15.26°。橫搖運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置為：橫搖幅值10°;頻率2.5 Hz。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試采樣率為400 Hz。

圖8～10給出了系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間穩(wěn)定后，一些工況的測(cè)試結(jié)果。其中圖8為橫搖運(yùn)動(dòng)曲線，其中藍(lán)線是設(shè)置的橫搖角，為目標(biāo)值，紅線為實(shí)測(cè)的橫搖角；圖9為縱搖、升沉運(yùn)動(dòng)曲線，通過(guò)曲線位移發(fā)現(xiàn)兩條曲線間時(shí)差約22 ms，對(duì)應(yīng)的相位約20°，和設(shè)置值正好對(duì)應(yīng)。

圖8 橫搖運(yùn)動(dòng)曲線

圖9 升沉運(yùn)動(dòng)曲線

圖10 前后支桿運(yùn)動(dòng)曲線

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡均為比較理想的三角函數(shù)曲線，升沉與縱搖運(yùn)動(dòng)幅值與相位控制因其為機(jī)械控制的緣故而幾乎沒(méi)有誤差。

但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在以下兩個(gè)問(wèn)題：①橫搖幅值同目標(biāo)值有些差別，特別是頻率較高時(shí)，偏差超0.5度，已超允許誤差。②橫搖運(yùn)動(dòng)同縱搖運(yùn)動(dòng)之間的相位差不能直接預(yù)測(cè)、調(diào)整。

4.1 問(wèn)題1分析與解決方案

通過(guò)查閱資料并分析[13-14]，問(wèn)題1的原因?yàn)椋核欧姍C(jī)不同于步進(jìn)電機(jī)，因內(nèi)部PID自動(dòng)控制系統(tǒng)的存在，導(dǎo)致實(shí)際橫搖的幅值一般低于目標(biāo)幅值。

對(duì)此有兩種解決方案，調(diào)整伺服電機(jī)內(nèi)部的PID參數(shù)，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，非專業(yè)控制系統(tǒng)研究人員難以作到，而且模型重量、橫搖頻率改變以后，參數(shù)也要重新調(diào)整，該方案實(shí)際中不可行。對(duì)此，本文采用另外一種解決方案：①進(jìn)行試運(yùn)行，輸入一個(gè)橫搖幅值(比如φ0=10°)進(jìn)行橫搖，通過(guò)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)出實(shí)際的運(yùn)動(dòng)幅值(比如φ1=9.2°)；②按照比例的關(guān)系確定新的橫搖幅值φ0=φ0/φ1·目標(biāo)值=10.87°。再次進(jìn)行測(cè)試，如果精度還不能滿足要求的話，則重復(fù)以上測(cè)試，直至精度滿足要求。本文測(cè)試發(fā)現(xiàn)，一般進(jìn)行一次測(cè)試后實(shí)際的橫搖幅值就已很接近目標(biāo)值，很少需要進(jìn)行第2次。

4.2 問(wèn)題2分析與解決方案

縱搖電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后需要一定過(guò)渡時(shí)間，且橫搖伺服電動(dòng)機(jī)因控制系統(tǒng)原因也存在一定滯后時(shí)間，所以橫、縱搖之間的相位差不能直接控制。

對(duì)此本文采用在線微調(diào)縱搖電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，首先輕微調(diào)整縱搖電機(jī)轉(zhuǎn)速，利用姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)測(cè)它們之間的相位差，而后將電機(jī)轉(zhuǎn)速回復(fù)至原先值。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了艦船尾流場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，提出了完整的機(jī)械與電控設(shè)計(jì)方案，給出了具體的機(jī)電設(shè)備與相關(guān)設(shè)置，針對(duì)具體機(jī)構(gòu)設(shè)備，開(kāi)發(fā)了試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)控制與監(jiān)測(cè)軟件[15]，并將其作為共享軟件開(kāi)放下載。為和流場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)同步，將外部觸發(fā)信號(hào)引入AD采集卡，較好地解決了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與數(shù)據(jù)之間的同步問(wèn)題。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了本文所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)；同時(shí)針對(duì)系統(tǒng)中存在的一些小問(wèn)題，通過(guò)分析給出了較為理想的解決辦法。結(jié)果顯示，本文開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)機(jī)構(gòu)與軟件系統(tǒng)易用性較好，可以滿足艦船尾流場(chǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)的實(shí)際要求。對(duì)于類似試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或技術(shù)的開(kāi)發(fā)，本文的工作與相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可提供有益參考。