一種船模位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張學(xué)斌

摘? 要? 針對(duì)試驗(yàn)水池，為獲取海水中的電磁場(chǎng)分布，設(shè)計(jì)了一種基于變頻器控制的船模位置系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船模三軸向的高精度運(yùn)動(dòng)控制，較好地滿足試驗(yàn)需求。

關(guān)鍵詞? 船模; 變頻器; 位置控制; 速度精度

Abstract? Aiming at a test water basin which could get the distribution of electromagnetic field in water， a ship-model position control system has been designed based on inverter， which could meet the high-precision motion control of ship-model on three axial directions， and the requirement of test.

Key words? ship-model; inverter; position control; velocity precision

0 引言

船模位置控制系統(tǒng)是船舶性能試驗(yàn)的基本設(shè)備，其作用是拖曳船?；蚱渌Ｐ驮谠囼?yàn)水池中作勻速運(yùn)動(dòng)，以測(cè)量速度穩(wěn)定后的船舶性能相關(guān)參數(shù)，達(dá)到預(yù)報(bào)和驗(yàn)證船型設(shè)計(jì)優(yōu)劣的目的。設(shè)計(jì)、建造一艘現(xiàn)代艦船周期長(zhǎng)、耗資巨大，因此在建造前的設(shè)計(jì)中，伴隨著不同的設(shè)計(jì)階段，根據(jù)不同需要做相應(yīng)的模型試驗(yàn)是必要的[1]。通過利用水中目標(biāo)的下半空間的磁場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，反演推算整個(gè)目標(biāo)空間的磁場(chǎng)分布[2]。為實(shí)現(xiàn)船模的位置控制精度及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，通常在行車拖動(dòng)系統(tǒng)中加入變頻器改造達(dá)到優(yōu)化動(dòng)態(tài)性能，降低功耗和降低故障發(fā)生率的目的[3-4]，或在拖動(dòng)系統(tǒng)中通過添加PI控制有助于改善電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[5]，或利用變頻器直流制動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)大慣量交流拖動(dòng)系統(tǒng)準(zhǔn)確停車控制的設(shè)計(jì)方法[6]。

本文通過對(duì)試驗(yàn)水池進(jìn)行改造建設(shè)，擬測(cè)量出船模在池底運(yùn)動(dòng)中的電磁場(chǎng)分布情況，因此建立低磁性與電絕緣性船模位置控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船模的高精度位置控制和速度運(yùn)行要求。船模位置控制系統(tǒng)主要由低磁導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成的拖車系統(tǒng)及控制平臺(tái)等組成，導(dǎo)軌分為前后方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和左右方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和滾動(dòng)輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)系統(tǒng)四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，上下方向的運(yùn)動(dòng)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引繩升降實(shí)現(xiàn)。控制平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取船模的位置信息，根據(jù)位置和速度指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

前后方向運(yùn)行導(dǎo)軌固定安裝于池壁，主要承載拖車系統(tǒng)和船模的重量。左右方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌為固定安裝在前后向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，主要承載左右運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及船模的重量。上下行程的四根導(dǎo)柱限定船模升降及運(yùn)動(dòng)中的方向。船模位置控制系統(tǒng)中拖動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1）前后向?qū)к?/p>

前后方向?qū)к壊捎貌讳P鋼方管型材鋪設(shè)，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)減少系統(tǒng)磁性的干擾。根據(jù)各部分的結(jié)構(gòu)組成，總負(fù)載為2000 kg，左右雙側(cè)共有8個(gè)滾動(dòng)輪承力，每個(gè)輪上對(duì)導(dǎo)軌的壓力約為250 kg，通過計(jì)算最大變形量約2.65×10-3 mm，變形量較小，符合設(shè)計(jì)要求。前后向?qū)к壸冃瘟坑?jì)算如圖2所示。

2）左右向?qū)к?/p>

左右向?qū)к壊捎貌讳P鋼槽鋼和不銹鋼方管拼接而成，橫截面結(jié)構(gòu)如下圖3所示。

水池寬度為5000 mm，設(shè)計(jì)的橫梁長(zhǎng)度l=5648 mm，截面慣性矩I=2.97e+8 mm4，載荷主要為船模重量及橫梁自重，約1000 kg。當(dāng)承重處于最大值位置時(shí)，通過計(jì)算得橫梁變形量為0.81 mm，形變量滿足使用要求，計(jì)算示意圖如圖4所示。

3）導(dǎo)柱

根據(jù)實(shí)際行程的要求，為減少電機(jī)對(duì)水池底部的磁性干擾，上下向運(yùn)動(dòng)電機(jī)與左右向電機(jī)固連布置于橫向?qū)к壣戏剑ㄟ^導(dǎo)柱和牽引繩形成上下方向的位置控制，導(dǎo)柱長(zhǎng)度為3200 mm，根據(jù)船模形狀、尺寸和安裝位置，同時(shí)為保證船模運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)定性要求，導(dǎo)柱設(shè)計(jì)為四根。導(dǎo)柱豎梁材料為無磁防腐不銹鋼管內(nèi)外包覆玻璃纖維制作，滿足支撐強(qiáng)度的同時(shí)與海水絕緣。導(dǎo)柱安裝于左右向移動(dòng)的行車上部，為懸臂結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

當(dāng)船模處于導(dǎo)柱的最下端，即船模處于垂向放置的極限位置，導(dǎo)柱的受力和形成擺動(dòng)的幅值最大。導(dǎo)柱的校核主要是計(jì)算導(dǎo)柱的受力和拖動(dòng)裝置制動(dòng)后船模慣性對(duì)豎梁擾度的校驗(yàn)。已知船模的最大試驗(yàn)航速Vt為0.5 m/s，船模重200 kg，根據(jù)公式F=m·（V_t-V_0）/t得，V0=0為停止，即拖車制動(dòng)后船模的受力與電機(jī)的延時(shí)控制有關(guān)，假設(shè)電機(jī)在1 s后停止，F(xiàn)=1250 N。則船模對(duì)于導(dǎo)柱的加載P=1250 N，材料參數(shù)為l=3863 mm，E=108 GPa，I= 5.027×108 mm4。計(jì)算得到最大應(yīng)力處為36 MPa，材料滿足使用要求，排除水流的影響，瞬間最大撓度為10.5 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。圖6為仿真計(jì)算圖。

1.2 集中控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

集中控制平臺(tái)為船模位置控制系統(tǒng)核心，如圖7所示為集中控制平臺(tái)的系統(tǒng)組成，電源系統(tǒng)為集中控制平臺(tái)供電，集中控制平臺(tái)接收X、Y、Z三方向位置傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)三方向電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，無線控制模塊通過與集中控制平臺(tái)通訊實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)的遠(yuǎn)程控制，上位機(jī)與集中控制平臺(tái)相互通訊，上位機(jī)可接收控制平臺(tái)數(shù)據(jù)并輸出控制指令。

船模位置控制系統(tǒng)前后方向和左右方向采用臺(tái)達(dá)VFD-M型變頻器，如圖8所示為前后向變頻器控制接線圖，電源系統(tǒng)分配到1號(hào)電機(jī)的電源接入變頻器，輸出控制前后向運(yùn)動(dòng)的電機(jī)。變頻器具備接收啟停輸入、復(fù)位、電壓輸入、觸點(diǎn)輸出、運(yùn)行輸出、頻率輸出、制動(dòng)及與外部控制輸入等控制指令，通過外部操控或設(shè)定輸入實(shí)現(xiàn)船模位置控制系統(tǒng)前后方向啟停、運(yùn)動(dòng)模式、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)行程等運(yùn)動(dòng)控制。

2 速度與位置精度測(cè)試

為測(cè)量系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)磁場(chǎng)的影響，不加載目標(biāo)船模，全速運(yùn)行時(shí)測(cè)量水池底部的磁場(chǎng)畸變，通過多次測(cè)量，磁場(chǎng)干擾最大值為3 nT，系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)磁場(chǎng)影響可忽略不計(jì)。

船模位置控制系統(tǒng)支桿下端通過非金屬材料包覆和結(jié)構(gòu)處理，系統(tǒng)與海水形成絕緣，對(duì)目標(biāo)電場(chǎng)的測(cè)量影響較小，可忽略不計(jì)。

船模位置控制系統(tǒng)可通過無線遙控器或者手動(dòng)觸摸裝置進(jìn)行控制。其運(yùn)行方式包括集中控制平臺(tái)手柄手控運(yùn)行、無線遙控（可控范圍小于50 m）運(yùn)行、自動(dòng)設(shè)定運(yùn)行三種模式。

選取前后運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行測(cè)試，三種運(yùn)行模式下均加載船模負(fù)載，分別對(duì)位置控制系統(tǒng)的速度精度進(jìn)行測(cè)試，自動(dòng)運(yùn)行模式下對(duì)系統(tǒng)的位置精度進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與目標(biāo)指標(biāo)的綜合評(píng)判，評(píng)估船模位置控制系統(tǒng)整機(jī)運(yùn)行時(shí)該方向的運(yùn)動(dòng)控制精度。

如下表1所示，分別設(shè)定運(yùn)行速度，通過三種不同方式運(yùn)行，分別測(cè)量穩(wěn)定運(yùn)行中的運(yùn)動(dòng)距離與運(yùn)動(dòng)時(shí)間，計(jì)算實(shí)際運(yùn)行速度。

系統(tǒng)位置歸零后，設(shè)定目標(biāo)位置，分別按不同速度運(yùn)行至該設(shè)定位置時(shí)停止，測(cè)試船模位置控制系統(tǒng)實(shí)際停止位置，與設(shè)定位置比較計(jì)算船模位置控制系統(tǒng)的位置誤差，如表2所示。

3 結(jié)束語

船模位置控制系統(tǒng)由導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成的拖車動(dòng)系統(tǒng)及控制平臺(tái)等構(gòu)成，由變頻器控制船模沿導(dǎo)軌進(jìn)行前后、左右方向的運(yùn)動(dòng)，分別能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、遙控、自動(dòng)控制模式。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中較好地實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)和電場(chǎng)的干擾控制，通過測(cè)量不同模式下的運(yùn)動(dòng)速度比較，低速和自動(dòng)模式下的運(yùn)行速度更為準(zhǔn)確。自動(dòng)模式下的位置控制精度較高，由于船模和拖動(dòng)系統(tǒng)的慣性存在，速度較低的情況下，運(yùn)行達(dá)到位置更為精確。速度和位置精度較好地滿足使用要求。

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