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可編程控制器在船舶減搖鰭隨動系統中的應用
摘要：介紹了船舶減搖鰭的減搖原理和隨動系統的組成，說明了可編程控制器在減搖鰭隨動系統中的應用，同時討論了程序設計方法。最后將設計完成后的系統應用于實際減搖鰭控制系統中，并對其進行了測試，結果表明應用ＰＬＣ改造后的系統性能優(yōu)良。關鍵詞：減搖鰭 ＰＬＣ 隨動系統
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，經過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：船舶在水中行駛過程中，當鰭在水中有一個速度和傾斜角的時候，就會產生一個升力，利用此升力產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，在工業(yè)生產的自動化控制領域中，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中，實現數字化控制，將進一步提高控制系統的靈活性和可靠性。
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１ 減搖鰭隨動系統的構成及工作原理
減搖鰭的隨動系統連接來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(jié)。改造前，每個隨動系統由±１５Ｖ穩(wěn)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。隨動系統應盡可能“快速、準確、穩(wěn)定”地工作。目前，大多數減搖鰭的隨動系統都是“電－液隨動系統”。本系統以ＮＪ４型減搖鰭的閥控式電液隨動系統為原型，對其做了適當的改進，下面進行詳細介紹。
原有隨動系統的工作原理圖如圖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求和、校正、放大，然后再與鰭角反饋信號進行二次代數求和、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－液信號轉換。電液伺服閥根據ＳＫＣＪ板輸出信號的大小和極性調節(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動，使鰭轉動到一定的角度產生相應的對抗力矩。
改造后，以上各功能完全由ＰＬＣ實現，原有隨動系統中的各電源、插件板也將由ＰＬＣ各模塊取代。
２ 隨動系統的改造
２．１ 減搖鰭隨動系統的改造設計
ＰＬＣ隨動系統接收來自控制器的控制信號，經過處理后傳遞給伺服系統，驅動減搖鰭移動到指定位置，同時將輸出信號反饋回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。由于減搖鰭隨動系統工作環(huán)境的特殊性，對系統中的ＰＬＣ有較高的要求。考慮到性能指標、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，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行隔離，同時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軟件實現的功能
根據系統要求，程序需要實現以下功能：
（１）對來自系統油源機組的信號進行檢測，如發(fā)現油溫、油位等出現故障，系統停機并自動報警。
（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，以保證減搖鰭工作轉角不超過其極限值；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，構成回路，實現負反饋。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）在工作前或停機時根據操作需要隨時將減搖鰭運行到零位或其它需要的位置。
隨動系統軟
件功能框圖如圖３所示。
２．４ 系統改造中存在的問題及解決方法
系統正常工作時，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關將閉合，輸出電壓信號。為實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，增加單元塊的數量。考慮到油溫和油壓變化較緩慢? 沒有必要時刻監(jiān)視其變化，因此用軟件設置定時器，控制兩個繼電器交替開關，使油溫和油壓信號只通過一路通道交替輸入ＰＬＣ，在ＰＬＣ內部進行檢測?達到降低成本的目的。
不同鰭工作時的飽和角度不同，設計中將鰭的正常工作角度設定在±２５°以內。根據真實鰭角與反饋電壓的比例關系，可以確定鰭角在±２５°時對應的反饋電壓是±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。系統設計中，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?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，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命令不支持負數運算，所以隨動系統控制部分采用自行設計的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產生不必要的動作。另外由于松下ＦＰ０型號不提供小數運算，因此對無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，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（如Ｋ４７），將得到的數值存儲在ＤＴ３０中，再將ＤＴ３０中的數據除以一個十進制系數（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只能是整數的不足，更準確地實現了比例控制。
２．５ 隨動系統性能分析
系統軟件設計完畢后，按要求安裝，對各端口進行測試，確保可以正常工作后將系統啟動。給設計完成的隨動系統輸入一個幅值為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％以內，上升時間小于０．６ｓ，過渡時間小于０．８ｓ，暫態(tài)過程中的振蕩次數為３。上述各項指標完全符合減搖鰭隨動系統的工作要求。
除了良好的暫態(tài)品質以外，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，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，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。在檢測隨動系統性能的實驗中，輸入的階躍信號幅值為１Ｖ，系統的穩(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對隨動系統的要求。
根據鰭角與鰭角反饋電壓的比例關系圖，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，得到被控系統相應的幅值和相角。根據實驗數據可以得到隨動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。
觀察隨動系統的幅頻特性圖可以看出，系統在頻率小于０．３５Ｈｚ之前表現出了類似放大環(huán)節(jié)的特性，且此時系統的輸出幾乎沒有任何明顯變化，與角頻率變化無關，非常準確地實現了指令信號的輸出，系統非常穩(wěn)定。從０．３５Ｈｚ開始，隨著頻率的增大，系統的幅頻特性和相頻特性均發(fā)生了改變。從整個變化過程來看，系統表現出類似慣性環(huán)節(jié)的特性，因此可以將ω＝０．３５Ｈｚ近似地認為是系統的轉折頻率或交接頻率。
與幅頻特性相同，隨動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°以內，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，在所認為的轉折頻率ω＝０．３５Ｈｚ處，系統的相角沒有滯后４５°左右，系統也沒有象典型慣性環(huán)節(jié)一樣相移－ａｒｃｔｇＴω，與角頻率ω表現出嚴格的反正切關系。
從整個系統表現出的幅頻特性和相頻特性來看，改造后的隨動系統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，隨動系統的穩(wěn)定性和精度都有所提高，系統的安裝和修改也更為簡單方便。經過運行測試，改造后的隨動系統符合設計要求，能夠穩(wěn)定運行，確保了船舶減搖鰭系統的正常工作。隨動系統的改造完成后，將利用可編程控制器繼續(xù)完成減搖鰭控制器的設計，從而形成一套完整的應用可編程控制器實現的船舶減搖控制系統。
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