風洞艦船模型運動控制系統設計與開發

王 飛, 吳小峰

(1.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心(船海協創中心),上海 200240;2.上海交通大學海洋工程國家重點實驗室,上海 200240;3.中國船舶科學研究中心,江蘇 無錫 214082)

0 引 言

艦船尾流場特性是直升機著艦安全性研究中的一個基本課題，尾流場由于影響因素眾多且具有時變性及不確定性[1-3]。在該方面的研究中，理論計算方法難以滿足實際的要求，風洞模型試驗一直作為基本的研究手段。為此需要設計開發專門的模型運動控制機構，以展開這方面的風洞試驗研究。

艦船尾流場研究試驗不僅需要考慮基本的縱傾、橫傾等靜態工況，同時為了模擬艦船在波浪中的運動還要重點考慮升沉、縱蕩、橫搖3個方向上的動態運動工況。目前已有的相關試驗機構只能完成靜態工況的控制，無法滿足模型動態運動控制的要求。本文以此為背景，針對艦船模型運動控制系統展開設計與開發工作，完成模型運動控制機構的機械、電控設計，開發運動控制與監測軟件，解決數據同步問題，實現艦船模型的三自由度靜態與動態運動控制，解決試驗中模型運動控制的現實需求。在此基礎上，展開基本的測試工作，確保系統有效運行。

1 運動控制系統方案設計

艦船在海上航行時除了基本的直航運動外，還包括3個方向上周期性的搖擺與偏蕩運動，即：縱蕩、橫蕩、垂蕩(升沉)、橫搖、縱搖、艏搖，其中直航運動在風洞中通過定常風速模擬，而搖擺偏蕩運動則通過運動機構來實現。通常，橫搖、縱搖和垂蕩運動對于尾流場影響較顯著，而艦船自身的縱蕩、橫蕩及艏搖幅度小，對尾流場的影響小，故艦船尾流場實驗目前只考慮橫搖、縱搖和垂蕩3種運動。

為節約成本，縱搖升沉運動采用直流調速電機進行驅動，而橫搖運動因為機構的空間限制及精度原因，本文采用高性能的安川伺服電機來控制。

1.1 整體方案設計

本文設計了艦船模型運動控制系統方案[4-5]，其中橫搖機構通過前桿和后桿疊加于縱搖升沉機構上，整個系統如圖1所示。

圖1 艦船模型運動控制系統示意圖

(1) 縱搖和升沉運動控制部分。由縱搖升沉電機和2個偏心輪機構組成，其中電機由DC590+數字驅動器驅動，可精確控制轉速，而偏心輪的偏心距和相位均可手動調節，通過調節前后兩個機構的偏心距和相位，便可實現模型的縱搖、升沉兩自由度的運動。

(2) 橫搖運動控制部分。由橫搖電機和橫搖支架組成，其中電機采用安川系列低速大扭矩伺服電機，由脈沖運動控制卡進行精確控制。

(3) 工控及姿態測量部分。由位移計(直線位移傳感器)和橫搖角度傳感器，外加數據采集卡組成，用以實時監測系統的運動狀態。

其中，縱搖升沉電動機通過1∶9減速器和系統相連，因功率要求較大,為節約成本該電機暫不采用伺服電機，而采用大功率直流電動機。外部觸發信號為和試驗數據同步而增設的一路輸入信號，當該信號由低電平變為高電平即表示流場測量已開始，然后以此點來同步模型運動姿態和流場測量數據。

系統采用硬件的參數分別如下：

(1) 橫搖電機。安川伺服電機，低速大扭矩系列，型號SGM7G-09AFC61，驅動器SGD7S-7R6A 00A002，額定轉速1 500 r/min。

(2) 縱搖升沉電機。大功率直流電機，功率10 kW，驅動器DC590+Digital Drive，額定轉速2 000 r/min，轉速調節幅度為0.01%，ModBUS通訊協議。

(3) 數據采集卡。研華 AD-PCI-1711，12位多功能數據采集卡。

(4) 運動控制卡。研華 PCI-1245，經濟型多軸運動控制卡，支持線性插補。

(5) 485通訊卡。通用型485總線適配器。

(6) 傳感器。2個位移傳感器，1個角度傳感器，均為通用的電壓輸出型傳感器，各傳感器系數通過實際標定確定。

1.2 縱搖升沉控制部件

縱搖升沉系統采用稀土永磁大功率直流電機，以DC590+直流調速器進行驅動，電機直接勻速轉動即可實現預定功能。DC590+具有指令控制與狀態讀取功能，采用雙工RS-485以ModBUS RTU協議[6-7]和上位機進行雙向通訊，在使用前需要對DC590+進行一些設置，加速時間設置為(0x0064)10.0 s，減速時間設置為(0x0032)5.0 s。

(a) 直流調速器

(b) 永磁直流電機

1.3 橫搖運動控制部件

橫搖系統由運動控制卡、伺服電機和伺服驅動器組成，如圖3所示?？刂瓶檠腥APCI-1245脈沖型步進/伺服多軸電機運動控制卡，板卡配有高性能DSP，能夠實現運動軌跡和時間的準確控制，具有連續插補及T/S曲線等功能，當前僅使用其中的1軸，伺服電機及驅動器為安川系列。為精確控制橫搖軌跡，伺服電動機以脈沖模式運行，每周脈沖數設置為256×1024個，以CW/CCW脈沖方式運行。

(a) 運動控制卡

(b) 橫搖伺服電動機

(c) 伺服驅動器

(d) 接線端子板

機構安裝時橫搖電機直接連接于橫搖支架，并盡量確保支架角度零點、角度傳感器零點和電機z向零點一致。

1.4 姿態監測系統

監測系統是為了實時記錄整個系統的運動姿態，為后期流場測量分析提供模型姿態數據。該部分由多功能數據采集卡、角度傳感器和直線位移傳感器組成，圖4為各部件實物圖。其中,角度傳感器直接連接于橫搖電機主軸上，兩個位移計分別連接于兩個偏心輪機構上，數據采集卡研華AD-PCI-1711，為12位16通道高速數據采集卡，本系統共記錄4路輸入信號，前3路分別接3個傳感器，而第4路作為外界觸發信號輸入用以同步數據。

(a) 數據采集卡

(b) 橫搖角度傳感器

(c) 位移計

1.5 運動控制與監測軟件

軟件部分主要實現電機的控制，并實時測量各個傳感器以確定整個系統的運動姿態。為保證試驗機構的適用性，軟件具有以下功能：①縱搖升沉電機轉速的實時控制與調整;②橫搖電機的靜態定位控制與動態橫搖控制;③具有傳感器標定功能;④運動姿態實時測量與顯示;⑤數據在線處理、顯示與記錄。

1.6 傳感器信號濾波

由于電機是比較強烈的電磁干擾源，3個傳感器輸出的信號噪聲比較大，為減小噪聲，傳感器采用獨立的電源進行供電，所有線纜全部采用屏蔽線，同時采用并聯電容的形式進行濾波[8]。

測試時發現，如采用大容量電容，輸出的信號很光順，但存在畸變與時滯，特別是高頻運動時，對此本文采用很小容量的電容以確保信號的準確性。其中位移傳感器采用5.6 nF陶瓷電容，橫搖角度傳感器采用47 nF電容。

2 3自由運動控制的實現

2.1 動態橫搖運動

由于動態橫搖運動為簡諧運動，位置及速度時刻在變化，常規的運動控制卡不能直接實現。本文采用連續直線段擬合的方式來模擬簡諧正弦函數，如圖5所示。將每一直線段的起、止位置與轉動速度通過運動控制卡路徑設置函數輸入程序，然后進行無限循環運動。

圖5 分段直線擬合示意圖

對于橫搖簡諧運動方程，

φR=aRsinωt

(1)

將其在[0～2π)范圍內分為N(N建議≥30)段，第i(i=0～N-1)段的起、止位置與速度分別為：

(2)

式中：φR為橫搖角，其上的點表示橫搖角速度;aR為橫搖角幅值;ω為角頻率;ε是為了減小曲線凹凸誤差而額外加的一個微小調整量。

由于伺服電機的輸入為脈沖量而不是角度，故在最終使用時，需要將以上這些參數乘一個系數轉換為伺服電動機對應的脈沖量，輸入進運動控制卡。

程序實現：在測控程序中，使用路徑設置函數Acm_GpAddPath將每一段的起始位置pos0、終止位置pos1和運動速度vel輸入進運動控制卡，然后用函數Acm_GpMovePath以無限循環運行模式啟動橫搖運動，而停止運動可采用Acm_GpStopDec或Acm_GpStopEmg進行停止。

2.2 縱搖與升沉運動控制

由于縱搖升沉運動是通過前后桿的上下運動間接來實現的，因其為偏心輪機構，前后桿的位移zF,zA可表示為，

(3)

式中：aF,aA為位移幅值，也即偏心輪的偏心距；相位角θF=ωt+θ0；δθ為相位差。

根據幾何關系，模型升沉運動為

Zsc=0.5(zF+zA)=ascsin(θF+δθsc)

(4)

式中：asc為升沉幅值；δθsc為升沉初始相位，

模型的縱搖運動為：

(5)

式中：azy為縱搖幅值；δθzy為縱搖初始相位;Lx為前后桿間距，

本文中將目標相位差定義為(縱搖-升沉)相位。

式(3)～(5)構成了縱搖、升沉運動的參數設置方程，根據目標縱搖幅度、升沉幅度及它們之間的相位差，本文采用打靶法進行求解，算出前桿幅度、后桿幅度及它們之間的相位差，以完成運動參數的設置。

3 實驗測量程序開發

由于該試驗測量系統屬專用系統，無任何商用軟件可采用，本文自行編寫測量程序[9-12]。該程序全部代碼采用C語言編寫，可運行于Win98～Win8系統，程序界面如圖6所示。

圖6 運動測控共享程序

為保證系統的兼容性，確保傳感器更換后仍可正常使用，程序已內置傳感器標定功能。文中采用兩點線性標定法來確定各傳感器系數，標定完成后將系數存盤，每次程序啟動后系數及零點自動載入。如發現系數有漂移，則需要重新標定。

傳感器標定流程:為保證整個系統的監測精度，3個傳感器在使用前需要進行標定。本文采用兩點線性方法標定：

y=k(u-u0)

(6)

式中：y表示傳感器對應的物理量；u為傳感器輸出電壓；u0為電壓零點。標定流程如圖7所示，其中為保證精度兩步中傳感器的位置差(y2-y1)需足夠大，否則忽略該傳感器的標定，其仍采用原先值。

圖7 傳感器系數標定流程

標定結束后，將3個傳感器系數和電壓零點存盤，供程序下次啟動后自動載入。對于不同工況的試驗而言，傳感器的零點基準可能會變化，故程序中電壓零點可以單獨另行設置。

4 測試結果與分析

為模擬實際試驗環境，將一個約10 kg的模型固定于橫搖支架上，然后展開各方向上的運動測試。

其中縱搖升沉運動參數為：升沉幅值0.05 m，縱搖幅值5°，相位差20°，運動頻率均為2.5 Hz。根據方程(3)～(5)，對應的設置參數為：前桿幅值0.066 7 m;后桿幅值0.034 1 m;相位差-15.26°。橫搖運動參數設置為：橫搖幅值10°;頻率2.5 Hz。監測系統的測試采樣率為400 Hz。

圖8～10給出了系統運動一段時間穩定后，一些工況的測試結果。其中圖8為橫搖運動曲線，其中藍線是設置的橫搖角，為目標值，紅線為實測的橫搖角；圖9為縱搖、升沉運動曲線，通過曲線位移發現兩條曲線間時差約22 ms，對應的相位約20°，和設置值正好對應。

圖8 橫搖運動曲線

圖9 升沉運動曲線

圖10 前后支桿運動曲線

測試發現，系統的運動軌跡均為比較理想的三角函數曲線，升沉與縱搖運動幅值與相位控制因其為機械控制的緣故而幾乎沒有誤差。

但同時也發現系統存在以下兩個問題：①橫搖幅值同目標值有些差別，特別是頻率較高時，偏差超0.5度，已超允許誤差。②橫搖運動同縱搖運動之間的相位差不能直接預測、調整。

4.1 問題1分析與解決方案

通過查閱資料并分析[13-14]，問題1的原因為：伺服電機不同于步進電機，因內部PID自動控制系統的存在，導致實際橫搖的幅值一般低于目標幅值。

對此有兩種解決方案，調整伺服電機內部的PID參數，通過測試發現，該方案實現起來比較困難，非專業控制系統研究人員難以作到，而且模型重量、橫搖頻率改變以后，參數也要重新調整，該方案實際中不可行。對此，本文采用另外一種解決方案：①進行試運行，輸入一個橫搖幅值(比如φ0=10°)進行橫搖，通過姿態測量系統測出實際的運動幅值(比如φ1=9.2°)；②按照比例的關系確定新的橫搖幅值φ0=φ0/φ1·目標值=10.87°。再次進行測試，如果精度還不能滿足要求的話，則重復以上測試，直至精度滿足要求。本文測試發現，一般進行一次測試后實際的橫搖幅值就已很接近目標值，很少需要進行第2次。

4.2 問題2分析與解決方案

縱搖電動機啟動后需要一定過渡時間，且橫搖伺服電動機因控制系統原因也存在一定滯后時間，所以橫、縱搖之間的相位差不能直接控制。

對此本文采用在線微調縱搖電機轉速的方法來進行實時調整，首先輕微調整縱搖電機轉速，利用姿態測量系統實測它們之間的相位差，而后將電機轉速回復至原先值。

5 結 語

本文設計開發了艦船尾流場試驗模型運動機構，提出了完整的機械與電控設計方案，給出了具體的機電設備與相關設置，針對具體機構設備，開發了試驗運動控制與監測軟件[15]，并將其作為共享軟件開放下載。為和流場試驗測量數據同步，將外部觸發信號引入AD采集卡，較好地解決了機構運動姿態與數據之間的同步問題。通過實際測試，驗證了本文所開發的系統；同時針對系統中存在的一些小問題，通過分析給出了較為理想的解決辦法。結果顯示，本文開發的試驗機構與軟件系統易用性較好，可以滿足艦船尾流場風洞試驗的實際要求。對于類似試驗運動機構或技術的開發，本文的工作與相關經驗可提供有益參考。