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可編程控制器在船舶減搖鰭隨動系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：介紹了船舶減搖鰭的減搖原理和隨動系統(tǒng)的組成，說明了可編程控制器在減搖鰭隨動系統(tǒng)中的應(yīng)用，同時討論了程序設(shè)計方法。最后將設(shè)計完成后的系統(tǒng)應(yīng)用于實際減搖鰭控制系統(tǒng)中，并對其進行了測試，結(jié)果表明應(yīng)用ＰＬＣ改造后的系統(tǒng)性能優(yōu)良。關(guān)鍵詞：減搖鰭 ＰＬＣ 隨動系統(tǒng)
減搖鰭是最為行之有效的一種主動式船舶減搖裝置，它的減搖效率高，經(jīng)過６０多年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各種船舶中。它的減搖原理是：船舶在水中行駛過程中，當鰭在水中有一個速度和傾斜角的時候，就會產(chǎn)生一個升力，利用此升力產(chǎn)生的力矩來抵抗海浪的干擾力矩，便可達到減小船舶橫搖的目的。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，減搖鰭系統(tǒng)正在逐步完善，減搖效果也在不斷提高。
近年來，在工業(yè)生產(chǎn)的自動化控制領(lǐng)域中，正普遍利用一種新型控制設(shè)備——可編程控制器?ＰＬＣ?。目前的ＰＬＣ正在向著精度更高、功能更多、使用更方便的方向發(fā)展。從ＰＬＣ的發(fā)展趨勢來看，ＰＬＣ控制技術(shù)將成為今后工業(yè)自動化的主要手段。將其引入減搖鰭控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)字化控制，將進一步提高控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性。
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１ 減搖鰭隨動系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理
減搖鰭的隨動系統(tǒng)連接來自控制系統(tǒng)的控制信號，是轉(zhuǎn)鰭機構(gòu)的中間轉(zhuǎn)換和功率放大環(huán)節(jié)。改造前，每個隨動系統(tǒng)由±１５Ｖ穩(wěn)壓電源板ＤＹＣＪ、綜合放大板ＳＫＣＪ、操縱轉(zhuǎn)換板ＳＣＣＪ、液壓控制系統(tǒng)以用轉(zhuǎn)鰭機構(gòu)、反饋、限位元件等組成。隨動系統(tǒng)應(yīng)盡可能“快速、準確、穩(wěn)定”地工作。目前，大多數(shù)減搖鰭的隨動系統(tǒng)都是“電－液隨動系統(tǒng)”。本系統(tǒng)以ＮＪ４型減搖鰭的閥控式電液隨動系統(tǒng)為原型，對其做了適當?shù)母倪M，下面進行詳細介紹。
原有隨動系統(tǒng)的工作原理圖如圖１所示。首先將來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行隔離），與升力反饋信號進行代數(shù)求和、校正、放大，然后再與鰭角反饋信號進行二次代數(shù)求和、校正、放大，接著送到鰭機械組合體上的射流管電液伺服閥，進行電－液信號轉(zhuǎn)換。電液伺服閥根據(jù)ＳＫＣＪ板輸出信號的大小和極性調(diào)節(jié)來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方向發(fā)生變化，帶動鰭機械組合體上的搖臂轉(zhuǎn)動，使鰭轉(zhuǎn)動到一定的角度產(chǎn)生相應(yīng)的對抗力矩。
改造后，以上各功能完全由ＰＬＣ實現(xiàn)，原有隨動系統(tǒng)中的各電源、插件板也將由ＰＬＣ各模塊取代。
２ 隨動系統(tǒng)的改造
２．１ 減搖鰭隨動系統(tǒng)的改造設(shè)計
ＰＬＣ隨動系統(tǒng)接收來自控制器的控制信號，經(jīng)過處理后傳遞給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動減搖鰭移動到指定位置，同時將輸出信號反饋回ＰＬＣ，構(gòu)成控制回路。系統(tǒng)改造后的原理如圖２所示。
２．２ 系統(tǒng)中ＰＬＣ的選擇
由于船舶航行在環(huán)境瞬息萬變的海面上，工作環(huán)境非常惡劣，比如機艙內(nèi)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、振動和鹽霧，這就要求安裝在艦船上的減搖鰭系統(tǒng)有較強的抗干擾能力。而船舶上空間狹小，對所安裝設(shè)備的體積也有一定的要求。由于減搖鰭隨動系統(tǒng)工作環(huán)境的特殊性，對系統(tǒng)中的ＰＬＣ有較高的要求�？紤]到性能指標、功能、體積和價格等因素，本文選擇了松下電工的ＦＰ０系列可編程控制器。
系統(tǒng)主要包括電源單元、控制單元和兩個模擬量輸入輸出單元。ＰＬＣ工作環(huán)境溫度在０～５５℃范圍內(nèi)，工作環(huán)境相對濕度為３０％～８５％，模擬輸入與ＰＬＣ內(nèi)部電路之間采用光電耦合器進行隔離，同時輸入輸出端設(shè)置濾波器，使之符合減搖鰭系統(tǒng)工作環(huán)境的要求。
２．３ ＰＬＣ軟件實現(xiàn)的功能
根據(jù)系統(tǒng)要求，程序需要實現(xiàn)以下功能：
（１）對來自系統(tǒng)油源機組的信號進行檢測，如發(fā)現(xiàn)油溫、油位等出現(xiàn)故障，系統(tǒng)停機并自動報警。
（２）對來自控制器的輸入信號進行檢測，保證其始終被限定在規(guī)定范圍內(nèi)，以保證減搖鰭工作轉(zhuǎn)角不超過其極限值；并對控制信號按一定控制規(guī)律進行處理。
（３）在鰭轉(zhuǎn)動工作時，將從鰭角電位計接收到的反饋信號與輸入的控制信號進行比較，構(gòu)成回路，實現(xiàn)負反饋。將控制信號與反饋信號綜合處理得到的結(jié)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額定范圍，如超出則做相應(yīng)處理，保證伺服閥和減搖鰭正常安全地工作。
（５）在工作前或停機時根據(jù)操作需要隨時將減搖鰭運行到零位或其它需要的位置。
隨動系統(tǒng)軟
件功能框圖如圖３所示。
２．４ 系統(tǒng)改造中存在的問題及解決方法
系統(tǒng)正常工作時，油溫應(yīng)低于６０℃，油位應(yīng)大于３００ｍｍ，若超出上述指標，設(shè)在油箱內(nèi)部的傳感器開關(guān)將閉合，輸出電壓信號。為實現(xiàn)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進行檢查?這樣將占用ＰＬＣ模擬量輸入／輸出單元的兩個輸入端口，增加單元塊的數(shù)量�？紤]到油溫和油壓變化較緩慢? 沒有必要時刻監(jiān)視其變化，因此用軟件設(shè)置定時器，控制兩個繼電器交替開關(guān)，使油溫和油壓信號只通過一路通道交替輸入ＰＬＣ，在ＰＬＣ內(nèi)部進行檢測?達到降低成本的目的。
不同鰭工作時的飽和角度不同，設(shè)計中將鰭的正常工作角度設(shè)定在±２５°以內(nèi)。根據(jù)真實鰭角與反饋電壓的比例關(guān)系，可以確定鰭角在±２５°時對應(yīng)的反饋電壓是±２．２Ｖ，將這兩個電壓值作為ＰＬＣ對輸入電壓信號進行檢測的參考值。在ＰＬＣ程序中分別用十進制數(shù)值±Ｋ４４０表示兩個參考電壓。ＰＬＣ控制信號在輸出給電液伺服閥前也要進行檢測，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±８ｍＡ，線圈電阻為１０００±１００Ω。由于ＦＰ０系列ＰＬＣ輸出電流范圍在０～２０ｍＡ之間，無法為伺服閥提供負電流，但ＰＬＣ的電壓輸出范圍在±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)后線圈電阻為２０００Ω，由此得到伺服閥工作的電壓可以達到±１６Ｖ。系統(tǒng)設(shè)計中，為使伺服閥始終工作在線性區(qū)，將ＰＬＣ對伺服閥的輸入電壓限定在±８Ｖ以內(nèi)?在ＰＬＣ程序中分別用±Ｋ１６００表示兩個參考電壓?如指令信號在±８Ｖ之內(nèi)，則正常輸出，如果超過±８Ｖ的范圍，則按照±８Ｖ輸出。
由于松下ＦＰ０系列ＰＬＣ的ＰＩＤ命令不支持負數(shù)運算，所以隨動系統(tǒng)控制部分采用自行設(shè)計的ＰＤ控制命令。每次程序啟動前ＰＬＣ都先自動對各主要寄存器清零，以消除程序啟動時系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的動作。另外由于松下ＦＰ０型號不提供小數(shù)運算，因此對無法整除的數(shù)據(jù)只能采用四舍五入的處理方法，比例系數(shù)只能設(shè)定成整數(shù)。為了克服這一缺點，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十進制的系數(shù)（如Ｋ４７），將得到的數(shù)值存儲在ＤＴ３０中，再將ＤＴ３０中的數(shù)據(jù)除以一個十進制系數(shù)（如Ｋ１０），這樣最終得到的數(shù)據(jù)與ＤＴ２０中的數(shù)值直接乘以４．７后的結(jié)果幾乎完全相同，有時兩者之間會存在一個很小的偏差，可以忽略不計。這樣就解決了比例系數(shù)只能是整數(shù)的不足，更準確地實現(xiàn)了比例控制。
２．５ 隨動系統(tǒng)性能分析
系統(tǒng)軟件設(shè)計完畢后，按要求安裝，對各端口進行測試，確�？梢哉９ぷ骱髮⑾到y(tǒng)啟動。給設(shè)計完成的隨動系統(tǒng)輸入一個幅值為１Ｖ的階躍信號，得到系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)如圖４所示。
從圖中可以看到，系統(tǒng)的最大超調(diào)量在２％以內(nèi)，上升時間小于０．６ｓ，過渡時間小于０．８ｓ，暫態(tài)過程中的振蕩次數(shù)為３。上述各項指標完全符合減搖鰭隨動系統(tǒng)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(wěn)態(tài)控制精度?５?。穩(wěn)態(tài)控制精度反映了對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性或控制的穩(wěn)態(tài)精度的要求。對于恒值控制系統(tǒng)，在工作中如果給定值不變，要求輸出量也不變，因此注意的是擾動量所引起的穩(wěn)態(tài)誤差；而對于隨動系統(tǒng)，給定量以任意規(guī)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。在檢測隨動系統(tǒng)性能的實驗中，輸入的階躍信號幅值為１Ｖ，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出為０．９８６Ｖ，穩(wěn)態(tài)誤差小于２％。上述各種指標均符合減搖鰭系統(tǒng)對隨動系統(tǒng)的要求。
根據(jù)鰭角與鰭角反饋電壓的比例關(guān)系圖，將輸入幅值在±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±１０°之間來回擺動。保持指令信號的幅值不變，改變信號的頻率，得到被控系統(tǒng)相應(yīng)的幅值和相角。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以得到隨動系統(tǒng)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(tǒng)頻率特性圖中的橫坐標不是通常使用的對數(shù)分度ｌｇω，而是直接使用ω。
觀察隨動系統(tǒng)的幅頻特性圖可以看出，系統(tǒng)在頻率小于０．３５Ｈｚ之前表現(xiàn)出了類似放大環(huán)節(jié)的特性，且此時系統(tǒng)的輸出幾乎沒有任何明顯變化，與角頻率變化無關(guān)，非常準確地實現(xiàn)了指令信號的輸出，系統(tǒng)非常穩(wěn)定。從０．３５Ｈｚ開始，隨著頻率的增大，系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性均發(fā)生了改變。從整個變化過程來看，系統(tǒng)表現(xiàn)出類似慣性環(huán)節(jié)的特性，因此可以將ω＝０．３５Ｈｚ近似地認為是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率或交接頻率。
與幅頻特性相同，隨動系統(tǒng)的相頻特性圖也顯示出系統(tǒng)在ω＝０．３５Ｈｚ之前的相
角滯后非常小，在５°以內(nèi)，可以忽略不計。在０．３５Ｈｚ之后相角發(fā)生了明顯的變化，整個變化趨勢也類似于一個慣性環(huán)節(jié)。但與典型的慣性環(huán)節(jié)不同，在所認為的轉(zhuǎn)折頻率ω＝０．３５Ｈｚ處，系統(tǒng)的相角沒有滯后４５°左右，系統(tǒng)也沒有象典型慣性環(huán)節(jié)一樣相移－ａｒｃｔｇＴω，與角頻率ω表現(xiàn)出嚴格的反正切關(guān)系。
從整個系統(tǒng)表現(xiàn)出的幅頻特性和相頻特性來看，改造后的隨動系統(tǒng)可以近似地認為是由一個放大環(huán)節(jié)與慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)組成，系統(tǒng)在頻率小于０．３５Ｈｚ的低頻段表現(xiàn)出了較好的性能，符合減搖鰭系統(tǒng)對隨動系統(tǒng)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，隨動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度都有所提高，系統(tǒng)的安裝和修改也更為簡單方便。經(jīng)過運行測試，改造后的隨動系統(tǒng)符合設(shè)計要求，能夠穩(wěn)定運行，確保了船舶減搖鰭系統(tǒng)的正常工作。隨動系統(tǒng)的改造完成后，將利用可編程控制器繼續(xù)完成減搖鰭控制器的設(shè)計，從而形成一套完整的應(yīng)用可編程控制器實現(xiàn)的船舶減搖控制系統(tǒng)。
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