船舶柴油機主動隔振監控系統設計

陳智君，王元真，雷本鑫，高 超

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

由于我國主動隔振系統的研究起步較晚，技術并不成熟，較多主動隔振控制算法仍在仿真實驗階段，很少有在實際應用中的案例[1]。而對于實驗階段的主動隔振來說，為驗證控制算法的控制效果，往往希望能夠實時觀察被控對象的振動情況，并通過對比參數調整前后被控對象的振動曲線，來判斷控制算法在不同條件下控制效果的好壞。因此，擁有1個配套上位機監控系統對于隔振實驗來說很有必要。本文作者以某型柴油機為對象，開發了1套主動隔振系統上位機監測軟件，并對自適應主動隔振算法進行研究。

1 主動隔振系統總體框架

主動隔振系統是指能夠實現對被控對象的振動實時監測，并根據所監測的振動信息利用自適應算法得出實時的控制規律，最終控制作動器產生反振力從而抑制其振動的1套完整系統。系統主要由上、下位機2部分組成。

下位機是系統硬件部分，主要功能是實時采集被控區域的振動信號，并根據所采集的振動信號進行次級通道辨識，再由自適應算法得出實時的控制規律，經由功率放大器輸出給作動器，控制作動器產生相應頻率的反振力。上位機是系統PC端顯示系統，主要功能是通過以太網接收下位機辨識結果以及采集的實時加速度信號，并在顯示軟件中繪制成曲線。本文上、下位機之間的通訊連接采用C/S模式，即客戶端/服務器模式[2]。下位機為系統服務器，上位機顯示系統為客戶端。系統具體結構如圖1所示。

2 監控系統軟件具體實現

2.1 通信設計

圖 1 主動隔振系統整體框架Fig. 1 Active vibration isolation system overall frame

本文中上位機的主要功能是接收并顯示下位機加速度傳感器采集的實時振動信息，以及讀取、存儲并修改下位機的重要參數，本文采用UDP協議發送和接收數據。

為保證數據傳輸的成功率，在設計過程中應避免數據報發生分片。對UDP數據報來說，需要在應用層限制每個UDP數據報的大小，一般不超過1 472個字節[6]。本文采樣頻率為4 K，每個通道的單個數據為2個字節，總的通道數為12個，則每秒采集96 KB大小的數據。為方便編程及數據的解析同時避免IP分片，本文將每次采集的12個通道的數據組合為一個數據結構體作為最小的數據單元，每個數據包中均包含50個這樣的數據單元，即總的用戶數據大小為1 200字節，上位機每秒將接收到80個這樣的數據包。

此外，UDP協議在通信過程中發送端可于任意時刻自由發送數據，接收端無法確認何時接收到來自何地的數據，且接收到數據后也不會有任何確認信息。因此，本文在UDP協議的基礎上，在應用層協議中引入了數據包確認、掉包重發以及排序機制。為此本協議自定義了一個長度為5個字節的應用層協議頭，協議頭的組成為1個字節的數據包類型標識、2個字節的數據包序號（包括1個字節的前序號和1個字節的后序號）以及2個字節的數據長度標識，使通訊在不占用太多系統資源的條件下滿足一定的傳輸可靠性。此外，在模擬量通道數據之前為3個字節的數字量通道數據，用于標識下位機的重要報警信息。因此，一個UDP數據報的大小應為協議頭大小加上用戶數據大小，總共為1 208個字節，遠小于1 472個字節，不會發生IP分片。自定義用戶協議頭結構如圖2所示。

圖 2 自定義用戶協議頭結構Fig. 2 Custom user protocol header structure

數據包的確認機制主要通過自定義協議頭中的數據包序號來實現，數據包序號包含前序號和后序號2個信息。前序號為當前數據包的序號，后序號為期望下一個數據包的序號。為保證確認機制的實現，在客戶端引入接收緩沖區，用于存放驗證后的數據。客戶端確認機制的流程圖如圖3所示。其中VeriFied和LastVerif分別為保存當前接收到數據包序號和前一個接收到的數據包序號的數組，Count為接收到數據包的次數。

圖 3 客戶端確認機制流程圖Fig. 3 Client confirmation mechanism flow chart

在服務器與客戶端進行通信的過程中，當數據傳輸過程中發生了掉包或者是發送的數據出現了錯誤，就需要對丟掉的以及發生錯誤的數據包進行重新發送，并在客戶端對重發的數據進行排序，以確保接收數據的正確性。為實現重發以及數據包的排序，在服務器引入2個發送緩沖區，一個用于存放已發送的數據包，一個用于向上位機發送數據；在客戶端引入一個接收隊列，用于存放驗證后的數據包。服務器采用2個緩沖區的目的是存放發送后的數據包，用于客戶端驗證掉包后的重發。重發機制如圖4所示。

對于客戶端，為保證顯示數據的實時性，本文使用多線程技術，將接收數據以及驗證過程放在一個線程中，將解碼數據包的過程放在另一個線程中，2個線程同步運行從而保證接收數據與解碼顯示數據的同步性。為給重發及排序過程留出一定的時間，且保證接收數據的實時性，規定上位機在接收到10個數據包之后再開啟解碼線程。客戶端接收隊列如圖5所示。

圖 4 重發機制流程圖Fig. 4 Retransmission mechanism flow chart

圖 5 客戶端接收隊列Fig. 5 Client receive queue

對于服務器，為保證數據包重發的實現，服務器需要緩存部分已發送的數據包。為此，在服務器引入了2個緩沖區，一個用于發送實時的數據，另一個用于緩存部分已發送的數據包。服務器的2個緩沖區及工作模式如圖6所示。

圖 6 服務器緩存區工作模式圖Fig. 6 Server cache area working mode diagram

本文中上位機使用Socket以簡化編程。為減小數據通信過程中出錯的可能性，在進行參數配置時，選用與實時數據不同的Socket進行通信。這里將實時數據通信所用Socket命名為Socket1，而將參數配置所使用的Socket命名為Socket2。由于在進行參數設置時，并不是每次都需要配置所有參數，大多數情況下僅需要修改個別參數。因此在本設計中，將所有參數分別通過不同的數據包進行發送，且只有當界面上發生更改后，才將更改的參數數據發送至下位機，沒有更改的參數不做處理。

2.2 參數配置及儲存

參數配置界面的主要功能是對下位機某些重要參數的值進行修改，同時具有從下位機中讀取出這些參數值的功能。此外，還可將修改后的參數值或者從下位機中讀取出來的參數值保存至計算機本地文件中，也可從本地文件中讀取參數信息并下載至下位機。本文使用XML文檔來存儲用戶配置信息，包括下位機配置參數以及通道辨識數據。下面將對操作XML文件的具體方法進行說明。

1）創建XML文件

這里首先聲明一個XmlDocument對象命名為xml-Doc，隨后創建XML文檔的文件頭，創建完文件頭后，需要創建文件的根元素，即根結點。這里創建一個名稱為Settings的根結點，根結點創建完成后，通過xml-Doc.Save方法將該XML文件保存至本地文件夾中。

2）讀取XML文件

讀取XML文件信息之前，首先聲明一個XmlDocument對象，再調用該對象的Load方法，從指定的路徑中加載XML文件。加載完XML文件后，即可通過調用對象的SelectSingleNode以及GetAttribute方法來獲取該XML文件指定的結點和屬性值。這樣就可根據該元素的屬性名稱得到該結點的屬性以及所包含的子結點信息。

3）向XML文件中添加數據

在向XML文檔中添加新數據的時候，也必須先通過XmlDocument對象加載整個XML文檔。然后調用SelectSingleNode方法來獲取根結點，通過CreateElement方法創建新的元素，使用CreateAttribute方法創建屬性，用AppendChild將新建的結點掛接在其他結點上，通過SetAttributeNode來設置結點的屬性。完成后，再創建該結點的子結點，最后將新創建的結點掛接到根結點上，并保存文件，這樣即可向已有的XML文件中加入新的結點。

2.3 程序界面設計

結合用戶對監測系統界面的要求可將界面劃分如下：

1）通道辨識界面，主要用于顯示接收下位機通道辨識得到的濾波器系數，并以曲線的形式顯示在界面上，并且軟件提供了辨識系數保存至本地和本地辨識系數下載的功能。此外，界面上留有指定區域用以顯示下位機的報警信息，當下位機出現報警時，會在界面上以紅色標出。

2）實時曲線界面，用于顯示各個通道的實時數據，并可選擇將其中4個通道的數據以曲線的形式顯示在界面上，并且軟件提供了數據保存功能，可以一次保存1 000個數據點，用于進一步的數據分析。此外，該界面也留有指定的報警顯示區域。

3）參數配置界面，用于完成下位機配置信息的下載。打開該界面時，軟件會讀取下位機當前的配置信息并顯示，辨識濾波器系數也會被讀取，并以曲線的形式顯示在通道辨識界面上。此外，軟件提供了配置信息保存至本地和本地配置信息下載功能。設計好的系統界面主要功能模塊如圖7所示。

圖 7 系統界面功能模塊圖Fig. 7 System interface function block diagram

3 自適應控制算法

圖 8 次級通道估計模型計算流程圖Fig. 8 Secondary channel estimation model calculation flow chart

假定次級通道的估計模型為M階的橫向濾波器，即

則該時刻的誤差信號為：

則可將誤差信號表示為：

根據梯度下降法，可知控制濾波器權向量的遞推方程為：

將式（10）代入式（9）得到濾波器權向量的遞推公式為：

以上即為FxLMS算法，FxLMS算法與LMS算法最大的區別在于增加了一個次級通道來減小甚至消除功率放放大器、作動器等設備形成的誤差通道所造成的影響。

4 主動隔振系統驗證

4.1 通信功能驗證

在該驗證環節中，首先配置下位機，使下位機共上傳4 800個數據包，且每上傳5個數據包便丟失一個數據包，之后通過修改數據包的上傳時間間隔，觀察上位機記錄的丟包次數和接收到的重發數據包數，以檢測通信協議的可靠性。經驗證，當下位機上傳時間間隔在4 ms及以上時，上位機收到的總包數為4 800，記錄的丟包次數和重發包數均為960，此時協議可靠。而當時間間隔約為2.6 ms時，上位機收到的總包數為4 607，丟包次數為1 003，重發包數為910，此時協議丟包率達到4%。而下位機在實際控制過程中數據包的上傳時間間隔約為20 ms，因此可以認為該通信協議可靠。

4.2 主動隔振系統效果驗證

在本驗證環節中，以控制器輸出的白噪聲作為次級通道的輸入，利用LMS算法對次級通道估計模型的橫向濾波器權向量進行更新。并將辨識得到的次級通道的估計模型應用到主動控制上，進行主動控制的臺架試驗。首先打開功放對4個通道依次進行辨識，穩定后所得的4個次級通道估計模型的權向量系數如圖9所示。

圖 9 次級通道辨識結果Fig. 9 Secondary channel identification results

可以看出辨識數據均逐漸趨于收斂，適合用于主動隔振控制。將該組辨識結果應用于主動隔振，所得到的控制數據如圖10所示。可以看出控制數據平穩且峰值適當。可認為主動隔振監控系統運作良好，無嚴重丟包現象，且達到隔振目的。

5 結 語

圖 10 控制數據Fig. 10 Control data

本文在分析主動隔振系統對于振動監測顯示需求的基礎上，運用C#語言進行上位機系統軟件的開發，實現上、下位機之間的實時、可靠的傳輸數據，對自適應主動隔振算法進行了研究。并在臺架試驗中，上位機軟件實現了對柴油機振動狀態的實時監測，監測精度較高，同時取得了較好的主動隔振效果。通過使用此上位機軟件對柴油機進行實時監測，一方面有助于柴油機主動隔振系統的開發，另一方面通過觀察和分析柴油機運行過程中振動狀態的變化，能夠及時發現甚至預測柴油機可能出現的故障，提高柴油機運行的安全性，同時也符合智能船舶的發展理念。本監控系統軟件的設計思路和實現方法，可為國內柴油機主動隔振系統開發等領域提供一定的參考。

此監控軟件還有些需要改進的方面，例如目前該軟件只能導出短時間內的振動數據，因此在后續的開發過程中可通過使用數據庫等技術進行優化等。