基于PLC和伺服電機的主動沖箱式造波系統(tǒng)的控制及實現(xiàn)

郝宗睿，李超，張浩，華志勵，任萬龍

(齊魯工業(yè)大學(山東省科學院) 山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266100)

造波作為一項重要的實驗技術，在海洋工程領域占有重要的位置。造波機能夠實現(xiàn)各種模型實驗所需的模擬波浪，在有限的區(qū)域范圍內(nèi)盡可能模擬出真實的海域環(huán)境[1]。而船舶及海洋裝備的發(fā)展對模擬實驗的準確度提出了更高要求，迫切需求較高精度的波浪模擬設備[2]。模型實驗的波浪效果一方面由造波水槽及執(zhí)行機構的本身結構及力學性質決定，另一方面由實驗環(huán)境能否準確地反映自然的海浪環(huán)境決定。為了提高實驗環(huán)境的準確性及可靠性，就必須不斷改善和提高造波技術[3]。近年來，國內(nèi)外專家學者對實驗水池的建設投入了大量的研究工作，造波技術取得了長足的發(fā)展。從最初的直流電機驅動傳動機構進行機械式造波，之后的電液模擬量伺服系統(tǒng)的應用，到現(xiàn)在的交流伺服電機運動控制技術的開發(fā)，造波設備越來越能夠真實地模擬各種海況，為實驗提供更科學的依據(jù)。伺服電機驅動具有響應速度快、控制精度高的特點[4]，其得到的波浪更接近于目標波浪，可以提供更好的實驗環(huán)境。1996年日本長崎研究所利用伺服電機運動控制技術，設計了適航性水池中的多向不規(guī)則波造波機控制系統(tǒng)[5]。2001年荷蘭把CAN總線技術和Ethernet/IP網(wǎng)絡技術與伺服控制器結合在一起建造了MARIN水池網(wǎng)絡化多向不規(guī)則波造波機[6]。2006年，大連理工大學開發(fā)了國內(nèi)第一臺采用伺服電機作為動力源的可模擬斜向不規(guī)則波的波浪水池造波設備[7]。我國702研究所建立的實驗水池也是采用了交流伺服電機控制方式[8]。然而國內(nèi)外造波機存在共同的缺陷，即特定的頻率范圍內(nèi)波高無法保持不變，波高精確控制問題依舊是現(xiàn)有造波技術的瓶頸。因此，造波水平的差距主要表現(xiàn)在對造波機的精確控制上。本文采用的造波控制系統(tǒng)在伺服驅動器內(nèi)部閉環(huán)控制的基礎上，還增加了基于PID(proportion integration differentiation)算法的波高和頻率閉環(huán)控制，能夠有效地提高造波精度。

本文以楔形板在垂直方向做上下往復運動產(chǎn)生規(guī)則波為造波需求完成造波運動。首先利用造波控制理論計算出造波機楔形板的運動參數(shù)；然后由運動控制器根據(jù)運動參數(shù)計算出楔形板的控制參數(shù)，控制伺服電機驅動楔形板運動；再利用PID負反饋算法提高波高與周期的精度；最后上位機界面通過TCP(transmission control protocol)與運動控制器通信，實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測和控制。仿真數(shù)據(jù)結果表明，采用PID算法比動力學模型的造波效果更好，精確度更高。

1 造波機系統(tǒng)參數(shù)計算

本文造波系統(tǒng)的實驗水槽尺寸為10 m×1 m×0.5 m，距離地面0.4 m，造波參數(shù)為波高0～10 cm，頻率0.5～3 Hz。造波機構由楔形塊、固定支架組成。通過楔形塊的垂直上下運動，產(chǎn)生波浪，如圖1所示。圖中水深為h，楔形塊在水面下垂直深度為b，楔形塊最大移動距離為Y，中心線距離波面的距離為a。

圖1 沖箱造波機結構示意圖Fig.1 Structural diagram of wave maker with striking box

本文以規(guī)則波造波理論為基礎，計算造波機系統(tǒng)參數(shù)。根據(jù)造波理論需要得到波高和頻率，反向計算沖箱式造波系統(tǒng)的設計參數(shù)。楔形塊的運動方程是通過推板式造波系統(tǒng)的設計參數(shù)推導得出[8]，主要包括水動力學系統(tǒng)A，波長L，波數(shù)k，楔形塊移動最大行程Smax，最大運動速度Vmax，最終得到楔形板最大行程對應的位移x和速度v。具體的造波設計參數(shù)算法流程如圖2所示。

圖2 造波機設計參數(shù)計算流程圖Fig.2 Flow chart for the calculation of wave maker design parameters

由上述流程得到的楔形板最大行程對應的位移和速度,不僅給造波機系統(tǒng)運動結構的設計、伺服驅動系統(tǒng)的選型及動力學模型的建立提供了參考，而且給后續(xù)的控制算法的數(shù)學推導和仿真分析提供了所需的數(shù)據(jù)支撐[3]。

2 造波機控制系統(tǒng)

2.1造波機運動控制系統(tǒng)組成

造波機控制系統(tǒng)由工控機、PLC控制器、伺服驅動器、伺服電機、楔形板和浪高傳感器等構成。硬件系統(tǒng)設計如圖3所示。

圖3 基于交流伺服電機的下壓式造波機控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of the control system of the downstroke wave maker based on the AC servo motor

系統(tǒng)采用西門子S7-200 Smart PLC及EM235作為運動控制器和模擬量采集模塊，主要負責接收上位機控制指令，運行下位機造波控制程序，采集傳感器信息，實現(xiàn)造波算法。伺服控制器采用西門子V90，功率為0.75 kW，集成PROFINET通信，可實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)的實時傳輸，完成驅動任務[9]。伺服電機為S-1FL6低慣量型電機，功率為0.75 kW，轉速為3000 r/min，2500線增量編碼器，主要驅動楔形塊的上下位移和速度。上位機通過TCP/IP與PLC直接通信，利用組態(tài)王軟件對系統(tǒng)整體狀態(tài)進行控制。

具體工作方式為工控機以TCP/IP通信方式給PLC控制器下發(fā)指令，PLC控制器通過伺服驅動器驅動伺服電機運動，并轉換為楔形塊的上下運動。伺服驅動器一方面通過PROFINET總線獲得PLC發(fā)送的電機轉速和位移信息，另一方面，通過檢測的電機編碼器信號進行負反饋調(diào)節(jié)。電機的狀態(tài)信號經(jīng)PLC采集后發(fā)送給主控計算機，由主控計算機顯示電機工作狀態(tài)。浪高傳感器將采集的浪高信號經(jīng)浪高儀濾波、放大、去噪處理后發(fā)送給模擬量采集模塊，PLC控制器再利用PID算法對運行參數(shù)進行調(diào)整和修正。

2.2 PID控制算法

圖4 PID控制器結構Fig.4 PID controller structure

為了提高造波的準確性，采用PID控制器對被控對象進行控制。這是一種線性控制器，通過對控制系統(tǒng)中偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)進行線性組合來重新調(diào)整控制量[10-11]。圖4為PID控制器結構圖，控制器的輸入為需要的波高Hd或頻率Fd，以及浪高傳感器采集的實際波高H或頻率F，求得偏差Δh和Δf，然后利用PID閉環(huán)控制算法得到被控對象位移和速度，并再次反饋給輸入，不斷地調(diào)整和修正參數(shù)。

PID算法的數(shù)學表達式為：

(1)

其中：kp為比例放大系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)，其值應根據(jù)造波機的實際工作情況來確定。通過不斷的造波實驗來修正系數(shù)，以找到最合適的數(shù)值對造波機進行控制。

2.3 上位機軟件設計

造波機上位機界面采用組態(tài)王軟件，通過TCP與PLC控制器通信。組態(tài)王軟件具有適應性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點，不但可以實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中具有完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用[12]。本文的組態(tài)界面主要包括湊譜、控制界面、波形采集顯示和數(shù)據(jù)處理。

湊譜可根據(jù)第1節(jié)中的系統(tǒng)模型函數(shù)，輸入波浪周期、波高、水深等參數(shù)，計算出波浪控制數(shù)據(jù)，如圖5所示?？刂平缑婵捎米骺刂圃觳C的啟停和故障檢測，標定PID系數(shù)，如圖6所示。波形采集界面可通過浪高儀采集波浪數(shù)據(jù)，并實時顯示在上位機界面上。數(shù)據(jù)分析界面對采集的數(shù)據(jù)點數(shù)進行分析，如通過統(tǒng)計分析得到規(guī)則波的波個數(shù)、平均波高、最大波高和平均周期、最大周期等[13]。

圖5 湊譜Fig.5 Gater spectrum

圖6 控制界面Fig.6 Control interface

3 實驗驗證

為了驗證主動造波功能，選定在0.4 m水深的波浪水槽內(nèi)做規(guī)則波運動，設定波高為6 cm，頻率為0.5 Hz。圖7是在實驗水槽內(nèi)做的規(guī)則波運動，從圖中可以看出，波形接近正弦波。

圖7 實驗水槽規(guī)則波運動Fig.7 Regular wave motion in the experimental flume

圖8 實驗數(shù)據(jù)對比Fig.8 Comparison of experimental data

另外，我們運用Matlab軟件分別對系統(tǒng)參數(shù)計算方法和PID算法對造波的波形進行對比。圖8為3種波形的仿真數(shù)據(jù)的比較，黑色曲線y1為標準正弦波波形，藍色虛線y2是由水動力傳遞函數(shù)得出的波形，紅色曲線y3為PID算法得到的波形。從圖中可以看出，規(guī)則波總體效果較好。在2 s之前，y3波形呈無規(guī)律變化；2 s之后，造波效果越來越接近標準波，而y2波形在幅度和周期上與標準波誤差越來越大，原因是隨著周期的增加非線性的影響也在增加。因此，在造波中采用PID控制算法可以滿足精度要求。

4 結論

本文對沖箱式造波系統(tǒng)的造波原理進行了理論分析，并對造波機的控制系統(tǒng)進行了詳細介紹。該系統(tǒng)在控制方式上利用PLC控制器通過伺服驅動器驅動伺服電機運動；在造波控制算法上，用PID負反饋算法代替原來的水動力學算法，使產(chǎn)生的波浪更接近于理論的目標波浪，從而提高了控制精度，為波浪實驗提供了更精確的條件。

本文設計的造波機主要是針對規(guī)則波，對于非規(guī)則波的研究，還要進行大量的實驗驗證。另外，由于在水槽尾部沒有設計消波裝置，隨著時間的增加，波形會受到二次反射波的影響。因此，以后在此基礎上，還要進行大量的非規(guī)則波分析實驗，以及對造波系統(tǒng)進行改進，實現(xiàn)造波機的吸收功能。