基于Labwindows/CVI艦船重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?

劉少軍 王瑜瑜

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西安 710089）

1 引言

在艦船航行的過程中，艦船的重心位置（特指縱向重心）直接影響艦船的操縱性和安定性。由于兩者各有其重要作用，而它們對(duì)重心位置的要求又恰好相反，因此艦船重心位置必須處于一個(gè)適當(dāng)?shù)那易兓苄》秶鷥?nèi)。在艦船航行過程中，由于艦船姿態(tài)改變、燃油消耗、風(fēng)浪的影響、排水量變化等諸多因素［1～2］，艦船重心常偏離安全范圍，因此研制一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操縱便捷的艦船重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有重要意義。根據(jù)某型號(hào)艦船改裝項(xiàng)目的技術(shù)協(xié)議要求，并綜合考慮國(guó)內(nèi)外艦船重心調(diào)節(jié)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定采用固態(tài)配平和液態(tài)配平相結(jié)合的方法來調(diào)節(jié)艦船重心位置。

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際改裝方案及技術(shù)指標(biāo)功能的要求，并吸取在軍用型配重系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)［3］，通過分析計(jì)算，最終確定系統(tǒng)由中央顯示控制子系統(tǒng)和防凍液配平子系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 中央顯示控制子系統(tǒng)

中央顯示控制子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它主要包括安裝在艦船艙內(nèi)的控制柜和安裝在駕駛艙內(nèi)的重心顯示觸摸屏?？刂乒裰邪惭b有一體化工作站（上位機(jī)）、可編程控制器（下位機(jī)）及其擴(kuò)展模塊、手動(dòng)操作開關(guān)等。器件列表如表1所示。

表1 中央顯示控制系統(tǒng)器件列表

上位機(jī)通過串口RS232從PLC讀取已經(jīng)采集的各種傳感器信號(hào)、機(jī)載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)來的艦船俯仰角度和燃油消耗信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部建模，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)算出即時(shí)重心，按照給定的重心調(diào)節(jié)規(guī)律，發(fā)出相應(yīng)的調(diào)節(jié)指令，并通過人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控；上位機(jī)通過RS-232串口實(shí)時(shí)將前后罐組防凍液質(zhì)量及艦船實(shí)時(shí)重心發(fā)送給測(cè)試采集記錄系統(tǒng)。

為增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，在控制柜設(shè)計(jì)安裝了手動(dòng)操作開關(guān)。在無特殊情況下，駕駛員可手動(dòng)控制前后泵組、插板閥等，以變換防凍液在前后罐組的位置。

2.3 防凍液配平子系統(tǒng)

防凍液配平子系統(tǒng)由交流/直流電動(dòng)泵、電動(dòng)插板閥、壓力傳感器、流量傳感器等組成，主要器件列表如表2所示。主要負(fù)責(zé)執(zhí)行PLC的控制命令，調(diào)整防凍液的分布位置；通過壓力傳感器和渦輪流量傳感器采集壓力和流量信號(hào)［4］；在無特殊情況下關(guān)閉電動(dòng)插板閥，防止防凍液在罐組間流竄。

表2 系統(tǒng)主要器件列表

3 系統(tǒng)建模

3.1 重心的計(jì)算

影響艦船重心YT0發(fā)生變化的主要因素有：1）燃油的消耗；2）排水量變化（設(shè)重心的變化為ΔYTbq）；3）風(fēng)浪的變化（設(shè)重心的變化為 ΔYTbj）。其中排水量變化和風(fēng)浪變化為系統(tǒng)的干擾，用來消除干擾影響的方法有：1）防凍液的調(diào)節(jié)（設(shè)引起重心變化為ΔYTbf）；2）固態(tài)配重的移動(dòng)（設(shè)引起重心變化為 ΔYTbs）。

艦船重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)的模型如圖2所示。其中設(shè)定重心K為系統(tǒng)的輸入，F(xiàn)(Gh)/K為燃油消耗系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，YTb0為船體坐標(biāo)系下艦船的即時(shí)重心（未算排水量和風(fēng)浪的影響）。若取Ka=Kb=Kc=Kd=1，則

其中排水量影響重心的變化量ΔYTbq的計(jì)算公式為

其中，Gi為艦船即時(shí)總重；Δq為排水量對(duì)艦船重心的影響力矩。

風(fēng)浪影響重心的變化量ΔYTbj的計(jì)算公式為

其中，Gi為艦船即時(shí)總重；Δj為風(fēng)浪對(duì)艦船重心的影響力矩，詳見表3。

表3 風(fēng)浪的影響力矩

艦船的固態(tài)配重一般選擇沙袋、砝碼等，固態(tài)配重移動(dòng)引起的艦船重心變化量ΔYTbs的計(jì)算公式為

其中，Gsi是第i個(gè)固態(tài)配重的重量；Ysi是第i個(gè)固態(tài)配重搬運(yùn)前的坐標(biāo)；是第i個(gè)固態(tài)配重搬運(yùn)后的坐標(biāo)。

防凍液影響重心變化量ΔYTbf的計(jì)算公式為

其中，ΔGf為防凍液向后累計(jì)傳輸質(zhì)量與向前累計(jì)傳輸質(zhì)量之差；Lf為前后罐組的中心距；”+”為向后的傳輸質(zhì)量大于向前的傳輸質(zhì)量，重心后移；”-”向前的傳輸質(zhì)量大于向后的傳輸質(zhì)量，重心前移。

3.2 重心調(diào)節(jié)規(guī)律

由于防凍液調(diào)節(jié)范圍有限，試航時(shí)重心的調(diào)節(jié)分段實(shí)現(xiàn)，艦船改裝、稱重完成后，先利用固態(tài)配重根據(jù)試航科目對(duì)艦船重心進(jìn)行地面預(yù)配平，將重心初步調(diào)整至YT0=K±2%MAC［5］。艦船航行后，隨著燃油消耗及排水量改變，重心也隨之改變，這時(shí)調(diào)節(jié)防凍液在前后罐組的分布，將重心調(diào)整到預(yù)先設(shè)定的安全范圍內(nèi)（即預(yù)設(shè)重心附近），調(diào)節(jié)規(guī)律如下［6～7］：

1）預(yù)設(shè)重心K的范圍為 3≤K?8時(shí)，如果YT0-K?0.3，運(yùn)行后組電動(dòng)泵，將重心調(diào)整至YT0=K+0.15；如果YT0-K?0.05，運(yùn)行前組電動(dòng)泵，將重心調(diào)整至YT0=K+0.2。

2）預(yù)設(shè)重心K的范圍為8≤K≤24時(shí)，如果YT0-K?0.15，運(yùn)行后組電動(dòng)泵，將重心調(diào)整至YT0=K-0.05；如果YT0-K?-0.15，運(yùn)行前組電動(dòng)泵，將重心調(diào)整至YT0=K+0.05。

3）預(yù)設(shè)重心K的范圍為24?K≤31時(shí)，如果YT0-K?-0.05，運(yùn)行后組電動(dòng)泵，將重心調(diào)整至YT0=K-0.2；如果YT0-K?-0.3，運(yùn)行前組電動(dòng)泵，將重心調(diào)整至YT0=K-0.15。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件是艦船縱向重心自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)軟件使用 LabWindows/CVI［8］。主要完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制規(guī)律的選取、控制輸出、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)計(jì)算、燃油信號(hào)接收、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存取和讀取、上位機(jī)與下位機(jī)的通信、測(cè)試采集記錄系統(tǒng)間的通信。

4.1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作分為航行前的預(yù)配平和航行中的防凍液配平兩個(gè)步驟。系統(tǒng)通電后，啟動(dòng)上位機(jī)，運(yùn)行“艦船重心自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)”上位機(jī)軟件程序。在航行過程中，PLC根據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律和駕駛員的操作指令實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制輸液泵，同時(shí)將采集到的流量和壓力信號(hào)傳給上位機(jī)，上位機(jī)計(jì)算出即時(shí)重心，反饋給PLC。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

4.2 上位機(jī)用戶界面設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的上位機(jī)軟件共設(shè)有12個(gè)用戶界面或提示窗口：PLC連接自檢窗口；用戶登錄界面；初始化方式選擇界面；初始化參數(shù)輸入界面；重心范圍顯示界面；程序參數(shù)設(shè)置界面；用戶修改密碼界面；燃油質(zhì)量特性數(shù)據(jù)輸入界面；主控制顯示界面；數(shù)據(jù)顯示界面；固態(tài)配重調(diào)整界面；預(yù)設(shè)重心修改界面。界面運(yùn)行流程圖如圖4所示。

5 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 試驗(yàn)結(jié)果

1）水中防凍液配平的模擬試驗(yàn)

圖3 系統(tǒng)流程圖

水中防凍液配平模擬試驗(yàn)在地面對(duì)航行過程中的調(diào)節(jié)過程進(jìn)行模擬［9～10］，選取不同的預(yù)設(shè)重心值，以驗(yàn)證系統(tǒng)是否能夠按照既定的調(diào)節(jié)規(guī)律工作，具體結(jié)果見表4。

2）應(yīng)急調(diào)試試驗(yàn)

在駕駛艙重心顯示觸摸屏上點(diǎn)擊虛擬按鍵“應(yīng)急”來啟動(dòng)應(yīng)急調(diào)節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

3）掉電保護(hù)試驗(yàn)

在水中防凍液配平的任意時(shí)刻，同時(shí)切斷上位機(jī)和下位機(jī)的供電電源，觀察系統(tǒng)再啟動(dòng)后的數(shù)據(jù)恢復(fù)和狀態(tài)保持情況。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

圖4 界面運(yùn)行流程圖

表4 防凍液配平的模擬試驗(yàn)結(jié)果

5.2 結(jié)果分析

1）由表4可計(jì)算得到開單泵時(shí)的調(diào)節(jié)速率：

表5 應(yīng)急調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果

表6 掉電保護(hù)試驗(yàn)結(jié)果

由式（6）～（8）計(jì)算可得單泵平均調(diào)節(jié)速率：

2）由表5可計(jì)算得到開雙泵時(shí)的調(diào)節(jié)速率：

由式（10）和（11）計(jì)算可得雙泵的平均調(diào)節(jié)速率：

由表4～6可看出，系統(tǒng)對(duì)艦船重心調(diào)節(jié)誤差（絕對(duì)值）≤ 0.1%MAC［11～12］；由式（9）和（12）可知：?jiǎn)伪闷骄{(diào)節(jié)速率為1.02%MAC/min，雙泵平均調(diào)節(jié)速率為2.05%MAC/min。以上數(shù)據(jù)均能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)的要求。

6 結(jié)語

在分析以往重心調(diào)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于Labwindows/CVI的艦船重心自動(dòng)調(diào)節(jié)方案。該方案結(jié)合了固態(tài)配重和液態(tài)配重的優(yōu)點(diǎn)，采用上位機(jī)和下位機(jī)的分布式結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Labwin?dows/CVI的圖形化用戶界面編輯和庫函數(shù)，以及PLC較強(qiáng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)的可靠性、靈活性、通用性和實(shí)用性。目前該系統(tǒng)已通過聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)工作正常，運(yùn)行情況良好，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)功能要求。