PLC在仿生魚鰭隨動系統(tǒng)中的應(yīng)用專題報告,plc,仿生,魚鰭,系統(tǒng),中的,應(yīng)用,利用,運用,專題報告 專題 PLC在仿生魚鰭隨動系統(tǒng)中的應(yīng)用 摘要：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(dāng)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(dá)到減小船舶橫搖的目的。隨著科學(xué)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(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性。 關(guān)鍵詞：減搖鰭 模擬量 隨動系統(tǒng) Summary: Reduce to shake fin is most for go of valid of a kind of active type ships reduce to shake device, it reduces to shake an efficiency high, through the development of more than 60 years, already extensively applied in various ships.Its reducing to shake principle BE: The ships drives process in the water in, be the fin has a speed and angle of bank in the water of time, will produce a rise dint, making use of this dint that rises the dint creation to resist the interference dint of the wave, can attain to let up ships then horizontal shake of purpose. Along with science technical development, reduce to shake the fin system just at gradually perfect, reduce to shake result also Be raising continuously. In recent years, in the automation control realm of the industrial production, just widespread make use of a kind of new control equipments-programmable controller(the ＰＬＣ ).The current ＰＬＣ is higher just in the facing accuracy, the function is more, usage more convenient direction development. See from the development trend of the ＰＬＣ , the ＰＬＣ control technique will become from now on the main means of the industrial automation. Lead it in to reduce to shake the fin control system in, carry out numeral to turn a control, will raise the vivid and the credibility of control the system further. Keyword: Reduce to shake fin emulation quantity with move system 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(jī)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(jī)構(gòu)、反饋、限位元件等組成。隨動系統(tǒng)應(yīng)盡可能"快速、準(zhǔn)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(dāng)?shù)母倪M(jìn)，下面進(jìn)行詳細(xì)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(jìn)行隔離），與升力反饋信號進(jìn)行代數(shù)求和、校正、放大，然后再與鰭角反饋信號進(jìn)行二次代數(shù)求和、校正、放大，接著送到鰭機(jī)械組合體上的射流管電液伺服閥，進(jìn)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(jī)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(jī)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。 鈣造后，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。 圖1 電液伺服系統(tǒng)原理圖 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(jī)艙內(nèi)的溫度能夠達(dá)到５５℃，濕度更可以達(dá)到９５％，并且存在各種強(qiáng)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(qiáng)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) 圖2 隨動系統(tǒng)改造原理圖 境的特殊性，對系統(tǒng)中的ＰＬＣ有較高的要求。考慮到性能指標(biāo)、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(jìn)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(jī)組的信號進(jìn)行檢測，如發(fā)現(xiàn)油溫、油位等出現(xiàn)故障，系統(tǒng)停機(jī)并自動報警。 （２）對來自控制器的輸入信號進(jìn)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(jìn)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(jìn)行比較，構(gòu)成回路，實現(xiàn)負(fù)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(jī)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(biāo)，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(jìn)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。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(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(jìn)行檢測，達(dá)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(jìn)行檢測的參考值。在ＰＬＣ程序中分別用十進(jìn)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(jìn)行檢測，這一步檢測的標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(dá)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ＦＰ 圖3 隨動系統(tǒng)軟件功能框圖 ０系列ＰＬＣ的ＰＩＤ命令不支持負(fù)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)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(biāo)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。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(biāo)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，分別如圖和圖６所示。需要注意的是，系統(tǒng)頻率特性圖中的橫坐標(biāo)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(zhǔn)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(rèn)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(rèn)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(yán)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(rèn)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)。 參考文獻(xiàn) 1 李建興．可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)．機(jī)械工業(yè)出版社，2004：42-43 2陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社，1992：24-37 3 吳中俊，黃永紅．可編程序控制器的原理及應(yīng)用．第2版．機(jī)械工業(yè)出版社，2004：137-157 4 袁任光．可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)及實例．第2版．華南理工大學(xué)出版社，2003：82-102 5 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