船舶柴油機(jī)主動(dòng)隔振監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳智君，王元真，雷本鑫，高 超

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

由于我國(guó)主動(dòng)隔振系統(tǒng)的研究起步較晚，技術(shù)并不成熟，較多主動(dòng)隔振控制算法仍在仿真實(shí)驗(yàn)階段，很少有在實(shí)際應(yīng)用中的案例[1]。而對(duì)于實(shí)驗(yàn)階段的主動(dòng)隔振來(lái)說(shuō)，為驗(yàn)證控制算法的控制效果，往往希望能夠?qū)崟r(shí)觀察被控對(duì)象的振動(dòng)情況，并通過(guò)對(duì)比參數(shù)調(diào)整前后被控對(duì)象的振動(dòng)曲線，來(lái)判斷控制算法在不同條件下控制效果的好壞。因此，擁有1個(gè)配套上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于隔振實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)很有必要。本文作者以某型柴油機(jī)為對(duì)象，開(kāi)發(fā)了1套主動(dòng)隔振系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件，并對(duì)自適應(yīng)主動(dòng)隔振算法進(jìn)行研究。

1 主動(dòng)隔振系統(tǒng)總體框架

主動(dòng)隔振系統(tǒng)是指能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)所監(jiān)測(cè)的振動(dòng)信息利用自適應(yīng)算法得出實(shí)時(shí)的控制規(guī)律，最終控制作動(dòng)器產(chǎn)生反振力從而抑制其振動(dòng)的1套完整系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由上、下位機(jī)2部分組成。

下位機(jī)是系統(tǒng)硬件部分，主要功能是實(shí)時(shí)采集被控區(qū)域的振動(dòng)信號(hào)，并根據(jù)所采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行次級(jí)通道辨識(shí)，再由自適應(yīng)算法得出實(shí)時(shí)的控制規(guī)律，經(jīng)由功率放大器輸出給作動(dòng)器，控制作動(dòng)器產(chǎn)生相應(yīng)頻率的反振力。上位機(jī)是系統(tǒng)PC端顯示系統(tǒng)，主要功能是通過(guò)以太網(wǎng)接收下位機(jī)辨識(shí)結(jié)果以及采集的實(shí)時(shí)加速度信號(hào)，并在顯示軟件中繪制成曲線。本文上、下位機(jī)之間的通訊連接采用C/S模式，即客戶端/服務(wù)器模式[2]。下位機(jī)為系統(tǒng)服務(wù)器，上位機(jī)顯示系統(tǒng)為客戶端。系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件具體實(shí)現(xiàn)

2.1 通信設(shè)計(jì)

圖 1 主動(dòng)隔振系統(tǒng)整體框架Fig. 1 Active vibration isolation system overall frame

本文中上位機(jī)的主要功能是接收并顯示下位機(jī)加速度傳感器采集的實(shí)時(shí)振動(dòng)信息，以及讀取、存儲(chǔ)并修改下位機(jī)的重要參數(shù)，本文采用UDP協(xié)議發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β剩谠O(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)避免數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)生分片。對(duì)UDP數(shù)據(jù)報(bào)來(lái)說(shuō)，需要在應(yīng)用層限制每個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)的大小，一般不超過(guò)1 472個(gè)字節(jié)[6]。本文采樣頻率為4 K，每個(gè)通道的單個(gè)數(shù)據(jù)為2個(gè)字節(jié)，總的通道數(shù)為12個(gè)，則每秒采集96 KB大小的數(shù)據(jù)。為方便編程及數(shù)據(jù)的解析同時(shí)避免IP分片，本文將每次采集的12個(gè)通道的數(shù)據(jù)組合為一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體作為最小的數(shù)據(jù)單元，每個(gè)數(shù)據(jù)包中均包含50個(gè)這樣的數(shù)據(jù)單元，即總的用戶數(shù)據(jù)大小為1 200字節(jié)，上位機(jī)每秒將接收到80個(gè)這樣的數(shù)據(jù)包。

此外，UDP協(xié)議在通信過(guò)程中發(fā)送端可于任意時(shí)刻自由發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端無(wú)法確認(rèn)何時(shí)接收到來(lái)自何地的數(shù)據(jù)，且接收到數(shù)據(jù)后也不會(huì)有任何確認(rèn)信息。因此，本文在UDP協(xié)議的基礎(chǔ)上，在應(yīng)用層協(xié)議中引入了數(shù)據(jù)包確認(rèn)、掉包重發(fā)以及排序機(jī)制。為此本協(xié)議自定義了一個(gè)長(zhǎng)度為5個(gè)字節(jié)的應(yīng)用層協(xié)議頭，協(xié)議頭的組成為1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包類(lèi)型標(biāo)識(shí)、2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包序號(hào)（包括1個(gè)字節(jié)的前序號(hào)和1個(gè)字節(jié)的后序號(hào)）以及2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)，使通訊在不占用太多系統(tǒng)資源的條件下滿足一定的傳輸可靠性。此外，在模擬量通道數(shù)據(jù)之前為3個(gè)字節(jié)的數(shù)字量通道數(shù)據(jù)，用于標(biāo)識(shí)下位機(jī)的重要報(bào)警信息。因此，一個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)的大小應(yīng)為協(xié)議頭大小加上用戶數(shù)據(jù)大小，總共為1 208個(gè)字節(jié)，遠(yuǎn)小于1 472個(gè)字節(jié)，不會(huì)發(fā)生IP分片。自定義用戶協(xié)議頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 自定義用戶協(xié)議頭結(jié)構(gòu)Fig. 2 Custom user protocol header structure

數(shù)據(jù)包的確認(rèn)機(jī)制主要通過(guò)自定義協(xié)議頭中的數(shù)據(jù)包序號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)包序號(hào)包含前序號(hào)和后序號(hào)2個(gè)信息。前序號(hào)為當(dāng)前數(shù)據(jù)包的序號(hào)，后序號(hào)為期望下一個(gè)數(shù)據(jù)包的序號(hào)。為保證確認(rèn)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，在客戶端引入接收緩沖區(qū)，用于存放驗(yàn)證后的數(shù)據(jù)。客戶端確認(rèn)機(jī)制的流程圖如圖3所示。其中VeriFied和LastVerif分別為保存當(dāng)前接收到數(shù)據(jù)包序號(hào)和前一個(gè)接收到的數(shù)據(jù)包序號(hào)的數(shù)組，Count為接收到數(shù)據(jù)包的次數(shù)。

圖 3 客戶端確認(rèn)機(jī)制流程圖Fig. 3 Client confirmation mechanism flow chart

在服務(wù)器與客戶端進(jìn)行通信的過(guò)程中，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中發(fā)生了掉包或者是發(fā)送的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，就需要對(duì)丟掉的以及發(fā)生錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包進(jìn)行重新發(fā)送，并在客戶端對(duì)重發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，以確保接收數(shù)據(jù)的正確性。為實(shí)現(xiàn)重發(fā)以及數(shù)據(jù)包的排序，在服務(wù)器引入2個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)，一個(gè)用于存放已發(fā)送的數(shù)據(jù)包，一個(gè)用于向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；在客戶端引入一個(gè)接收隊(duì)列，用于存放驗(yàn)證后的數(shù)據(jù)包。服務(wù)器采用2個(gè)緩沖區(qū)的目的是存放發(fā)送后的數(shù)據(jù)包，用于客戶端驗(yàn)證掉包后的重發(fā)。重發(fā)機(jī)制如圖4所示。

對(duì)于客戶端，為保證顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，本文使用多線程技術(shù)，將接收數(shù)據(jù)以及驗(yàn)證過(guò)程放在一個(gè)線程中，將解碼數(shù)據(jù)包的過(guò)程放在另一個(gè)線程中，2個(gè)線程同步運(yùn)行從而保證接收數(shù)據(jù)與解碼顯示數(shù)據(jù)的同步性。為給重發(fā)及排序過(guò)程留出一定的時(shí)間，且保證接收數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，規(guī)定上位機(jī)在接收到10個(gè)數(shù)據(jù)包之后再開(kāi)啟解碼線程。客戶端接收隊(duì)列如圖5所示。

圖 4 重發(fā)機(jī)制流程圖Fig. 4 Retransmission mechanism flow chart

圖 5 客戶端接收隊(duì)列Fig. 5 Client receive queue

對(duì)于服務(wù)器，為保證數(shù)據(jù)包重發(fā)的實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器需要緩存部分已發(fā)送的數(shù)據(jù)包。為此，在服務(wù)器引入了2個(gè)緩沖區(qū)，一個(gè)用于發(fā)送實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，另一個(gè)用于緩存部分已發(fā)送的數(shù)據(jù)包。服務(wù)器的2個(gè)緩沖區(qū)及工作模式如圖6所示。

圖 6 服務(wù)器緩存區(qū)工作模式圖Fig. 6 Server cache area working mode diagram

本文中上位機(jī)使用Socket以簡(jiǎn)化編程。為減小數(shù)據(jù)通信過(guò)程中出錯(cuò)的可能性，在進(jìn)行參數(shù)配置時(shí)，選用與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不同的Socket進(jìn)行通信。這里將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信所用Socket命名為Socket1，而將參數(shù)配置所使用的Socket命名為Socket2。由于在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，并不是每次都需要配置所有參數(shù)，大多數(shù)情況下僅需要修改個(gè)別參數(shù)。因此在本設(shè)計(jì)中，將所有參數(shù)分別通過(guò)不同的數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送，且只有當(dāng)界面上發(fā)生更改后，才將更改的參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送至下位機(jī)，沒(méi)有更改的參數(shù)不做處理。

2.2 參數(shù)配置及儲(chǔ)存

參數(shù)配置界面的主要功能是對(duì)下位機(jī)某些重要參數(shù)的值進(jìn)行修改，同時(shí)具有從下位機(jī)中讀取出這些參數(shù)值的功能。此外，還可將修改后的參數(shù)值或者從下位機(jī)中讀取出來(lái)的參數(shù)值保存至計(jì)算機(jī)本地文件中，也可從本地文件中讀取參數(shù)信息并下載至下位機(jī)。本文使用XML文檔來(lái)存儲(chǔ)用戶配置信息，包括下位機(jī)配置參數(shù)以及通道辨識(shí)數(shù)據(jù)。下面將對(duì)操作XML文件的具體方法進(jìn)行說(shuō)明。

1）創(chuàng)建XML文件

這里首先聲明一個(gè)XmlDocument對(duì)象命名為xml-Doc，隨后創(chuàng)建XML文檔的文件頭，創(chuàng)建完文件頭后，需要?jiǎng)?chuàng)建文件的根元素，即根結(jié)點(diǎn)。這里創(chuàng)建一個(gè)名稱為Settings的根結(jié)點(diǎn)，根結(jié)點(diǎn)創(chuàng)建完成后，通過(guò)xml-Doc.Save方法將該XML文件保存至本地文件夾中。

2）讀取XML文件

讀取XML文件信息之前，首先聲明一個(gè)XmlDocument對(duì)象，再調(diào)用該對(duì)象的Load方法，從指定的路徑中加載XML文件。加載完XML文件后，即可通過(guò)調(diào)用對(duì)象的SelectSingleNode以及GetAttribute方法來(lái)獲取該XML文件指定的結(jié)點(diǎn)和屬性值。這樣就可根據(jù)該元素的屬性名稱得到該結(jié)點(diǎn)的屬性以及所包含的子結(jié)點(diǎn)信息。

3）向XML文件中添加數(shù)據(jù)

在向XML文檔中添加新數(shù)據(jù)的時(shí)候，也必須先通過(guò)XmlDocument對(duì)象加載整個(gè)XML文檔。然后調(diào)用SelectSingleNode方法來(lái)獲取根結(jié)點(diǎn)，通過(guò)CreateElement方法創(chuàng)建新的元素，使用CreateAttribute方法創(chuàng)建屬性，用AppendChild將新建的結(jié)點(diǎn)掛接在其他結(jié)點(diǎn)上，通過(guò)SetAttributeNode來(lái)設(shè)置結(jié)點(diǎn)的屬性。完成后，再創(chuàng)建該結(jié)點(diǎn)的子結(jié)點(diǎn)，最后將新創(chuàng)建的結(jié)點(diǎn)掛接到根結(jié)點(diǎn)上，并保存文件，這樣即可向已有的XML文件中加入新的結(jié)點(diǎn)。

2.3 程序界面設(shè)計(jì)

結(jié)合用戶對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面的要求可將界面劃分如下：

1）通道辨識(shí)界面，主要用于顯示接收下位機(jī)通道辨識(shí)得到的濾波器系數(shù)，并以曲線的形式顯示在界面上，并且軟件提供了辨識(shí)系數(shù)保存至本地和本地辨識(shí)系數(shù)下載的功能。此外，界面上留有指定區(qū)域用以顯示下位機(jī)的報(bào)警信息，當(dāng)下位機(jī)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，會(huì)在界面上以紅色標(biāo)出。

2）實(shí)時(shí)曲線界面，用于顯示各個(gè)通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并可選擇將其中4個(gè)通道的數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示在界面上，并且軟件提供了數(shù)據(jù)保存功能，可以一次保存1 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，用于進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析。此外，該界面也留有指定的報(bào)警顯示區(qū)域。

3）參數(shù)配置界面，用于完成下位機(jī)配置信息的下載。打開(kāi)該界面時(shí)，軟件會(huì)讀取下位機(jī)當(dāng)前的配置信息并顯示，辨識(shí)濾波器系數(shù)也會(huì)被讀取，并以曲線的形式顯示在通道辨識(shí)界面上。此外，軟件提供了配置信息保存至本地和本地配置信息下載功能。設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)界面主要功能模塊如圖7所示。

圖 7 系統(tǒng)界面功能模塊圖Fig. 7 System interface function block diagram

3 自適應(yīng)控制算法

圖 8 次級(jí)通道估計(jì)模型計(jì)算流程圖Fig. 8 Secondary channel estimation model calculation flow chart

假定次級(jí)通道的估計(jì)模型為M階的橫向?yàn)V波器，即

則該時(shí)刻的誤差信號(hào)為：

則可將誤差信號(hào)表示為：

根據(jù)梯度下降法，可知控制濾波器權(quán)向量的遞推方程為：

將式（10）代入式（9）得到濾波器權(quán)向量的遞推公式為：

以上即為FxLMS算法，F(xiàn)xLMS算法與LMS算法最大的區(qū)別在于增加了一個(gè)次級(jí)通道來(lái)減小甚至消除功率放放大器、作動(dòng)器等設(shè)備形成的誤差通道所造成的影響。

4 主動(dòng)隔振系統(tǒng)驗(yàn)證

4.1 通信功能驗(yàn)證

在該驗(yàn)證環(huán)節(jié)中，首先配置下位機(jī)，使下位機(jī)共上傳4 800個(gè)數(shù)據(jù)包，且每上傳5個(gè)數(shù)據(jù)包便丟失一個(gè)數(shù)據(jù)包，之后通過(guò)修改數(shù)據(jù)包的上傳時(shí)間間隔，觀察上位機(jī)記錄的丟包次數(shù)和接收到的重發(fā)數(shù)據(jù)包數(shù)，以檢測(cè)通信協(xié)議的可靠性。經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)下位機(jī)上傳時(shí)間間隔在4 ms及以上時(shí)，上位機(jī)收到的總包數(shù)為4 800，記錄的丟包次數(shù)和重發(fā)包數(shù)均為960，此時(shí)協(xié)議可靠。而當(dāng)時(shí)間間隔約為2.6 ms時(shí)，上位機(jī)收到的總包數(shù)為4 607，丟包次數(shù)為1 003，重發(fā)包數(shù)為910，此時(shí)協(xié)議丟包率達(dá)到4%。而下位機(jī)在實(shí)際控制過(guò)程中數(shù)據(jù)包的上傳時(shí)間間隔約為20 ms，因此可以認(rèn)為該通信協(xié)議可靠。

4.2 主動(dòng)隔振系統(tǒng)效果驗(yàn)證

在本驗(yàn)證環(huán)節(jié)中，以控制器輸出的白噪聲作為次級(jí)通道的輸入，利用LMS算法對(duì)次級(jí)通道估計(jì)模型的橫向?yàn)V波器權(quán)向量進(jìn)行更新。并將辨識(shí)得到的次級(jí)通道的估計(jì)模型應(yīng)用到主動(dòng)控制上，進(jìn)行主動(dòng)控制的臺(tái)架試驗(yàn)。首先打開(kāi)功放對(duì)4個(gè)通道依次進(jìn)行辨識(shí)，穩(wěn)定后所得的4個(gè)次級(jí)通道估計(jì)模型的權(quán)向量系數(shù)如圖9所示。

圖 9 次級(jí)通道辨識(shí)結(jié)果Fig. 9 Secondary channel identification results

可以看出辨識(shí)數(shù)據(jù)均逐漸趨于收斂，適合用于主動(dòng)隔振控制。將該組辨識(shí)結(jié)果應(yīng)用于主動(dòng)隔振，所得到的控制數(shù)據(jù)如圖10所示。可以看出控制數(shù)據(jù)平穩(wěn)且峰值適當(dāng)。可認(rèn)為主動(dòng)隔振監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)作良好，無(wú)嚴(yán)重丟包現(xiàn)象，且達(dá)到隔振目的。

5 結(jié) 語(yǔ)

圖 10 控制數(shù)據(jù)Fig. 10 Control data

本文在分析主動(dòng)隔振系統(tǒng)對(duì)于振動(dòng)監(jiān)測(cè)顯示需求的基礎(chǔ)上，運(yùn)用C#語(yǔ)言進(jìn)行上位機(jī)系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)之間的實(shí)時(shí)、可靠的傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)自適應(yīng)主動(dòng)隔振算法進(jìn)行了研究。并在臺(tái)架試驗(yàn)中，上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度較高，同時(shí)取得了較好的主動(dòng)隔振效果。通過(guò)使用此上位機(jī)軟件對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一方面有助于柴油機(jī)主動(dòng)隔振系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，另一方面通過(guò)觀察和分析柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)狀態(tài)的變化，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)甚至預(yù)測(cè)柴油機(jī)可能出現(xiàn)的故障，提高柴油機(jī)運(yùn)行的安全性，同時(shí)也符合智能船舶的發(fā)展理念。本監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法，可為國(guó)內(nèi)柴油機(jī)主動(dòng)隔振系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域提供一定的參考。

此監(jiān)控軟件還有些需要改進(jìn)的方面，例如目前該軟件只能導(dǎo)出短時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，因此在后續(xù)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中可通過(guò)使用數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化等。