0 引　言

由于机电设备种类以及机电设备数量较多，各个种类设备的控制方法也存在明显差异^[1]。与此同时，海上环境复杂多变，存在诸多的突发情况和干扰因素，因此，导致舰船机电设备控制效果较差^[2]。控制过程中，会发生一定的协调控制误差、驱动系统的执行效率较差，并且远程控制的时效性不理想等情况。因此，在进行机电设备控制时，如何保证机电设备的控制效果和响应效率^[3]，则是舰船机电设备控制过程中的重要内容。为实现机电设备的有效控制，文献[4]以设备的协同分群控制为目标，提出基于蚁群算法的相关控制方法，该方法通过寻优求解获取全局最优解，得出最佳控制结果。但是该方法在控制过程中，舰船在发生明显阶跃的情况下，控制结果的偏差较大。文献[5]以实现机电设备的稳定控制为目标，设计观测器摩擦补偿控制器，依据该控制器观测机电系统内的不确定因素，设计相关的控制律，完成机电系统高精度控制。但是该方法在应用过程中，对于控制指令的响应时间存在延时情况，降低设备的执行效率。

PLC技术也称为可编程逻辑控制器，其属于一种数字运算的电子系统，该控制器内部设有微处理器以及可编程存储器，能够依据应用需求存储相关逻辑运算以及控制等指令^[6]，并可通过数字模拟输入或者输出的方式，实现机电设备的控制。因此，本文为实现机电设备的一体化控制，设计基于PLC技术的舰船机电设备控制系统。

1 舰船机电设备控制系统 1.1 系统总体架构

本文设计基于PLC技术的舰船机电设备控制系统实现舰船机电设备的一体化控制，以此保证机电设备的协调控制效果，降低各个设备的控制响应误差。该系统属于闭环体系，该系统整体分为3个模块，分别是数据采集模块、通信模块以及控制模块，采集模块是利用多源传感器采集舰船机电设备的运行状态数据，并通过通信模块将采集的数据传送至控制模块中，控制模块利用PLC控制器实现机电设备的协调控制，该系统的整体架构如图1所示。

1) 数据采集模块

该模块的主要作用是利用多源传感器获取舰船机电设备运行信息，包含驱动输出信息、设备运行状态、按键信号、开关信息以及阶跃响应数据等；并且该模块中设有暂存数据库，以此保证数据采集的完整性。

2) 通信模块

该模块主要包含CAN现场总线、有线通信协议、CAN通信板卡、综合处理单元等多个部分组成。以此，保证不同状态下的信息传输需求，确保信息传输的实时性，以此提升舰船机电设备的控制的实时性。

3) 控制模块

该模块主要由PLC可编程控制器、通信端口、人机界面等部分组成，通过PLC可编程控制器实现舰船机电设备的一体化协调控制，控制指令则通过PLC输出端子进行发送，各个机电设备则依据控制指令进行控制，并且将控制结果通过人机交互界面进行展示。其中人机界面和PLC可编程控制器之间的连接通过PLC端口完成。

1.2 通信模块结构设计

系统进行舰船机电设备控制过程中，信息混合控制指令的传输均需依据通信模块完成，因此，通信模块的通信效果，对于舰船机电设备的控制效果存在一定影响。为保证较好的通信效果，以现场总线技术为核心，设计通信模块，其结构如图2所示。现场总线技术具有较好的自我修复能力、均衡能力，能够在链路发生异常或者损坏的情况下，进行自我修复，并自主选择最佳的数据传输链路，同时可在极短时间内完成传感器采集数据的备份和传输，保证数据的传出效率。舰船航行过程中，机电设备产生的数据量较大，因此，在设计通信模块过程中，为满足设备的控制需求以及信息交互各个载体的差异，主要设计有线和无线2种通信类型；并且现场总线在设计过程中，为保证不同传感器采集信息的传输效果，设计不同的通信协议机制，以此满足舰船机电设备运行信息的传输和交互需求。除此之外，保证控制指令传输的实时性可可靠性。

1.3 控制模块结构设计 1.3.1 控制模块结构

PLC可编程控制器能够保证各项数据的可靠性和实时性，具有好的动态分析和控制效果。同时，能够高效完成舰船机电设备海量数据的运算。可结合实际控制需求，在控制器内部署不同设备的控制律以控制方法，实现不同机电设备的控制。因此，本文为实现舰船机电设备的一体化协调控制，控制模块以PLC可编程控制器为核心，完成舰船机电设备控制，控制模块结构如图3所示。控制模块是以PLC可编程控制器为核心，其包含微处理器、数字和模拟单位、通信接口、控制指令集、输入输出单元等多个部分组成，以此保证舰船机电设备控制效果。

1.3.2 基于动态矩阵的机电设备控制方法

控制模块为实现舰船机电设备的一体化控制效果，在PLC可编程控制器的微处理器内部署动态矩阵控制方法，该方法具有较好的阶跃控制效果。在进行机电设备控制前，需依据采集的机电设备单位阶跃响应数据为基础，对其阶跃状态进行预测。如果采集的舰船机电设备阶跃采样值用 $ {a_i} = a\left( {iT} \right) $ 表示，其中， $ T $ 表示采样周期， $ i = 1,2,...,n $ 表示机电设备。当机电设备的运行状态不断稳定时，其阶跃响应结果则会在数个采样周期后逐渐稳定；依据采集的机电设备阶跃响应数据构建有限集合 $ \left( {{a_1},{a_2},...,{a_N}} \right) $ ， $ N $ 表示采样周期数量，将 $ \left( {{a_1},{a_2},...,{a_N}} \right) $ 定义为动态矩阵控制方法的模型参数， $ N $ 为该方法的时域。舰船机电设备在运行过程中，运行参数之间会存在一定比例的叠加，因此通过预测后可获取机电设备一体化输出结果的预测；如果机电设备一体化控制增量数量用 $ M $ 表示，初始预测值用 $ {\tilde y_0} $ 表示，则机电设备在未来时刻的输出结果计算公式为：

$ \begin{gathered} {{\tilde y}_M}\left( {t + i\left| t \right.} \right) = \\ {{\tilde y}_0}\left( {t + i\left| t \right.} \right) + \sum\limits_{j = 1}^{\min \left( {M,i} \right)} {{a_i} - j + 1 \times \zeta \left( {t + j - 1} \right)}。\\ \end{gathered} $

(1)

式中： $ t $ 为时刻； $ t + i\left| t \right. $ 为第 $ t + i $ 个设备在 $ t $ 时刻下的预测值； $ \zeta \left( . \right) $ 为控制形式。

为提升舰船机电设备的一体化控制效果，本文对机电设备一体化运行输出预测模型进行优化，其公式为：

$ \min J\left( t \right) = \left\| {{r_p}\left( t \right) - {{\tilde y}_{PM}}\left( t \right)} \right\|_Q^2 + \left\| {{\zeta _M}\left( t \right)} \right\|_R^2 ，$

(2)

$ \left\{ \begin{gathered} Q = {\rm{diag}}\left( {{q_1},{q_2},...,{q_p}} \right) ，\\ R = {\rm{diag}}\left( {{r_1},{r_2},...,{r_p}} \right)。\\ \end{gathered} \right. $

(3)

式中： $ {r_p}\left( t \right) $ 为机电设备一体化运行的期望输出结果； $ p $ 为未来时刻； $ Q $ 为误差权矩阵； $ R $ 为控制权矩阵。

依据式(2)计算控制增量数量为 $ M $ 时，舰船机电设备在未来时刻的输出结果和控制方式之间的关系，其公式为：

$ {\tilde y_{PM}}\left( t \right) = {\tilde y_{P0}}\left( t \right) + {\boldsymbol{W}}\zeta \left( t \right)。$

(4)

式中： $ {\boldsymbol{W}} $ 表示动态矩阵，其表达式为：

$ {\boldsymbol{W}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{w_1}...0} \\ \vdots \\ {{w_M}...{w_1}} \\ {{w_p}...{w_{p - M - 1}}} \end{array}} \right] ，$

(5)

当 $ {\boldsymbol{W}} < 1 $ 时，则动态矩阵收敛。

在控制过程中，为避免控制增量发生突变，影响控制的优化效果，将Q和 ${\boldsymbol{ R}} $ 两个矩阵分别看作是控制和优化时域，基于此舰船机电设备一体化优化控制形式计算公式为：

$ {\zeta _M}\left( t \right) = {\left( {{{\rm{W}}^{\rm{T}}}{\rm{Q}}A + {\rm{R}}} \right)^{ - 1}}{{\rm{W}}^{\rm{T}}}{\rm{Q}}\left[ {{r_p}\left( t \right) - {{\tilde y}_{P0}}\left( t \right)} \right]，$

(6)

依据式(6)可获取 $ M $ 个控制增量的结果，对该公式进行变换后得出：

$ \zeta \left( t \right) = {c^{\rm{T}}}{\zeta _M}\left( t \right) 。$

(7)

式中，c^T为优化参量。

基于上述步骤完成舰船机电设备的一体化优化控制。

2 测试结果与分析

为验证本文系统对于舰船机电设备的控制效果，本文以某运输舰船上的机电设备作为测试对象。该舰船的机电设备包含4台主机，总功率为2 500 kW；1台发电机，功率为25 kW。除此之外，还包含液位系统、舵机系统、火警系统等。

在该舰船的控制中心部署本文系统，在部署过程中，使用的PLC硬件配置参数详情如表1所示。

为验证本文系统在控制过程中网络通信效果，以控制指令的执行时间作为衡量指标，以2种机电设备系统为例，获取本文系统在进行不同数量指令执行时，控制指令的执行时间(应用标准为控制指令执行时间低于0.8μs/条)，测试结果如表2所示。可知，随着控制指令数量的逐渐增加，本文系统应用后，随着控制指令数量的逐渐增加，舰船的驱动系统、舵机系统的指令执行时间均低于0.8μs/条，通信的实时性较好。

为验证本文系统对于机电设备的一体化控制效果，文中采用控制结果的偏离程度作为衡量标准，该指标能够衡量实际控制结果和设定结果之间的偏离程度，其取值范围在0～1之间，其值越小，表示控制效果越佳，该指标的计算公式为：

$ \psi \left( i \right) = \sqrt {\frac{{\displaystyle\sum\limits_{\beta = 1}^N {{x_i}\left( \beta \right) - {x_0}\left( \beta \right)} }}{{N - 1}}}。$

(8)

式中： $ {x_i}\left( \beta \right) $ 为实际控制结果； $ {x_0}\left( \beta \right) $ 为设定的理性控制结果； $ \beta $ 为机电设备控制数据。

依据式(8)计算本文系统在不同的阶跃扰动下，偏离程度的测试结果，如图4所示。可知，在不同的阶跃扰动下，本文系统应用后，能够可靠完成机电设备的一体化控制，并且控制后的偏离程度均在0.052以下。因此，本文系统的控制性能较好，即使机电设备处于阶跃状态下，依旧能够可靠完成机电设备的有效控制。

为直观验证本文系统对于舰船机电设备控制的应用性，获取本文系统应用后舰船的航速控制结果，如图5所示。可知，本文系统应用后，能够实时、高效完成机电设备的一体化控制，舰船的驱动系统在接收控制指令后，能够精准完成舰船航行速度的控制，使舰船的航行控制结果和控制指令结果极为吻合，既使在速度调整情况下，依旧能够快速完成控制指令的响应，完成航行速度控制。

3 结　语

机电设备的控制效果直接影响舰船航行状态，本文为实现舰船机电设备的一体化协调控制效果，提升机电设备的响应效率，设计基于PLC技术的舰船机电设备控制系统。对该系统的应用情况展开相关测试后得出结论，本文系统的通信效果良好，能够高效、实时完成控制指令的传输，并且精准完成机电设备的阶跃控制，满足需求。