可編程控制器在船舶減搖鰭隨動(dòng)系統中的應用

摘要：介紹了船舶減搖鰭的減搖原理和隨動(dòng)系統的組成，說(shuō)明了可編程控制器在減搖鰭隨動(dòng)系統中的應用，同時(shí)討論了程序設計方法。最后將設計完成后的系統應用于實(shí)際減搖鰭控制系統中，并對其進(jìn)行了測試，結果表明應用ＰＬＣ改造后的系統性能優(yōu)良。 關(guān)鍵詞：減搖鰭 ＰＬＣ 隨動(dòng)系統 減搖鰭是最為行之有效的一種主動(dòng)式船舶減搖裝置，它的減搖效率高，經(jīng)過(guò)６０多年的發(fā)展，已廣泛應用于各種船舶中。它的減搖原理是：船舶在水中行駛過(guò)程中，當鰭在水中有一個(gè)速度和傾斜角的時(shí)候，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)升力，利用此升力產(chǎn)生的力矩來(lái)抵抗海浪的干擾力矩，便可達到減小船舶橫搖的目的。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，減搖鰭系統正在逐步完善，減搖效果也在不斷提高。 近年來(lái)，在工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制領(lǐng)域中，正普遍利用一種新型控制設備——可編程控制器ＰＬＣ。目前的ＰＬＣ正在向著(zhù)精度更高、功能更多、使用更方便的方向發(fā)展。從ＰＬＣ的發(fā)展趨勢來(lái)看，ＰＬＣ控制技術(shù)將成為今后工業(yè)自動(dòng)化的主要手段。將其引入減搖鰭控制系統中，實(shí)現數字化控制，將進(jìn)一步提高控制系統的靈活性和可靠性。 １ 減搖鰭隨動(dòng)系統的構成及工作原理 減搖鰭的隨動(dòng)系統連接來(lái)自控制系統的控制信號，是轉鰭機構的中間轉換和功率放大環(huán)節。改造前，每個(gè)隨動(dòng)系統由%26;#177;１５Ｖ穩壓電源板ＤＹＣＪ、綜合放大板ＳＫＣＪ、操縱轉換板ＳＣＣＪ、液壓控制系統以用轉鰭機構、反饋、限位元件等組成。隨動(dòng)系統應盡可能“快速、準確、穩定”地工作。目前，大多數減搖鰭的隨動(dòng)系統都是“電－液隨動(dòng)系統”。本系統以ＮＪ４型減搖鰭的閥控式電液隨動(dòng)系統為原型，對其做了適當的改進(jìn)，下面進(jìn)行詳細介紹。 原有隨動(dòng)系統的工作原理圖如圖１所示。首先將來(lái)自控制器的信號送到綜合放大電路板ＳＫＣＪ（該插件板能對控制信號進(jìn)行隔離），與升力反饋信號進(jìn)行代數求和、校正、放大，然后再與鰭角反饋信號進(jìn)行二次代數求和、校正、放大，接著(zhù)送到鰭機械組合體上的射流管電液伺服閥，進(jìn)行電－液信號轉換。電液伺服閥根據ＳＫＣＪ板輸出信號的大小和極性調節來(lái)自油源機組的液壓油的流量和流向，使液壓缸的活塞速度和運動(dòng)方向發(fā)生變化，帶動(dòng)鰭機械組合體上的搖臂轉動(dòng)，使鰭轉動(dòng)到一定的角度產(chǎn)生相應的對抗力矩。 改造后，以上各功能完全由ＰＬＣ實(shí)現，原有隨動(dòng)系統中的各電源、插件板也將由ＰＬＣ各模塊取代。 ２ 隨動(dòng)系統的改造 ２．１ 減搖鰭隨動(dòng)系統的改造設計 ＰＬＣ隨動(dòng)系統接收來(lái)自控制器的控制信號，經(jīng)過(guò)處理后傳遞給伺服系統，驅動(dòng)減搖鰭移動(dòng)到指定位置，同時(shí)將輸出信號反饋回ＰＬＣ，構成控制回路。系統改造后的原理如圖２所示。 ２．２ 系統中ＰＬＣ的選擇 由于船舶航行在環(huán)境瞬息萬(wàn)變的海面上，工作環(huán)境非常惡劣，比如機艙內的溫度能夠達到５５℃，濕度更可以達到９５％，并且存在各種強烈的沖擊、振動(dòng)和鹽霧，這就要求安裝在艦船上的減搖鰭系統有較強的抗干擾能力。而船舶上空間狹小，對所安裝設備的體積也有一定的要求。由于減搖鰭隨動(dòng)系統工作環(huán)境的特殊性，對系統中的ＰＬＣ有較高的要求?？紤]到性能指標、功能、體積和價(jià)格等因素，本文選擇了松下電工的ＦＰ０系列可編程控制器。 系統主要包括電源單元、控制單元和兩個(gè)模擬量輸入輸出單元。ＰＬＣ工作環(huán)境溫度在０～５５℃范圍內，工作環(huán)境相對濕度為３０％～８５％，模擬輸入與ＰＬＣ內部電路之間采用光電耦合器進(jìn)行隔離，同時(shí)輸入輸出端設置濾波器，使之符合減搖鰭系統工作環(huán)境的要求。 ２．３ ＰＬＣ軟件實(shí)現的功能 根據系統要求，程序需要實(shí)現以下功能： （１）對來(lái)自系統油源機組的信號進(jìn)行檢測，如發(fā)現油溫、油位等出現故障，系統停機并自動(dòng)報警。 （２）對來(lái)自控制器的輸入信號進(jìn)行檢測，保證其始終被限定在規定范圍內，以保證減搖鰭工作轉角不超過(guò)其極限值；并對控制信號按一定控制規律進(jìn)行處理。 （３）在鰭轉動(dòng)工作時(shí)，將從鰭角電位計接收到的反饋信號與輸入的控制信號進(jìn)行比較，構成回路，實(shí)現負反饋。將控制信號與反饋信號綜合處理得到的結果作為控制指令發(fā)送給輸出端口。 （４）檢測ＰＬＣ輸出給電液伺服閥的信號是否超過(guò)額定范圍，如超出則做相應處理，保證伺服閥和減搖鰭正常安全地工作。 （５）在工作前或停機時(shí)根據操作需要隨時(shí)將減搖鰭運行到零位或其它需要的位置。 隨動(dòng)系統軟件功能框圖如圖３所示。 ２．４ 系統改造中存在的問(wèn)題及解決方法 系統正常工作時(shí)，油溫應低于６０℃，油位應大于３００ｍｍ，若超出上述指標，設在油箱內部的傳感器開(kāi)關(guān)將閉合，輸出電壓信號。為實(shí)現對油溫和油位的檢測，需要將代表油溫和油壓的兩路信號輸入給ＰＬＣ進(jìn)行檢查這樣將占用ＰＬＣ模擬量輸入／輸出單元的兩個(gè)輸入端口，增加單元塊的數量?？紤]到油溫和油壓變化較緩慢 沒(méi)有必要時(shí)刻監視其變化，因此用軟件設置定時(shí)器，控制兩個(gè)繼電器交替開(kāi)關(guān)，使油溫和油壓信號只通過(guò)一路通道交替輸入ＰＬＣ，在ＰＬＣ內部進(jìn)行檢測達到降低成本的目的。 不同鰭工作時(shí)的飽和角度不同，設計中將鰭的正常工作角度設定在%26;#177;２５%26;#176;以?xún)?。根據真?shí)鰭角與反饋電壓的比例關(guān)系，可以確定鰭角在%26;#177;２５%26;#176;時(shí)對應的反饋電壓是%26;#177;２．２Ｖ，將這兩個(gè)電壓值作為ＰＬＣ對輸入電壓信號進(jìn)行檢測的參考值。在ＰＬＣ程序中分別用十進(jìn)制數值%26;#177;Ｋ４４０表示兩個(gè)參考電壓。ＰＬＣ控制信號在輸出給電液伺服閥前也要進(jìn)行檢測，這一步檢測的標準不是減搖鰭的工作額定電壓，而是電液伺服閥的額定電流，目的是保證伺服閥可以正常安全工作。伺服閥工作的額定電流為%26;#177;８ｍＡ，線(xiàn)圈電阻為１０００%26;#177;１００Ω。由于ＦＰ０系列ＰＬＣ輸出電流范圍在０～２０ｍＡ之間，無(wú)法為伺服閥提供負電流，但ＰＬＣ的電壓輸出范圍在%26;#177;１０Ｖ之間，因此將電壓值作為指令信號輸入伺服閥。伺服閥串聯(lián)后線(xiàn)圈電阻為２０００Ω，由此得到伺服閥工作的電壓可以達到%26;#177;１６Ｖ。系統設計中，為使伺服閥始終工作在線(xiàn)性區，將ＰＬＣ對伺服閥的輸入電壓限定在%26;#177;８Ｖ以?xún)娶熢冢校蹋贸绦蛑蟹謩e用%26;#177;Ｋ１６００表示兩個(gè)參考電壓如指令信號在%26;#177;８Ｖ之內，則正常輸出，如果超過(guò)%26;#177;８Ｖ的范圍，則按照%26;#177;８Ｖ輸出。 由于松下ＦＰ０系列ＰＬＣ的ＰＩＤ命令不支持負數運算，所以隨動(dòng)系統控制部分采用自行設計的ＰＤ控制命令。每次程序啟動(dòng)前ＰＬＣ都先自動(dòng)對各主要寄存器清零，以消除程序啟動(dòng)時(shí)系統產(chǎn)生不必要的動(dòng)作。另外由于松下ＦＰ０型號不提供小數運算，因此對無(wú)法整除的數據只能采用四舍五入的處理方法，比例系數只能設定成整數。為了克服這一缺點(diǎn)，程序先將存儲于ＤＴ２０中的指令信號與鰭角反饋信號的差值乘以一個(gè)十進(jìn)制的系數（如Ｋ４７），將得到的數值存儲在ＤＴ３０中，再將ＤＴ３０中的數據除以一個(gè)十進(jìn)制系數（如Ｋ１０），這樣最終得到的數據與ＤＴ２０中的數值直接乘以４．７后的結果幾乎完全相同，有時(shí)兩者之間會(huì )存在一個(gè)很小的偏差，可以忽略不計。這樣就解決了比例系數只能是整數的不足，更準確地實(shí)現了比例控制。 ２．５ 隨動(dòng)系統性能分析 系統軟件設計完畢后，按要求安裝，對各端口進(jìn)行測試，確?？梢哉９ぷ骱髮⑾到y啟動(dòng)。給設計完成的隨動(dòng)系統輸入一個(gè)幅值為１Ｖ的階躍信號，得到系統的單位階躍響應如圖４所示。 從圖中可以看到，系統的最大超調量在２％以?xún)?，上升時(shí)間小于０．６ｓ，過(guò)渡時(shí)間小于０．８ｓ，暫態(tài)過(guò)程中的振蕩次數為３。上述各項指標完全符合減搖鰭隨動(dòng)系統的工作要求。 除了良好的暫態(tài)品質(zhì)以外，還要求足夠的穩態(tài)控制精度５。穩態(tài)控制精度反映了對系統的穩態(tài)特性或控制的穩態(tài)精度的要求。對于恒值控制系統，在工作中如果給定值不變，要求輸出量也不變，因此注意的是擾動(dòng)量所引起的穩態(tài)誤差；而對于隨動(dòng)系統，給定量以任意規律變化，則要求輸出量以一定的精度跟隨給定量變化，因此注意的是被控量和給定量之間的誤差。在檢測隨動(dòng)系統性能的實(shí)驗中，輸入的階躍信號幅值為１Ｖ，系統的穩態(tài)輸出為０．９８６Ｖ，穩態(tài)誤差小于２％。上述各種指標均符合減搖鰭系統對隨動(dòng)系統的要求。 根據鰭角與鰭角反饋電壓的比例關(guān)系圖，將輸入幅值在%26;#177;０．９Ｖ之間變化的正弦信號作為指令信號，使減搖鰭在指令信號的控制下，在%26;#177;１０%26;#176;之間來(lái)回擺動(dòng)。保持指令信號的幅值不變，改變信號的頻率，得到被控系統相應的幅值和相角。根據實(shí)驗數據可以得到隨動(dòng)系統的幅頻特性和相頻特性，分別如圖５和圖６所示。需要注意的是，系統頻率特性圖中的橫坐標不是通常使用的對數分度ｌｇω，而是直接使用ω。 觀(guān)察隨動(dòng)系統的幅頻特性圖可以看出，系統在頻率小于０．３５Ｈｚ之前表現出了類(lèi)似放大環(huán)節的特性，且此時(shí)系統的輸出幾乎沒(méi)有任何明顯變化，與角頻率變化無(wú)關(guān)，非常準確地實(shí)現了指令信號的輸出，系統非常穩定。從０．３５Ｈｚ開(kāi)始，隨著(zhù)頻率的增大，系統的幅頻特性和相頻特性均發(fā)生了改變。從整個(gè)變化過(guò)程來(lái)看，系統表現出類(lèi)似慣性環(huán)節的特性，因此可以將ω＝０．３５Ｈｚ近似地認為是系統的轉折頻率或交接頻率。 與幅頻特性相同，隨動(dòng)系統的相頻特性圖也顯示出系統在ω＝０．３５Ｈｚ之前的相角滯后非常小，在５%26;#176;以?xún)?，可以忽略不計。在０．３５Ｈｚ之后相角發(fā)生了明顯的變化，整個(gè)變化趨勢也類(lèi)似于一個(gè)慣性環(huán)節。但與典型的慣性環(huán)節不同，在所認為的轉折頻率ω＝０．３５Ｈｚ處，系統的相角沒(méi)有滯后４５%26;#176;左右，系統也沒(méi)有象典型慣性環(huán)節一樣相移－ａｒｃｔｇＴω，與角頻率ω表現出嚴格的反正切關(guān)系。 從整個(gè)系統表現出的幅頻特性和相頻特性來(lái)看，改造后的隨動(dòng)系統可以近似地認為是由一個(gè)放大環(huán)節與慣性環(huán)節串聯(lián)組成，系統在頻率小于０．３５Ｈｚ的低頻段表現出了較好的性能，符合減搖鰭系統對隨動(dòng)系統的要求，可以很好地工作。 由于ＰＬＣ在軟件和硬件上具有突出的優(yōu)點(diǎn)，隨動(dòng)系統的穩定性和精度都有所提高，系統的安裝和修改也更為簡(jiǎn)單方便。經(jīng)過(guò)運行測試，改造后的隨動(dòng)系統符合設計要求，能夠穩定運行，確保了船舶減搖鰭系統的正常工作。隨動(dòng)系統的改造完成后，將利用可編程控制器繼續完成減搖鰭控制器的設計，從而形成一套完整的應用可編程控制器實(shí)現的船舶減搖控制系統。

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