尹文剛

摘 要 本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了操舵控制系統(tǒng)與船舶運(yùn)動(dòng)模型控制為一體的綜合控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)盡可能模擬海上操舵和船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)利用工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、羅經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器、變頻器等硬件設(shè)備搭建了船舶自動(dòng)控制的半實(shí)物仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)的整體運(yùn)行以及模擬船舶的實(shí)際運(yùn)動(dòng)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞 船舶航向控制系統(tǒng) 船舶運(yùn)動(dòng) 船舶轉(zhuǎn)向 物理仿真系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1船舶航向控制系統(tǒng)

1.1船舶舵機(jī)

船舶舵機(jī)是船舶航行的重要設(shè)備，其功能為航向控制，所以又稱(chēng)航向控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由在舵機(jī)艙的舵機(jī)和安裝在駕駛臺(tái)的操舵儀組成，操舵儀是控制機(jī)構(gòu)，舵機(jī)是航向控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。操舵儀主要用于發(fā)送操舵信號(hào)，控制舵機(jī)的運(yùn)行，舵機(jī)用于控制舵葉的轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2陀螺羅經(jīng)

陀螺羅經(jīng)俗稱(chēng)電羅經(jīng)，核心部件是陀螺儀。它是利用陀螺儀的特性，在地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響下，借助于力矩器使陀螺儀主軸自動(dòng)的找北，并精確地跟蹤地理子午面的指北儀器，它可用于指示船舶船首向（航向）和測(cè)定物標(biāo)方位，以及作為方位穩(wěn)定設(shè)備等。

1.3 PI調(diào)節(jié)器原理

PI調(diào)節(jié)器是電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器，在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再數(shù)字離散化，得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。

PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)如下式所示：

WPI（s）=

數(shù)字PI調(diào)節(jié)器有位置式和增量式兩種算法，上式表達(dá)的差分方程為位置式算法，u（k）為第k拍的輸出值。由等號(hào)右側(cè)可以看出，比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過(guò)去所有偏差的積累。

2旋轉(zhuǎn)駕駛臺(tái)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)駕駛臺(tái)硬件系統(tǒng)由自動(dòng)舵、羅經(jīng)和模擬舵機(jī)三部分組成，主要的功能就是根據(jù)羅經(jīng)的航向信號(hào)進(jìn)行操舵控制舵機(jī)舵角的變化，并達(dá)到一定的精度。而控制系統(tǒng)的外部硬件設(shè)計(jì)以工控機(jī)為中心，分別采集來(lái)自羅經(jīng)的航向信號(hào)、模擬舵機(jī)的舵角信號(hào)和車(chē)鐘的航速信號(hào)，輸出轉(zhuǎn)速控制信號(hào)控制變頻器，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬船舶的轉(zhuǎn)向。航向控制系統(tǒng)部分的硬件包括一臺(tái)PT21自動(dòng)舵、一臺(tái)DH-ⅡG型電控羅經(jīng)和一部模擬舵機(jī)，各部分的連接根據(jù)各個(gè)設(shè)備的說(shuō)明書(shū)進(jìn)行連接。

2.1航向控制系統(tǒng)的連接

2.1.1 羅經(jīng)與自動(dòng)舵之間的信號(hào)連接

羅經(jīng)與自動(dòng)舵之間的連接主要用于自動(dòng)舵獲取羅經(jīng)的方位信號(hào)，一方面用于顯示給駕駛員，方便操舵；另一方面用于供給自動(dòng)舵的自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操舵。羅經(jīng)發(fā)送箱發(fā)送的信號(hào)是通過(guò)力矩式自整角機(jī)傳送的，勵(lì)磁繞組公用一套電源，由羅經(jīng)供給，接于R1、R2端子，S1、S2、S3連接三相繞組。

2.1.2自動(dòng)舵與模擬舵機(jī)之間的信號(hào)連接

自動(dòng)舵和模擬舵機(jī)構(gòu)成航向控制系統(tǒng)的主體，PT 21自動(dòng)舵作為控制機(jī)構(gòu)，直接由駕駛員操作，模擬舵機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，受自動(dòng)舵信號(hào)的控制進(jìn)行轉(zhuǎn)舵，控制船舶轉(zhuǎn)向。

2.2數(shù)據(jù)采集信號(hào)線(xiàn)的連接

工控機(jī)采集的信號(hào)包括舵角信號(hào)、車(chē)鐘信號(hào)、航向反饋信號(hào)。通過(guò)PCI-1710U采集卡采集舵角和車(chē)鐘信號(hào)，舵角信號(hào)作為連續(xù)量的模擬信號(hào)采集，而車(chē)鐘信號(hào)以數(shù)字量采集；航向反饋信號(hào)則以RS232通信的方式采集。舵角和車(chē)鐘信號(hào)作為模型解算的輸入信號(hào)，而航向反饋則作為PID算法的反饋。

2.3輸出控制線(xiàn)的接線(xiàn)

采集卡的輸出直接控制變頻器，在接線(xiàn)之前需要對(duì)變頻器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，否則達(dá)不到控制功能，另外兩者之間電平需要匹配。采集卡的模擬輸出接入變頻器的AI1端口，用于控制變頻器的頻率給定。ABB標(biāo)準(zhǔn)下，輸入電壓為0～10V，可以與采集卡直接進(jìn)行匹配連接。

采集卡輸出數(shù)字信號(hào)高電平為5V，而變頻器輸入的數(shù)字信號(hào)電平為24V，需要將其進(jìn)行必要的匹配才可取得相應(yīng)的控制作用。設(shè)計(jì)使用繼電器用于數(shù)字量電平變換，應(yīng)用采集卡數(shù)字輸出的高低電平控制繼電器的通斷，常開(kāi)點(diǎn)作為開(kāi)關(guān)連接變頻器24V電平。

3系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)包括給定讀取、232采集、數(shù)據(jù)處理與控制、采集卡輸出等部分，其中數(shù)據(jù)處理與采集采用了兩種控制思路，達(dá)到兩種不同的控制效果，程序的流程，首先是讀取給定值和RS232的位置信號(hào)，轉(zhuǎn)速給定的讀取作為PID控制函數(shù)的給定值，RS232讀取的位置信號(hào)作為反饋，經(jīng)過(guò)對(duì)兩個(gè)量的差值的PID解算，得到輸出控制信號(hào)，最后調(diào)用數(shù)據(jù)輸出程序?qū)⒖刂菩盘?hào)通過(guò)采集卡輸出出去，控制變頻器的運(yùn)行，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

3.2 00PI數(shù)字調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用c語(yǔ)言進(jìn)行PI數(shù)字調(diào)節(jié)器的編程就是將PI調(diào)節(jié)器的公式進(jìn)行程序化，定義相應(yīng)的變量代表比例系數(shù)、積分系數(shù)，將給定值讀取函數(shù)讀取到的數(shù)據(jù)作為給定值，RS232采集的數(shù)據(jù)作為反饋，兩者進(jìn)行做差既得誤差值，然后帶入到程序編寫(xiě)的PID公式中進(jìn)行運(yùn)算，將結(jié)果回饋到主函數(shù)。

4結(jié)論

航向控制是船舶運(yùn)動(dòng)控制中的最基本的控制，該系統(tǒng)的效果直接決定著船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本文在船舶航向控制系統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，借助于VC++6.0平臺(tái)設(shè)計(jì)一套模擬實(shí)船的船舶運(yùn)動(dòng)控制仿真平臺(tái)。

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