張學(xué)斌

摘? 要? 針對試驗水池，為獲取海水中的電磁場分布，設(shè)計了一種基于變頻器控制的船模位置系統(tǒng)，實現(xiàn)船模三軸向的高精度運動控制，較好地滿足試驗需求。

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)是船舶性能試驗的基本設(shè)備，其作用是拖曳船?；蚱渌Ｐ驮谠囼炈刂凶鲃蛩龠\動，以測量速度穩(wěn)定后的船舶性能相關(guān)參數(shù)，達到預(yù)報和驗證船型設(shè)計優(yōu)劣的目的。設(shè)計、建造一艘現(xiàn)代艦船周期長、耗資巨大，因此在建造前的設(shè)計中，伴隨著不同的設(shè)計階段，根據(jù)不同需要做相應(yīng)的模型試驗是必要的[1]。通過利用水中目標(biāo)的下半空間的磁場測試技術(shù)，反演推算整個目標(biāo)空間的磁場分布[2]。為實現(xiàn)船模的位置控制精度及運動平穩(wěn)性，通常在行車拖動系統(tǒng)中加入變頻器改造達到優(yōu)化動態(tài)性能，降低功耗和降低故障發(fā)生率的目的[3-4]，或在拖動系統(tǒng)中通過添加PI控制有助于改善電機拖動系統(tǒng)的動態(tài)特性[5]，或利用變頻器直流制動功能實現(xiàn)大慣量交流拖動系統(tǒng)準(zhǔn)確停車控制的設(shè)計方法[6]。

本文通過對試驗水池進行改造建設(shè)，擬測量出船模在池底運動中的電磁場分布情況，因此建立低磁性與電絕緣性船模位置控制系統(tǒng)，實現(xiàn)船模的高精度位置控制和速度運行要求。船模位置控制系統(tǒng)主要由低磁導(dǎo)軌、驅(qū)動電機組成的拖車系統(tǒng)及控制平臺等組成，導(dǎo)軌分為前后方向的運動導(dǎo)軌和左右方向的運動導(dǎo)軌，驅(qū)動電機和滾動輪執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)拖動系統(tǒng)四個方向的運動，上下方向的運動由直流電機驅(qū)動牽引繩升降實現(xiàn)?？刂破脚_實時獲取船模的位置信息，根據(jù)位置和速度指令驅(qū)動電機實現(xiàn)運動。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 導(dǎo)軌設(shè)計

前后方向運行導(dǎo)軌固定安裝于池壁，主要承載拖車系統(tǒng)和船模的重量。左右方向的運動導(dǎo)軌為固定安裝在前后向運動機構(gòu)上，主要承載左右運動機構(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動中的方向。船模位置控制系統(tǒng)中拖動系統(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)強度的同時減少系統(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個滾動輪承力，每個輪上對導(dǎo)軌的壓力約為250 kg，通過計算最大變形量約2.65×10-3 mm，變形量較小，符合設(shè)計要求。前后向?qū)к壸冃瘟坑嬎闳鐖D2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)計的橫梁長度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，通過計算得橫梁變形量為0.81 mm，形變量滿足使用要求，計算示意圖如圖4所示。

3）導(dǎo)柱

根據(jù)實際行程的要求，為減少電機對水池底部的磁性干擾，上下向運動電機與左右向電機固連布置于橫向?qū)к壣戏?，通過導(dǎo)柱和牽引繩形成上下方向的位置控制，導(dǎo)柱長度為3200 mm，根據(jù)船模形狀、尺寸和安裝位置，同時為保證船模運動中的穩(wěn)定性要求，導(dǎo)柱設(shè)計為四根。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，滿足支撐強度的同時與海水絕緣。導(dǎo)柱安裝于左右向移動的行車上部，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的幅值最大。導(dǎo)柱的校核主要是計算導(dǎo)柱的受力和拖動裝置制動后船模慣性對豎梁擾度的校驗。已知船模的最大試驗航速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，即拖車制動后船模的受力與電機的延時控制有關(guān)，假設(shè)電機在1 s后停止，F(xiàn)=1250 N。則船模對于導(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)計要求。圖6為仿真計算圖。

1.2 集中控制平臺設(shè)計

集中控制平臺為船模位置控制系統(tǒng)核心，如圖7所示為集中控制平臺的系統(tǒng)組成，電源系統(tǒng)為集中控制平臺供電，集中控制平臺接收X、Y、Z三方向位置傳感器數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)三方向電機的運動控制，無線控制模塊通過與集中控制平臺通訊實現(xiàn)設(shè)備運動的遠(yuǎn)程控制，上位機與集中控制平臺相互通訊，上位機可接收控制平臺數(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達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號電機的電源接入變頻器，輸出控制前后向運動的電機。變頻器具備接收啟停輸入、復(fù)位、電壓輸入、觸點輸出、運行輸出、頻率輸出、制動及與外部控制輸入等控制指令，通過外部操控或設(shè)定輸入實現(xiàn)船模位置控制系統(tǒng)前后方向啟停、運動模式、運動方向、運動速度、運動行程等運動控制。

2 速度與位置精度測試

為測量系統(tǒng)對目標(biāo)磁場的影響，不加載目標(biāo)船模，全速運行時測量水池底部的磁場畸變，通過多次測量，磁場干擾最大值為3 nT，系統(tǒng)對目標(biāo)磁場影響可忽略不計。

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，對目標(biāo)電場的測量影響較小，可忽略不計。

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

選取前后運動方向進行測試，三種運行模式下均加載船模負(fù)載，分別對位置控制系統(tǒng)的速度精度進行測試，自動運行模式下對系統(tǒng)的位置精度進行測試。根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)與目標(biāo)指標(biāo)的綜合評判，評估船模位置控制系統(tǒng)整機運行時該方向的運動控制精度。

如下表1所示，分別設(shè)定運行速度，通過三種不同方式運行，分別測量穩(wěn)定運行中的運動距離與運動時間，計算實際運行速度。

系統(tǒng)位置歸零后，設(shè)定目標(biāo)位置，分別按不同速度運行至該設(shè)定位置時停止，測試船模位置控制系統(tǒng)實際停止位置，與設(shè)定位置比較計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)動電機組成的拖車動系統(tǒng)及控制平臺等構(gòu)成，由變頻器控制船模沿導(dǎo)軌進行前后、左右方向的運動，分別能實現(xiàn)手動、遙控、自動控制模式。系統(tǒng)設(shè)計中較好地實現(xiàn)了磁場和電場的干擾控制，通過測量不同模式下的運動速度比較，低速和自動模式下的運行速度更為準(zhǔn)確。自動模式下的位置控制精度較高，由于船模和拖動系統(tǒng)的慣性存在，速度較低的情況下，運行達到位置更為精確。速度和位置精度較好地滿足使用要求。

參考文獻

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