基于Trio控制器的吸收式造波机运动控制系统设计

张小乐，呼英俊

(天津科技大学机械工程学院，天津 300222)

造波机是在实验水池中模拟波浪的设备，可人工控制产生不同类型的波浪，模拟实际海浪对船舶或各种建筑物的作用．但因为实验水池的长度有限，造波机对模型或池壁的反射波会再一次反射，即波浪的二次反射，它会严重影响实验结果．而吸收式造波机在产生拟需波浪的同时，能吸收实验区域内的二次反射波，其原理是在推波板式造波的基础上，通过采集、计算波浪数据，给推波板一个附加的二次位移，以消除反射波浪撞击推波板形成的二次反射波，从而更真实地模拟海浪的运动[1]．

现有吸收式造波机多采用工控机与控制卡的方式进行运动控制[2]．这种方式提前设定工控机和控制卡的相关程序，硬件组成、连接及操作都比较简单．其缺点在于集成化过高，扩展性、互换性不好，在不同造波环境、不同造波条件下难以通用；各种处理运动控制和参数采集的板卡全由工控机控制，还需进行模数转换，延缓了控制命令传输和采集信号处理的时间，控制时效和精度不够理想．

随着计算机控制技术的发展，运动控制也逐渐网络化、数字化．网络化使控制更灵活、开放，数字化使控制更简单、精确．采用PC和运动控制器相结合的控制方式，用PC作为信息处理平台，可发挥PC的信息处理快、开放的程序语言及可在线网络检测和修复等优点；用控制器实现期望造波运动，可充分利用运动控制器中的运动算法和进行精确的轨迹控制．这种方式的信息处理速度快、运动控制精度高、开放扩展程度好、系统可靠性高，更适合吸收式造波[3–4]．

本文针对吸收式造波，选择支持网络化、数字化的运动控制器，在程序设计中利用C语言应用广泛、人机交互方便和 Fortran语言在数据处理上的优势，并调用运动控制器的运动算法，使得造波运动程序设计、参数设置和数据分析都更简单，较好地实现了吸收式造波．

1 运动控制系统的基本工作原理

吸收式造波机运动控制系统的工作原理见图 1．

根据期望的波高周期数据，由上位机程序计算推波板的位移和时间控制信号，运动控制器接收后将其转换为运动方向和速度的控制信号，伺服驱动器再将其转换为脉冲信号驱动伺服电机运动，经执行装置带动推波板作相应的往复运动，推动水面产生波浪．在推波板前固定距离处设置 2个波高传感器采集推波板前的波高信号．运动控制器根据反馈信号计算设定值与实测值之间的差值，并以此调整下一时刻控制推波板的位移，使之生成与反射波反相位的波，以消除二次反射波，实现吸收式造波；另一方面，波高信号反馈回PC，与期望波谱的数据对比，完成统计分析．

在吸收式造波机工作过程中，最重要的是要实时采集推波板前波高数据，迅速计算得出下一位移量并确保执行装置及时响应，这就对运动控制器的性能及信号传输速度提出了较高的要求．

图1 运动控制系统的工作原理Fig.1 Block diagram of the motion control system

2 运动控制器及其通信

2.1 Trio控制器

运动控制器选用 Trio Motion公司的 Trio MC224型数字独立运动控制器，其融合了最新的控制理论和技术，具有多种控制和通信方式、多任务编程、可扩展性丰富等优点．它采用 32位 120～150,MHz的 DSP微处理器，计算速度快，控制精度高，满足吸收式造波对控制器运算速度的要求；包含直线运动、梯形运动、曲线运动等多种轴运动轨迹控制模式，可完全脱离 PC独立进行控制，在 PC出现通信故障等问题时，依然可以进行吸收式造波的控制．控制器采用模块化设计，可连接扩展多种具有轴控制功能的子板，实现对多个伺服单元的控制，在大港池、多方向条件下造波也完全适用．控制器与 PC间通信可采用总线或网络方式，如 PROFIBUS、DeviceNet、EtherNet/IP、CANopen 等方式；控制器与伺服驱动器通信可采用总线或数字式，如CANopen、EtherNet/IP、SERCOS等方式，多种通信接口使其应用扩展更广泛．

2.2 EtherNet/IP通信

Trio控制器与PC之间选用EtherNet/IP通信协议，它是一种工业以太网的应用协议．相比于其他控制系统中常见的总线结构，工业以太网的标准更规范、更通用，在远距离传输、组件成本、软硬件资源等方面也更有优势；而且可与普通网络通连，利用网络的在线监测，远程控制也很方便，已成为现场设备控制网络的发展趋势．

EtherNet/IP协议采用Producer/Consumer通信模式，它不同于其他协议从源到点的指定模式，而是规定所有节点都可在同一时间读取来自同一个源的数据[5]．这种模式的效率更高，实时性更好，适用于在造波现场由PC向控制器发送信号指令．

Trio控制器面板配置有相关接口，通过网线即可实现连接；PC中基于Windows平台建立EtherNet/IP网络也较简单，为组网和数据交换提供了很大便利．

2.3 SERCOS接口

在吸收式造波中，Trio控制器与伺服驱动器之间的通信最重要，要求快速、稳定、误差最小地传输调整信号．而现有系统中多常用模拟接口，受噪声影响较大、传输速度缓慢、精度不高、线路连接复杂，不能满足吸收式造波高速、稳定的要求．基于数字化控制的设想，选用SERCOS数字接口．SERCOS接口是数字控制接口的唯一国际标准，具有较高精度的实时性和开放性，可保证快速建立数字连接、传送参数、精确控制和智能诊断的实现．

SERCOS光纤网络结构如图2所示，其最主要的特点就是用光纤取代传统多轴控制系统中的普通电缆，是全数字式的网络通信方式，不会受到其他电气系统的干扰，对噪声的免疫能力很强，无信号漂移，传输精度高．其协议也规定了数据传输格式，对网络通信带宽的需求相对较低，通信速率大于 4,MB/s，通信周期小于 1,ms[6]．相比传统的模拟技术，SERCOS有效提高了工程速度，减少工程调试及维护时间，运行速度更快，精确度更高．

图2 SERCOS光纤网络结构Fig.2 SERCOS fiber-optic network structure

Trio控制器自带 SERCOS通信子板模块，选用的驱动器配置有 SERCOS接口，可以方便地用提供的线缆进行连接，实现SERCOS数字通信．

3 程序设计

在程序设计上采用混合编程调用的方法，采用C语言和 Fortran语言进行上位机程序设计，实现包括基本造波及吸收式造波的控制功能、系统的初始化设定、推波板的回零定位、目标波谱及造波参数的设定、数据统计分析及报警保护功能[7]．

控制执行机构由Trio控制器自带Trio Basic语言编写运动控制程序程实现．编程通过 Motion Perfect平台进行，然后下载到控制器中存储和运行．Trio控制器提供ActiveX功能，可以根据设备的需要在计算机中用高级程序语言进行二次开发；提供 OCX Component功能，可以自动检测控制器内的程序并与计算机中程序比较；计算机中有 VB、VC、C++等语言编写的程序时，可直接调用其运动函数，复制到Trio处理器中进行运算处理和控制，方便进行操作．

4 实 验

利用本文设计的控制系统，在天津水运工程科学研究所的实验水槽中进行测试．水槽长 35,m，宽1,m，高 1.2,m，最大水深为 0.8,m．实验时，将模拟的波谱或波高数据由主程序输入，计算获得控制推波板运动所需的数字控制信号，经由运动控制程序，驱动机械装置带动推波板运动．推波板往复运动的位移决定波高，往复运动的频率决定波浪周期．板前设置2个波高传感器，运用两点法进行入反射分离，分别求得入、反射波高与周期[8]．部分实验数据见表1．对实验数据的评价参考 JTJ/T234—2001《波浪模型试验规程》，模拟规则波的平均波高和周期的允许偏差为±5%．结合表 1数据可以看出：非吸收式造波的波高数据受反射波的影响，误差很大；而吸收式造波的实验结果误差小，满足要求；本文设计的吸收式造波机的实验误差最小，精度最高．

表1 各类型造波机造波实验数据Tab.1 Experimental wave data of various types of wave maker

另外，程序可统计画出实验的波面过程图．其目标波高 0.4,m、周期 1.4,s的实验波面过程如图 3所示．由图 3可以看出：实验过程中，非吸收式造波的波面波动较大，在很长的实验时间范围内都难获得稳定的波高；现有吸收式造波机相比非吸收式造波，在波高稳定度上有明显的进步，进行吸收造波之后的波高变得比较稳定，但由于控制系统不够精确，与期望的波高还是有一定差距；而本文设计的吸收式造波机的波面最稳定，波高偏差最小．

图3 各类型造波机造波实验波面过程图Fig.3 Experimental wavefront process map of various types of wave maker

5 结 语

本文设计了吸收式造波机的运动控制系统，针对现有造波机的信号传输处理不及时、控制精度不理想问题进行改进．上位机程序设计采用混合编程的方式，对执行机构控制调用 Trio Basic语言，更好地实现了对推波板的运动控制．相比现有装置，信号传输与处理完全采用数字信号，使控制系统响应更快，运行更稳定．实验证明设计达到了预期效果．

［1］ 王先涛. 吸收式造波机理论[D]. 大连：大连理工大学，2002.

［2］ 张亚群. 造波机的控制及其实现[D]. 武汉：武汉理工大学，2007.

［3］ 班华，李长友. 运动控制系统[M]，北京：电子工业出版社，2012.

［4］ 郗志刚，周宏甫. 运动控制器的发展与现状[J]. 电气传动自动化，2005(3)：12–16.

［5］ 邓昌建. 工业以太网通讯协议和接口技术研究[D]. 成都：电子科技大学，2005.

［6］ 李琰，徐殿国，戚佳金，等. SERCOS接口应用技术研究[J]. 伺服控制，2006(5)：26-28.

［7］ 张瑞波，王收军，朱国良. 基于VC6.0和FORTRAN语言的造波机控制软件的研究与开发[J]. 制造业自动化，2008(8)：49-52.

［8］ 张瑞波. 港工波浪模拟设备的研究[D]. 天津：天津理工大学，2008.