轉閥控制式搖板造波機控制系統及實驗應用

劉 毅， 鄭三和， 沈超杰， 鄭羽茜， 黃方平

(浙江大學 寧波理工學院， 浙江 寧波 315100)

0 引 言

在實驗水池中，實現海上環境的模擬是隨著海洋開發工程而興起的一門試驗研究技術，除風、流的模擬之外，波浪的模擬是極為重要的。波浪對船舶、水利、海工建筑、海上石油開采等許多領域的研究都具有重要的意義[1]。

傳統的波浪生成研究和實驗教學多是在水池中進行，但是水池中的實驗需要動用大型儀器設備和較多的實驗人員，從而導致波浪生成研究能耗大，操作繁瑣，維護成本高昂[2-4]。目前，建立現代的波浪生成實驗教學平臺是相關海洋工程專業實驗教學的熱點[5-7]。在波浪所涉及到海洋科技、水產學、水利工程等研究方面，也迫切需求一種先進的實驗設備用于實驗及教學。近些年來，很多國內外大型造波裝置也常采用電液伺服技術作為波浪模擬的解決方案，但是，電液系統中伺服閥的加工和裝配精度高、價格昂貴、結構和控制復雜等缺點阻礙其在常規的波浪生成研究和實驗教學進一步應用[8]。國內外學者研制了一些大推力、多缸、多軸、高頻的液壓激振裝備，出現了交流伺服液壓振動技術、新型電液伺服控制技術等[9-12]。文獻[13-15]中提出了一種旋轉閥芯結構的高頻電液激振器用于大推力液壓振動臺，并對電液激振器的頻率特性和典型激振波形的實現與控制等進行了研究。本文基于電液轉閥控制技術[16-17]研制一種新型造波機實驗平臺。

1 造波實驗平臺的組成及控制系統

本造波機實驗平臺如圖1所示，由上位機控制系統、液壓泵站平臺、造波裝置、轉閥控制系統以及水槽等組成。圖2所示為造波機的電液控制系統原理圖，主要由雙作用液壓缸、轉閥、電液比例軸向變量柱塞泵和比例溢流閥所組成。

圖1 新型造波機實驗平臺

圖2 造波機電液控制系統原理圖

1-冷卻器；2-電液比例變量柱塞泵；3-比例溢流閥；4-單向閥；5-蓄能器；6-壓力傳感器；7-流量計；8-步進電機；9-轉閥；10-伺服電機；11-雙作用液壓缸；12-電磁溢流閥；13-過濾器；14-油箱

轉閥的工作原理如圖3所示，閥芯有4個結構相同的臺肩，閥芯通過聯軸器與伺服電動機連接控制閥芯的換向頻率，閥芯另一端通過與直線步進電動機連接控制閥芯軸向位移，從而控制閥芯開口的大小以及流量。其中，閥口的設計是匹配對稱的，前臺肩對應的閥口過流面積變化是從零到最大，然后從最大至零，隨后進入后臺肩對應的閥口過流面積變化，也是從零到最大，然后從最大至零，且當其中一閥口關閉時，其另一臺肩軸肩上的另外一面閥口剛好打開，使閥始終保持一個工作狀態。

圖3 轉閥工作原理圖

由圖3可見，油路通斷為P～B口和A～T口。當閥芯旋轉一定的角度，油路通斷可以為P～A口和B～T口。伺服電動機轉速的變化使得液流方向不斷換向、實現雙作用液壓缸往復頻率可調。在造波機中，通過調節電液比例溢流閥的系統壓力以及轉閥中直線步進電動機的軸向位移，調試生成規則波浪的波幅。

所設計的轉閥裝置控制柜程序流程如圖4所示，所需要的控制量數值在觸摸屏處輸入，經過控制柜內的SC主機處理后，分別發送信號給步進電動機驅動器與伺服電動機驅動器，使電動機開始運轉，調節轉閥內的液壓油流向以及流速，以實現控制造波板移動。同時，安裝在油缸上的傳感器進行實時讀取相關數據，反饋給SC主機處理，處理后的數據再傳輸給觸摸屏進行顯示。

圖4 轉閥裝置控制柜程序控制流程圖

該轉閥的控制系統硬件設計如圖5所示，主要由臺達觸摸屏DVP-B07S410、臺達DVP-SC主機、臺達06AD模塊、臺達ASDA-B2伺服電動機驅動器、海頓直線步進電動機驅動器DCM4010、開關電源、Temposonics-EH型傳感器等組成。觸摸屏編程為臺達DOP，主機為WPL。轉閥裝置控制柜觸摸面板的設計如圖6所示。在觸摸面板“直線步進電動機操作指令”一欄中輸入實驗所需的轉閥閥口開度數值，按“位移”按鈕即可將實際轉閥閥口開度調為所需數值，該操作可調節造波板來回運動的位移。在觸摸面板“伺服電動機操作指令”一欄中輸入實驗所需的轉閥轉速數值，按“伺服電動機”按鈕即可將實際轉閥轉速調為所需數值，該操作可調節造波板來回運動的頻率。液壓缸(造波板)實際位移情況將會在觸摸面板的左側“液壓缸位移數值顯示及位移曲線分布圖”中顯示。

圖5 控制系統硬件圖

1-開關電源；2-DCM4010步進電動機驅動器；3-繼電器；4-PLC-SC主機及模塊；5-臺達觸摸屏；6-電源指示燈；7-電源開關按鈕；8-熔斷器；9-ASDA-B2伺服電動機驅動器

圖6 轉閥裝置控制柜觸摸面板圖

上位機控制柜的硬件設計如圖7所示，內包含一臺工控機，PLC-SV主機，2個DVP06AD模擬量模塊，2個開關電源，交流接觸器，中間繼電器，220 V空開，380 V空開等。具體設計操作過程為，首先打開控制柜外壁上380 V的空開，給整個設備供電，再打開220 V空開給控制柜內各種負載供電，然后依次打開工控機，液壓泵站，轉閥裝置控制柜等。并且，所設計的上位機控制系統可調節整個實驗平臺系統壓力。

圖7 上位機硬件

利用LabVIEW應用程序，所設計的操作頁面及程序如圖8所示，通過操作頁面內相關參數的設定來控制液壓泵站平臺供給于造波裝置液壓油的壓力。在操作頁面內的“系統壓力設置MPa”一欄內輸入實驗所需要的系統壓力數值，鼠標點擊“把手”圖標即可將系統壓力調節為所需的數值，亦可通過點擊輸入欄旁邊的“上下”圖標來微調系統壓力值。實際系統壓力數值將會顯示在操作頁面左側的圓表盤內和圓表盤左上角的數值顯示欄，以及通過觀察液壓泵站平臺上的儀表得知。

圖8 LabVIEW操作頁面及程序

2 造波實驗應用與分析

利用上述造波機所設計的控制系統，本實驗平臺可通過改變造波裝置的液壓系統供油壓力、造波板板來回運動的位移和頻率造出不同形式的規則波。如圖9所示為造波實驗現場圖以及采集到的不同波高和波長的規則波，實驗平臺生成的規則波波形可通過高速攝像機拍攝保存來進行各方面參數讀取和分析。

圖9 造波實驗現場圖

通過改變控制系統中輸入的控制參數，可以比較觀察各個輸出的規則波波形參數(波幅和波長)的變化。在搖板造波波幅實驗方面，如圖10(a)所示為關于規則波波幅大小的造波實驗數據圖，在給定水深為0.5 m和由轉閥裝置控制柜觸摸面板所控制的伺服電動機工作頻率為1.5 Hz的情況下，改變上位工控機控制界面所控制的系統供油壓力大小和轉閥裝置控制柜觸摸面板所控制的直線步進電動機位移xv大小，觀察記錄所形成規則波波幅的數據。在保持水深和伺服工作頻率不變的情況下搖板式造波，當直線步進電動機位移大小不變時，波幅會隨著系統壓力數值的增大而增大；當系統壓力數值不變時，波幅會隨著直線步進電動機位移數值的增大而增大。在搖板造波波長實驗方面，如圖10(b)所示為關于規則波波長大小的造波實驗數據圖，結合給定水深為0.5 m和由上位工控機控制界面所控制的系統壓力大小為1.0 MPa的情況下，改變由轉閥裝置控制柜觸摸面板所控制的伺服電動機工作頻率大小和直線步進電動機位移大小，觀察記錄所形成規則波波長的數據并繪制成圖。從圖10(b)可知，在保持水深和供油壓力不變的情況下，直線步進電動機位移不變時，波長隨頻率的增大而減小；當頻率不變時，波長不受xv的影響。

(a) 波幅數據

(b) 波長數據

3 結 語

本文研制出一種轉閥控制式造波機控制系統，主要對造波控制系統中的伺服電動機的轉速的輸入控制、直線步進電動機軸向位移輸入控制和系統供油壓力控制進行了設計和應用，并對所研制出的轉閥控制式造波平臺進行了實驗研究，分析了造波實驗平臺輸入控制參數對波幅的影響。分析結果表明：隨著供油壓力增大，波浪波高增大；其次，當直線步進電動機位移越大，波浪波高越大；波浪波長主要受頻率的影響，上述結果為進一步精確造波實驗提供了技術支持和參考依據。研究表明，轉閥控制式造波系統易于生成調試不同波幅和波長的規則波浪，使得進行研究和實驗教學操作過程更為直觀簡單，對于進行水動力學研究以及教學實驗示范具有重要的參考價值。