（控制理论与控制工程专业论文）基于网络运动控制的大功率造波机技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在实验水池或水槽中模拟海上大波高波浪的运动现象，进而研究波浪对海洋工程与 港口建筑物的作用，可为工程设计与科学实验提供可靠的依据，然而研制大功率不规则 波造波机进行物理模型实验具有重要意义。 本文介绍了造波机研制技术的现状与发展趋势。介绍了运动控制技术与运动控制系 统的特点及其分类，深入研究了运动控制系统的控制方式及本系统中使用的运动控制网 络。 结合课题的要求和特点，选定最佳造波方式并对其原理作了简单阐述。通过理论计 算，在设计的最大载荷下对电机进行选型，最终选择了s i e m e n s1 f t 6 系列电机，并选 择了s i m o t i o nd 系列控制器与s i n a m i c ss 1 2 0 驱动器作为其控制与驱动单元。详细 介绍了整个系统的硬件组成及软件设计。上位机软件完全基于m f c 开发平台，完成上 位机波浪文件的生成及对下位控制器的控制。下位控制器基于s c o u t 平台，使用m c c 与s t 语言，完成造波运动及寻零、c a m 曲线生成、实时监测、故障处理等。并利用 w i n s o c k 与s t 语言编写了基于t c p i p 的网络通讯软件，实现上位机与下位控制器之间 的数据传输及控制命令的实现。最后介绍了系统实验的结果，论证了大功率电机应用于 造波机控制系统的可行性。 论文通过研制大功率造波机控制系统，利用s i m o t i o n 运动控制器与s i e m e n s 1 f t 6 电机，研制出了大功率电机驱动的控制精确的高性能大型造波机，并通过实验数 据与理论计算对比，论证了其可行性。填补了国内在这方面的空白。 关键词：造波机；运动控制系统；大功率；网络控制 基于网络运动控制的大功率造波机技术研究 r e s e a r c ho ft h et e c h n o l o g yo ft h eh i g h p o w e rm o t i o nc o n t r o ls y s t e mo f w a v em a k e rb a s e do nn e t w o r k a b s t r a c t s i m u l a t i n gm o v e m e n to fh i g hs e aw a v ei nt h ew a v et a n ko rb a s i na n dm a k i n gr e s e a r c h i n t ot h ea c t i o no fs e aw a v eo nc o a s t a la n do f f s h o r es t r u c t u r e sc o u l dp r o v i d et h er e l i a b l eb a s i s f o re n g i n e e r i n gd e s i g na n ds c i e n t i f i ce x p e r i m e n t a t i o n t h eh i g h - p o w e rw a v em a k e ri st h ek e y p r o b l e mf o rt h er e a l i z a t i o no f t h ep h y s i c a lm o d e lt e s t t m sp a p e ri n t r o d u c e st h ea c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft e c h n o l o g yo fd e v e l o p i n g w a v em a k e r i ta l s oi n t r o d u c e sm o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dv a r i e t ya n dc h a r a c t e r so f m o t i o nc o n t r o ls y s t e m g od e e pi n t ot h er e s e a r c ho fc o n t r o lm e t h o d so fm o t i o nc o n t r o ls y s t e m a n dm o t i o nc o n t r o ln e t w o r ki nt h i ss y s t e m a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c t sr e q u i r e m e n t sa n df e a t u r e ，s e l e c tt h eb e s tt y p eo fg e n e r a t i n g w a v ea n de x p l a i nt h ew o r k i n gm e c h a n i s mb r i e f l y t h r o u g ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s ，s e l e c t m o t o ri nt h ed e s i g no fm a x i m u ml o a d a tl a s t t h ef i n a lc h o i c ei ss i e m e n s1f t 6s e r i e s m o t o r a n dw es e l e c ts i m o t i o nds e r i e sc o n t r o l l e ra n ds i n a m i c ss12 0d r i v ea si t sc o n t r o l a n dd r i v eu n i t i nd e t a i ld e s c r i b et h ee n t i r es y s t e mo fh a r d w a r ec o n n e c t i o n sa n ds o f t w a r e d e s i g n h o s tc o m p u t e rs o f t w a r ed e v e l o p m e n ti se n t i r e l yb a s e d o nm f c p l a t f o r mt oc o m p l e t e t h ew a v ef i l eg e n e r a t i o na n dt h ec o n t r 0 1o fs l a v ec o n t r o l l e r s l a v ec o n t r o l l e rs o f t w a r ei sb a s e d o ns c o u tp l a t f o r mt oc o m p l e t em a k i n gw a v e ，h o m i n g ，c a mc u r v eg e n e r a t i o n ，r e a l t i m e m o n i t o r i n g ，t r o u b l e s h o o t i n ga n ds oo n ，a n dt h el a n g u a g ei sm c c a n ds t u s i n gw i n s o c ka n d s tl a n g u a g e sb a s e do nt c p i p ，c o m p l e t et h en e t w o r ks o f t w a r ef o rd a t at r a n s m i s s i o na n d c o n t r o lc o m m a n di m p l e m e n t a t i o nb e t w e e nh o s tc o m p u t e ra n ds l a v ec o n t r o l l e r f i n a l l y i n t r o d u c e st h et e s tr e s u l to ft h i ss y s t e m ，a n dd e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t yo fl l i 曲一p o w e rm o t o r a p p l i e dt ow a v em a k e r c o n t r o ls y s t e m t h r o u g ht h er e s e a r c ho fh i g h p o w e rw a v em a k e rc o n t r o ls y s t e m ，u s i n gs i m o t i o n m o t i o nc o n t r o l l e ra n ds i e m e n s1f t 6m o t o r ，d e v e l o p e dah i g h - p o w e rm o t o rd r i v e ，p r e c i s e c o n t r o la n dh i g h p e r f o r m a n c ew a v em a k e r b yc o n t r a s t ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n sd e m o n s t r a t e di t sf e a s i b i l i t y i ti st h ef i r s ta p p l i c a t i o ni 1 1t h i sf i e l dw i t hm o t i o n c o n t r o l l e ra n dh i g h p o w e rs e r v om o t o ri nn a t i o n k e yw o r d s ：w a v em a k e r ；m o t i o nc o n t r o ls y s t e m ；h i g h p o w e r ；n e t w o r kc o n t r o l i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：墼茎旦! 垒垂勘遣型垫苤监遣这盘选盛塑杰 作者签名： 出国 日期： 幽年堡月l 日 大连理工大学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：堇查塾! 鱼j 歪动逛型鲶筮塾箜生i 丝丑越塑鲤 作者签名： 垫! 虱 日期： 幽年旦月l 日 导师签名：务纠乳一魄4 年上月且日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 海洋是全球生命系统的一个重要组成部分，海洋资源的开发利用取决于人类对海洋 的认知程度，但是，人类目前仍然对这一占地球面积约7 1 的不断运动着的水体知之甚 少，未能掌握其活动规律，因而，研究波浪、流、潮、风对海上建筑物、码头、海洋运 输工具等的作用是非常有意义的，而造波机则为这些研究实验提供了工具，并且随着海 洋工程技术的发展，科研人员对造波机的性能要求也越来越高，现在急需在试验水池中 精确模拟产生大波高( 波高大于1 1 m ) ，提高实验研究精度，完成各种物理实验研究， 为工程设计和科学研究提供可靠依据，因此急需控制精确的大功率造波机为实验提供有 力的保证。 1 1 科学意义及应用前景 认知海洋规律、驾驭并利用海洋资源以改善人类生存条件，已成为全人类的科技工 作者孜孜不倦、倾其一生的目标。波浪是海洋中非常重要和普遍的自然现象，是海岸与 海洋工程建筑物以及船舶受到的主要载荷，也是引起海岸泥沙运动的主要动力之一。研 究波浪及其作用主要有三种方法：一是现场观测研究；二是在实验室内进行物理模拟研 究；三是理论分析和数值模拟研究。由于海浪的复杂多变性，加之现场环境恶劣，进行 现场观测需要花费大量的人力物力；理论研究目前也存在许多的局限性，特别是对于不 规则波浪，很多问题还有赖于室内的物理模拟研究。于是，在实验室利用造波机来模拟 大自然的各种波浪，从而研究其对海上建筑物、码头、运输工具模型的作用是很可行和 有效的一种方法。 在水槽或水池内利用风或造波机进行物理模拟，亦即进行波浪模型试验，一直以来 都是研究各种波浪现象的重要方法。目前仍有相当多的工程问题的解决，如波浪对建筑 物、船舶航行、泥沙等的作用是利用波浪水槽或水池试验来完成的。室内实验提供了最 直接的实验数据来源，使得海岸工程、海洋工程、船舶工程、水利工程等设计布局更加 安全、经济、合理【l j 。 如何真实地重现海上波浪随机运动现象，提高实验研究的精度，尤其是在大波高下， 一直是国内外水工模型试验非常关注的问题。但目前在大波高造波机方面国内仍然以液 压伺服系统为主，控制精度远远不够，并且还存在污染问题，大大降低了实验数据的可 靠性。因此，研究控制精确的大功率电机取代液压系统的造波机控制技术，以提高实验 室内波浪模拟的精度，使之更接近于真实海浪，将为更进一步地研究波浪与建筑物相互 作用的机理，为更安全可靠、经济合理地设计海洋工程建筑物提供依据。 基于网络运动控制的大功率造波机技术研究 因此，为适应现代海洋工程科学研究及工程实验的需要，在实验室里重现海上波浪 运动现象，就必须给科技工作者在实验室中模拟海洋试验提供必不可少的硬件设备。本 论文的开展，也即大功率造波机控制技术的研究，将为增强人类对海洋环境的深入认识 提供技术支持，给海洋工程等试验项目提供了有力保障【2 - 3 j 。 1 2 国内外的研究现状和分析 为了能够在实验室中尽可能模拟出各种与自然界特性相似的波浪，国内外的学者们 进行了广泛而深入的研究1 4 。日本【5 蛔、韩国【7 1 和欧美学者纠o 】相继提出了一些相关理论 与研究方法，国内的专家学者【1 1 “】和科研单位【1 5 以7 1 在这方面也做了大量的工作，并开发 出了许多实验室造波设备。目前，国内外的科研机构已经开发并建造了许多造波机控制 系统，在实验室里进行各种与波浪相关问题的探索与研究。 造波机技术的发展已经经历了三个阶段：第一阶段是调频不调幅的老式造波机，该 造波机通过曲柄连杆机构驱动造波，但仅能造规则波；第二阶段是调频调幅造波机，该 造波机由电液伺服系统进行驱动控制，能造规则波和不规则波，但对于中小型造波机， 电液伺服系统的优点并不明显。到了8 0 年代，交流伺服电机开始应用于民用产品，使 得其在中小型造波机上的使用，无论从造价、维护、环保、节能、保养等方面都显现出 很好的优越性；第三阶段，对造波机要求更加苛刻，不但能造长峰规则波和不规则波， 而且要能造三维波。同时，主动反射吸收技术也将逐渐应用于造波机控制系统【l8 。，而且 科研工作者已经不满足中小型造波机，对大型造波机的研制也提出了要求，要造大波， 并且要像中小型造波机一样控制精确。 国外很早就已经开始了造波机及造波技术方面的研究。建于1 9 5 6 年，1 9 5 7 年正式 投产的荷兰瓦格宁根水池，是世界上最早的一座耐波性水池，该水池长1 0 0 米，宽2 4 5 米，深2 5 米。采用摇板式蛇形造波机，摇板高1 4 米，宽0 6 米，摇动铰链位于水下 1 1 5 米，共有1 5 8 块摇板( 1 3 6 + 2 2 ) ，摇板每分钟摆动3 0 - 6 0 次，产生的波长为1 5 6 米。美国泰勒水池，建于1 9 5 8 年，水池为矩形，主尺度为1 1 0 x 7 3 6 米。造波机采用 空气式工作方式，其功率在最大负荷时为2 5 0 0 马力，造波波长范围为o 9 2 1 2 2 米， 波高为0 0 1 0 6 0 米，可对长峰不规则波及短峰波进行模拟。英国哈斯拉水池，建于19 5 7 年，1 9 6 2 年正式投产。安装冲箱式造波机，可造长峰规则波和不规则波。美国斯帝文森 水池，装有冲箱式造波机，可模拟长峰规则波和不规则波。日本三鹰露天水池，装有摇 板式造波机，可造波长为0 7 米，最大波高为0 4 米【l 蛇0 1 。 大连理工大学硕士学位论文 英国从八十年代中期已有电机驱动的造波系统，中国水利水电科学院八十年代初从 英国进口的两套造波系统均为电机式的。日本从八十年代中期也已经有电机驱动的造波 系统，当时采用的是直流伺服电机。从1 9 9 2 年开始便采用新型的交流伺服电机，取代 了液压驱动和直流伺服电机驱动。2 0 0 0 年荷兰d e l f t 水工试验室和力士乐公司合作为我 国7 0 2 所水池提供的不规则波造波机系统方案亦是交流伺服电机式的。由此看来，近年 来西方国家造波机系统的研制均以电机驱动为主，也是当今技术的发展方向。 我国在造波方面的研究工作开始于二十世纪五十年代，发展初期，使用的造波装黄 都是简单的电气装置，并限于对造波原理的认识，只能模拟最简单的规则波( 即正弦波) 。 五十年代初期，我国研制成功了第一台规则波造波机，随着船舶、港口工程和海洋工程 的发展，对波浪的模拟技术的要求日益广泛和严格，规则波已不能满足需要，除了能模 拟规则波，还要求能模拟不同方向的长峰波、短峰波、不规则波、过渡波、二阶长波、 以及波、流混合波等。随着统计学的发展，对波浪的统计特性的进一步认识，促进了波 浪谱的研究，使波浪理论进一步完善，到了六十年代，由目测海浪周期，估计波谱来达 到对波浪的模拟，八十年代初期，我国第一台不规则波造波机安装在了南京水利科学研 究院水池【2 。之后陆续建成了很多造波水池和水槽，都是根据不同的要求设计建造的， 有些能模拟浅水波，有些能模拟深水波，有些则能造不同水深的波。在这些水池和水槽 中安装的造波机既有国内自行研制的，也有从国外直接进口的。 从二十世纪七十年代中期开始，我国造波机系统逐渐采用模拟信号来控制，到了八 十年代，己采用小型电算机或计算机，通过系统软件和应用软件及造波软件来控制，九 十年代以后，己完全采用计算机进行造波控制。造波板运动方式也多种多样，有摇摆式、 推板式、冲箱式及悬吊式和双动式等等，其中悬吊式和双动式多用于水槽，其原理是改 变造波板上悬吊双臂的角度，或造波板上的小车和推杆的组合，形成复合运动，可产生 所需的深水波和浅水波。这种造波机适用于研究水深较大地区的深水波理论和研究水深 极浅的浅水波理论。上述不同性质的波浪对实际工程的作用，均具有实用价值【2 2 】。 近年来，国内的造波机的发展也极为迅速。华中科技大学冲箱式造波机改造采用电 机加电动缸的方案；上海交通大学拖曳水池单个冲箱式水池的改造也采用了交流伺服电 机加滚珠丝杠方案；6 0 5 所拖曳水池造波机的改造采用了多单元的交流伺服电机方案等 等。可见，设备的发展一定要满足实验的需求。但国内改造仍然仅仅是在小功率电机的 基础上，由于在大负载下，大功率电机能否克服如此大的转动惯量频繁快速正反转还是 个未知数，因此在造大型波时，还主要是液压伺服驱动，国内还没有自主研发的大功率 电机驱动取代液压的造大波的造波机设备。因此本文主要研究应用大功率电机驱动造波 基于网络运动控制的大功率造波机技术研究 机技术，本造波机系统的研制，将填补国内的空缺，使我国大功率造波机研制技术更上 一个台阶。 1 3 课题背景 目前国内还没有一台自主研发的大功率伺服电机驱动的大型不规则波造波机，而国 际上有此研制技术的国家也比较少。本文结合实际工程情况，试制了一台大功率电机驱 动大型造波机系统，该造波机系统可产生周期4 s ，波高1 1 5 m 的浪，结合实际成功的试 验结果，阐述系统的组成及工作原理，总结了理论计算与实测结果的统计规律，可以为 大波高造波机设计者提供一定的参考。 1 。4 本文主要研究工作 本文主要从以下几个方面展开研究工作： 运动控制方面：研究与学习了运动控制系统的组成、特点、分类及其关键技术。结 合课题要求，对系统各部分进行了分析与选型。研制出一套基于网络的大功率不规则波 造波机控制系统。研究并测试了大功率电机在苛刻的造波环境下的动态响应性能。 网络方面：上位工业控制计算机主程序的编写及与下位控制器的通信，下位运动控 制程序的编写，包括寻零限位功能的完成。根据s i e m e n ss i m o t i o n 控制器的通信功 能及特点，重点研究了如何利用w i n s o c k 及s t 结构文本语言程序接口编制基于t c p i p 协议的网络通讯软件，实现上位控制计算机与s i m o t i o n 控制器之间的数据传输以及 控制。 技术关键性实验部分：针对搭建的大功率电机造波系统实验平台，做了在大量的常 规波谱和极限波实验，来验证此系统的可行性与可靠性，并针对所取得的数据进行分析， 得出结论。 大连理工大学硕士学位论文 2 运动控制技术及系统研究 2 1运动控制技术 2 1 1 运动控制 运动控制( m o t i o nc o n t r 0 1 ) 是自动化技术的一个重要分支。它是指对机械传动装置 的位置、速度、加速度等进行实时的控制，使其运动部件按预定的轨道和运动参数动作 的技术。按执行机构的类型来分，运动控制可分为三大类：电动、气压和液压运动控制。 电动运动控制是最重要的。而电动运动控制中最活跃和应用最广泛的，是电机运动 控制。电机运动控制，主要是控制电动机的转矩、转角和转速。电机运动控制是以电动 机为控制对象，以运动控制器为核心，以电力半导体器件应用为基础，以电力电子功率 变换为执行机构，以自动控制为理论指导、以电子技术和微处理器控制和计算机辅助设 计为手段，并与检测技术和数据通信相结合的电气传动的自动控制系统【2 3 1 。 2 - 1 2 运动控制及其相关学科 现代运动控制已成为电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制 理论、信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科【2 4 】，如图2 1 所示。 图2 1 运动控制的相关学科 f i g 2 1 r e l a t e dd i s c i p l i n e so fm o t i o nc o n t r o l ( 1 )电机学电动机是运动控制系统的控制对象 电动机的结构和原理决定了运动控制系统的设计方法和运行性能，新型电机的发明 就会产生新的运动控制系统。 ( 2 ) 电力电子技术以电力电子器件为基础的功率放大与变换装置是弱电控制 强电的媒介，是运动控制系统的执行手段。在运动控制系统中作为电动机的可控电源， 其输出电源质量直接影响运动控制系统的运行状态和性能。电力电子器件性能的改善将 基于网络运动控制的大功率造波机技术研究 使得功率放大与变换装置的性能大幅度提高，对改善电动机供电电源质量，提高系统运 行性能，起到积极的推进作用。 ( 3 ) 微电子技术控制基础 微电子技术的迅速发展，各种高性能的大规模或超大规模集成电路的出现，方便和 简化了运动控制系统的硬件电路设计及调试工作，提高了运动控制系统的可靠性。高速、 大内存容量、多功能的微处理器或单片微机的出现，使各种复杂的控制算法在运动控制 系统中的应用成为可能，大大提高了控制精度、速度，提升了运动控制系统的性能。 ( 4 ) 计算机控制技术系统控制核心 计算机控制。 计算机仿真。 计算机辅助设计。 计算机具有强大的逻辑判断、数据计算和处理、信息传输等能力，能进行各种复杂 的运算，可以实现不同于一般线性调节的控制规律，达到模拟控制系统难以实现的控制 功能和效果。计算机控制技术的应用使对象参数辨识、控制系统的参数自整定和自学习、 智能控制、故障诊断等成为可能，大大提高了运动控制系统的智能化和可靠性。 在工程实际中，对于一些难以求得其精确解析解的问题，可以通过计算机求得其数 值解，这就是计算机数字仿真。它具有成本低，结构灵活，结果直观，便于贮存和进行 数据分析等优点。 计算机辅助设计( c a d ) 是在数字仿真基础上发展起来的，在系统数学模型基础上 仿真，按给定指标寻优进行计算机辅助设计，已成为运动控制系统常用的分析和设计工 具。 ( 5 ) 信号检测与处理技术控制系统的“眼睛 运动控制系统的本质是反馈控制，即根据给定和输出的偏差实施控制调节，最终缩 小或消除偏差，运动控制系统需通过传感器实时检测系统的运行状态，形成反馈控制， 并进行故障分析和故障保护。 由于实际检测信号往往带有随机的扰动，这些扰动信号对控制系统的正常运行会带 来不良影响，严重时甚至会破坏系统稳定性。为了保证系统安全可靠的运行，必须对实 际检测的信号进行滤波等处理，提高系统的抗干扰能力。此外，传感器输出信号的电压、 极性和信号类型往往与控制器的需求不相吻合。所以，传感器输出信号一般不能直接用 于控制，需要进行信号转换和数据处理。 ( 6 ) 控制理论系统分析和设计的依据 大连理工大学硕士学位论文 控制理论是运动控制系统的理论基础，是指导系统分析和设计的依据。控制系统实 际问题的解决常常能推动理论的发展，而新的控制理论，如智能控制、自适应控制、非 线性控制等，又为研究和设计新型运动控制系统提供理论依据，起到了互相推进的作用。 2 2 运动控制系统 2 2 1运动控制系统的组成 运动控制系统是以机械运动驱动的设备一电动机为控制对象，以控制器为核心，以 电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制 系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现机械设备 的运动要求拉跎6 1 。 运动控制的实质是根据预定的方案，将上位控制系统作出的决策命令变成某种期望 的机械运动，以得到确定的位置、速度、加速度或特定的运动形式。 一个完整的运动控制系统通常由上位控制器、执行电机、机械传动机构和位置检测 元件等组成，其结构框图如图2 2 所示。 一一孓j i _ _ 二二二二一r 一_ i 知识领域： i ! 信号检测与数据处理技术! l 一j 图2 2 运动控制系统的结构框图 f i g 2 2 s t r u c t u r eo fm o t i o nc o n t r o ls y s t e m ( 1 )电动机运动控制系统的控制对象 直流电动机结构复杂，制造成本高，电刷和换向器限制了它的转速与容量。 优点：易于控制。 交流异步电动机结构简单、制造容易，无需机械换向器，其允许转速与容 量均大于直流电动机。 基丁二网络运动控制的大功率造波机技术研究 同步电动机转速等于同步转速，具有机械特性硬，在恒频电源供电时调速 困难，变频器的出现不仅解决了同步电动机的调速，还解决了其起动和失步问题，有效 地促进了同步电动机在运动控制系统中的应用。 ( 2 ) 功率放大与变换装置执行手段 电力电子器件组成电力电子装置。电力电子器件： 第一代：半控型器件，如s c r ，方便地应用于相控整流器( a c - - o d c ) 和有源逆变 器( d c - * a c ) ，但用于无源逆变( d c _ a c ) 或直流p w m 方式调压( d c - d c ) 时， 必须增加强迫换流回路，使电路结构复杂。 第二代：全控型器件，如g t o 、b j t 、i g b t 、m o s f e t 等。此类器件用于无源逆 变( d c - - * a c ) 和直流调压( d c - * d c ) 时，无须强迫换流回路，主回路结构简单，并 且可以大大提高开关频率，用脉宽调制( p w m ) 技术控制功率器件的开通与关断，可 大大提高可控电源的质量。 第三代：特点是由单一的器件发展为具有驱动、保护功能的复合功率模块，提高了 使用的安全性和可靠性。 ( 3 ) 控制器 模拟控制器：模拟控制器常用运算放大器及相应的电气元件组成，具有物理概 念清晰、控制信号流向直观等优点，其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而 线路复杂、通用性差，控制效果会受到器件性能、温度等因素的影响。 数字控制器：硬件电路标准化程度高、制作成本低，还不受器件温度漂移的影 响。控制规律体现在软件上，修改起来灵活方便。此外，还拥有信息存储、数据通信和 故障诊断等模拟控制器无法实现的功能，优越性远大于模拟控制器。 ( 4 ) 信号检测与处理传感器 运动控制系统中常用的反馈信号有电压、电流、转速和位置，为了真实可靠地得到 这些信号，实现功率电路( 强电) 和控制器( 弱电) 间的电气隔离，需要相应的传感器。 精度一信号传感器要有足够高的精度，以保证控制系统的准确性。 滤波一信号滤波，模拟控制系统常采用模拟器件构成的滤波电路，而计算机数字控 制系统往往采用模拟滤波电路和计算机软件数字滤波相结合的方法。 运动控制系统的基本运动方程式： ，等= 疋一瓦 ( 2 1 ) 大连理工大学硕士学位论文 譬：。 ( 2 2 ) 班 其中，j ：机械转动惯量，。：转子的机械角速度，0 。：转子的机械转角。 运动控制的目的：控制电动机的转速和转角，对于直线电动机是控制速度和位移。 要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们 期望的规律变化。因此，转矩控制是运动控制的根本问题。 2 2 2 运动控制系统的特点 运动控制系统的特点： ( 1 ) 被控量的过渡过程较短，响应速度快，一般为秒级甚至毫秒级； ( 2 ) 传动功率范围宽，从几毫瓦到几百兆瓦； ( 3 ) 调速范围大，宽调速系统的调速范围可达到1 ：1 0 0 0 0 ，在没有变速装置的情 况下，转速可以从最低每小时几转到最高每小时几十万转； ( 4 ) 控制精度高，具有良好的动态性能和较高的稳态精度或定位精度； ( 5 )电动机空载运行损耗小，效率高，短时过载能力强； ( 6 ) 可四象限运行，制动时可以采用回馈制动将能量回馈给电网，以节约能源： ( 7 ) 可以控制单台电机运行，也可控制多台协调运行，由于响应速度快，可以很 好的完成电机间的同步，以完成更高要求的控制过程： 只要合理的选择控制方案，几乎可以适用于任何传动场合。 2 2 3 运动控制系统的分类 ( 1 ) 运动控制系统根据位置控制原理，即有无检测反馈传感器及其检测部位，分 为开环控制系统和闭环控制系统【2 1 。 开环控制系统 如图2 3 所示，由于没有检测反馈装置，伺服驱动是开环的。驱动电动机一般采用 步进电动机。此种控制方式控制方便，结构简单，价格便宜。控制系统发出的定位指令 信号是单向的，不存在稳定性问题，但由于机械传动误差没有经过反馈进行校正，定位 精度不高，对于高定位精度的应用场合并不适用。 图2 3 开环控制系统结构框图 f i g 2 3o p e n l o o pc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e 基丁网络运动控制的大功率造波机技术研究 闭环控制系统 闭环控制系统是指凡是系统输出信号对控制作用能有直接影响的系统。 在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控制作用，若是来自被控量的反馈信 息，即根据实际输入来修正控制作用，实现对被控对象的控制，这种控制原理称为反馈 控制原理。正是由于引入了反馈信息，使整个控制过程是闭合的。因此，根据反馈原理 建立起来的控制系统，叫做闭环控制系统。在闭环控制系统中，其控制作用的基础是被 控量与给定量之间的偏差。这个偏差是各种实际扰动所产生的总“结果”。所以，这种 系统往往同时能够抵制多种扰动，而且对系统自身元部件参数的扰动不很敏感。 闭环控制系统的特点：控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的偏差信号，由 偏差产生对系统被控量的控制；系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差信号， 影响控制作用的大小，改善系统的控制效果。 半闭环控制系统 位置反馈采用转角检测元件，直接装在伺服电机或丝杠端部，由于反馈取至电动机 轴，而机械传动系统的误差得不到闭环补偿1 2 5 1 ，因此称为半闭环调节系统。由于具有位 置反馈比较控制，可获得较大的定位精度。尽管丝杠等机械传动误差不能通过反馈校正， 但可采用软件定值补偿的方法来适当提高其精度。其结构框图如图2 4 所示。 图2 4 半闭环控制系统结构框图 f i g 2 4h a l fc l o s e l o o pc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e 全闭环控制系统 反馈取至被调节对象的系统称为全闭环调节系统。其位置反馈采用光栅、旋变等检 测元件对被控对象进行检测，从电机到被控单元之间整个机械传动机构中的传动误差可 以得到系统的闭环补偿，因此调节精度高，静态定位精度高。但在整个控制环内，许多 机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙均为非线性，并且整个机械传动链的动态响应时 大连理工大学硕士学位论文 间( 与电气响应时间相比) 又非常大，使得整个闭环系统的稳定性校正很困难，系统的 设计和调整也非常复杂。因此就要求伺服电机刚性好，传动间隙小，否则得不到较好的 补偿效果。其结构框图如图2 5 所示。 图2 5 全闭环控制系统结构框图 f i g 2 5c l o s e l o o pc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e ( 2 ) 按照被控量的性质和控制方式分类 位置控制 它是指转角位置和直线位置的控制。按位置控制原理分为点位控相j ( p t p ) 和连续轨 迹控制。点位控制是点到点的定位控制，它既不控制点与点的运动轨迹，也不在此过程 中进行加工和测量。如锉床、冲床、数控钻床、测量机和点焊工业机器人等。连续轨迹 控制又分为直线控制和轮廓控制。直线轨迹控制是指被控对象以一定速度沿某个方向的 直线运动( 单轴或多轴联动) ，在此过程中要进行加工或测量，如数控锉床、大多数加 工中心和弧焊工业机器人等。轮廓控制是控制两个或两个以上坐标轴移动的瞬时位置与 速度，通过联动形成一个平面或空间的轮廓曲线或曲面。如数控铣床、车床、凸轮磨床、 激光切割机和三坐标测量机等 2 4 , 2 7 】。 速度控制和加速度控制 速度控制既可单独使用，如输送机、工作台和卷绕机等这样的机械速度控制，也可 以与位置控制联合成为双回路控制。但主回路是位置控制，速度控制作为反馈校正，改 善系统的动态动能，如各种数控机械的双回路伺服系统。 力和力矩控制 钢带、纸张、塑料薄膜和布等卷取机是恒张力控制，自动组装机的拧紧螺母以及自 动钻孔等场合，应采取力矩与位置同步控制。 同步控制 基于网络运动控制的大功率造波机技术研究 同步控制是两轴或两轴以上的速度或位置的同步运动控制。如整列绕线机、大型印 刷机、平行物料传送带的多轴平行传动等，有的除了同时启动，还要求位置同步，此种 场合的同步精度要求较高。 ( 3 ) 按驱动方式分类 根据使用动力源的不同，运动控制系统可分为电气控制、液压控制和气动控制。由 于计算机控制、电力电子器件、伺服电机和位置检测传感器的迅速发展，电气伺服从机 械主传动的电力拖动扩展到机械的伺服进给系统，它广泛应用于各种运动控制设备中。 2 3 本系统中使用的运动控制网络 2 3 1p r o f i b u s 网络 p r o f i b u s 是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。 p r o f i b u s 传输速度可在9 6kb a u d 1 2mb a u d 范围内选择且当总线系统启动时，所有 连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。p r o f i b u s 广泛适用于制造业自动化、流 程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。 p r o f i b u s 由三个兼容部分组成，即p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 、 p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 、p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 。 主要使用主从方式，周期性地与传动装置进行数据交换。 ( 1 ) p r o f i b u s d p ：是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式i 幻 的通信。 ( 2 ) p o r f i b u s p a ：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总 线上，并有本征安全规范。 ( 3 ) p r o f i b u s f m s ：用于车间级监控网络，是一个令牌结构，实时网络。 p r o f i b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的 现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网 络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。 与其它现场总线系统相比，p r o f i b u s 的最大优点在于具有稳定的国际标准 e n 5 0 1 7 0 作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造、 过程控制和自动化等。p r o f i b u s 开放性和不依赖于厂商的通信的设想，己在1 0 多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中p r o f i b u s 占开放 性工业现场总线系统的市场超过4 0 。p r o f i b u s 有国际著名自动化技术装备的生 产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。 大连理工大学硕士学位论文 p r o f i b u s 协议结构是根据i s 0 7 4 9 8 国际标准，以开放式系统互联网络( o p e n s y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n o s i ) 作为参考模型的。该模型共有七层。 ( 1 ) p r o f i b u s d p - 定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用 户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同 p r o f i b u s d p 设备的设备行为。 ( 2 ) p r o f i b u s f m s ：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范 ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n f m s ) 和低层接口( l o w e r l a y e ri n t e r f a c e l l i ) 。f m s 包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。l l i 协调不同的通信 关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。 ( 3 ) p r o f i b u s p a ：p a 的数据传输采用扩展的p r o f i b u s d p 协议。另外，p a 还描述了现场设备行为的p a 行规。根据i e c l1 5 8 2 标准，p a 的传输技术可确保其本征 安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在d p 上扩展p a 网络。其中： 第一层为物理层，第二层为数据链路层，第三六层未使用，第七层为应用层。 本系统中使用的为p r o f i b u s d p 网络结构。 2 3 2d r i v e c l i q 网络 d r i v e c l i q 是一个基于1 0 0 m 以太网技术的实时串行接口。它是一种简单的带有 i u 4 5 接头的接口，可以与所有驱动进行连结。编码器电力由d r i v e c l i q 电缆提供并可 以自动识别所有的组件。d r i v e c l i q 电缆在没有中继器的情况下最长可以达到5 0 m 。 d r i v e c l i q 具有自动识别在线组件功能，可以迅速对在线组件进行识别和操作。 d r i v e c l i q 仅仅是s i n a m i c ss 1 2 0 的驱动通讯协议，是基于r j 4 5 接口开发的，速 率为10 0 m b i t s s 。该协议为内部通讯协议，不对外开放。 基于网络运动控制的大功率造波机技术研究 3 造波机运动控制系统设计 3 1 造波的基本原理及造波与控制方式的选择 3 1 1造波的基本原理 实验中要模拟一个波谱时，首先根据目标谱( 实测谱或理论拟合谱) ，通过人机界 面对话，设定欲模拟波浪参数，根据系统的传递函数，利用反傅立叶变换计算出每块造 波板运行的时间序列值控制信号，通过专用运动控制接口，将每块造波板运行的时间序 列值控制信号送给伺服电源，驱动伺服驱动器，带动造波机推波板作相应的推挽运动， 推动水体而产生波列，伺服电机编码器实时测出推板的运动轨迹，并反馈到伺服电源， 以确保推波板能准确地跟踪计算机给定信号运行。该反馈信号同时反馈到运动控制接 口，计算机机可以据此监测造波板的运行状态。造波的同时，浪高仪将波浪物理量转换 成电量信号送a d 转换器进行数据采集i 2 引。 3 1 2 造波的方式选择 造波方式主要有气动式和机械式两种。 气动式是以空气为介质，利用空气气流或者气压的变化产生波动，相应速度快，且 空气可直接从大气中获得，又可排放到大气中，不需要回流系统，结构相对简单，价格 便宜，但工作压力低，定位刚度也低，工作载荷在几百牛顿时，启动系统比较有效【2 引。 机械式是通过造波部件的机械运动给水体施加扰动来产生波动的，它是迄今为止主 要的造波形式。机械式又分为冲箱式、空气式、摇板式和推板式【2 9 j 。 冲箱式：如图3 1 所示，其造波部件为断面呈特殊形状的柱体，通过该柱体沿垂直 水面方向作往复运动冲击水体达到造波目的。其波长是由冲箱上下震动的周期决定的。 空气式造波机：如图3 2 所示，其原理是依靠附加在钟罩所