自動(dòng)舵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、自動(dòng)舵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)船舶借助螺旋槳的推力和舵力來(lái)改變或保持航速和航向，實(shí)現(xiàn)從某港出發(fā)按 計(jì)劃的航線到達(dá)預(yù)定的目的港。由此可見(jiàn)，操舵系統(tǒng)是一個(gè)重要控制系統(tǒng)，其性 能直接影響著船舶航行的操縱性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。自動(dòng)操舵儀是總結(jié)了人的操舵規(guī)律而設(shè)計(jì)的裝置，是用來(lái)控制船舶航向的設(shè)備，能使船舶在預(yù)定的航向上運(yùn)行，它能克服使船舶偏離預(yù)定航向的各種干擾影響，使船舶自動(dòng)地穩(wěn)定在預(yù)定的航向上運(yùn)行,是操縱船舶的關(guān)鍵設(shè)備。系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對(duì)象是船，被調(diào)節(jié)量是航向。 自動(dòng)舵是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，它包括：航向給定環(huán)節(jié)； 航向檢測(cè)環(huán)節(jié)； 給定航向與實(shí)際航向比較環(huán)節(jié)；航向偏差與舵角反饋比較環(huán)節(jié)；控制器；執(zhí)行機(jī) 構(gòu)；舵；調(diào)節(jié)對(duì)象船；舵角反

2、饋機(jī)構(gòu)等。自1922年自動(dòng)舵問(wèn)世到今天, 代替人力操舵的自動(dòng)舵的發(fā)展確實(shí)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展, 在相當(dāng)程度上減少了人力, 節(jié)約了燃料, 降低了機(jī)械磨損, 但是距離真正意義上的操舵自動(dòng)化還有相。當(dāng)大的距離。一國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自70 年代起,國(guó)內(nèi)一些科研院所、高校開(kāi)展自動(dòng)舵的理論與開(kāi)發(fā)工作,并取得了不少成果,一些航海儀表廠家也獨(dú)立或與研究所、高校合作開(kāi)展了自動(dòng)舵的試制和生產(chǎn),其產(chǎn)品以模擬PID 舵為主。目前雖然國(guó)產(chǎn)自適應(yīng)舵已經(jīng)投入實(shí)船使用,但效果并不明顯。智能控制舵還處于理論研究階段,還沒(méi)有產(chǎn)品化。航跡舵基本上也處于研究階段,還沒(méi)有過(guò)硬的產(chǎn)品。目前國(guó)外市場(chǎng)上有多種成熟的航向舵、航跡舵產(chǎn)品,其控制方法大多

3、為比較成熟的自適應(yīng)控制,例如日本Tokimec 公司的PR - 8000 系列自適應(yīng)自動(dòng)舵、德國(guó)Anschuz 公司的NAU TO CONTROL 綜合系統(tǒng)中的自動(dòng)舵、美國(guó)Sperry 公司VISIONTECHNOLOGY系統(tǒng)中的自適應(yīng)自動(dòng)舵等。近幾年發(fā)展起來(lái)的智能控制及其它近代控制在自動(dòng)舵上應(yīng)用尚處于方案可行性論證及實(shí)驗(yàn)仿真階段,還有待于進(jìn)一步工程實(shí)現(xiàn)研究。 我國(guó)對(duì)自適應(yīng)舵的研究起步較晚，自80年代以來(lái)，有關(guān)單位開(kāi)展了對(duì)自適應(yīng)舵的研究工作，發(fā)表了一些設(shè)計(jì)方案，仿真研究結(jié)果和產(chǎn)品。    1980年，南開(kāi)大學(xué)袁著祉、盧桂章老師采用Norrbin性能指標(biāo)，利用最小方差自校正控

4、制器自適應(yīng)律設(shè)計(jì)了船舶航向保持的自適應(yīng)舵，發(fā)表了仿真結(jié)果。    1984年，中船總公司系統(tǒng)工程部林鈞清利用最小方差自校正調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)自動(dòng)舵的軟件，并進(jìn)行了仿真研究。    1986年，大連海事大學(xué)陸樣潤(rùn)、黃義新老師等人，采用了對(duì)偏航速率進(jìn)行加權(quán)的最小方差自校正控制方案，進(jìn)行了自適應(yīng)舵的研制，他們先在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)仿真器上進(jìn)行了聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)，隨后又在該校的萬(wàn)噸實(shí)習(xí)船“育紅”輪上進(jìn)行了實(shí)船海上實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該自適應(yīng)舵比PID舵具有更好的控制效果。    近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的學(xué)者對(duì)自適應(yīng)控制的研究也相當(dāng)活躍，他們?cè)谙嚓P(guān)的學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了

5、許多研制成果。自適應(yīng)模糊控制、專家控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)控制也取得很大進(jìn)展。國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)均表明今后的自適應(yīng)技術(shù)將朝著智能化的方向發(fā)展。 二系統(tǒng)功能自動(dòng)舵控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)綜合數(shù)據(jù)船橋系統(tǒng)功能。此系統(tǒng)是一種航行、控制、通訊和監(jiān)控綜合系統(tǒng),用先進(jìn)的船舶運(yùn)動(dòng)理論、WINDOWS 軟件和多種傳感器硬件,整個(gè)系統(tǒng)由工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(以太網(wǎng)) 局域網(wǎng)LAN 把各子系統(tǒng)連在一起,將航行和控制系統(tǒng)與決策支持系統(tǒng)結(jié)合,包括海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、衛(wèi)星通訊、自動(dòng)航行和航跡保持等功能。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu),擴(kuò)展靈活,可以根據(jù)用戶要求,選配航向或航跡控制模塊,還可選配氣象站、氣象航行計(jì)劃和航行優(yōu)化等模塊。以滿足用戶的不同需求。

6、系統(tǒng)采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu),硬件和軟件均可升級(jí)。系統(tǒng)全部菜單化人界面,采用游戲桿或跟蹤球等進(jìn)行操作。采用雙羅經(jīng)、雙計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)配置以提高可靠性和安全性自動(dòng)舵有智能、自適應(yīng)和PID 等多種控制模式,有自動(dòng)、手動(dòng)、非跟蹤和遙控舵等多種工作模式。航跡舵包括航行計(jì)劃、定位和航向保持等功能模塊,有狹窄水域和寬闊水域兩種航行模式。航行計(jì)劃模塊通過(guò)設(shè)置轉(zhuǎn)向點(diǎn)編輯航線,有恒向線航行、大圓航行和混合大圓航行3 種方式;定位模塊用GPS 實(shí)時(shí)確定船舶實(shí)際位置;航向保持模塊自動(dòng)決定最優(yōu)船首向在轉(zhuǎn)向點(diǎn)處自動(dòng)改變航向,保持船舶航行。與“航向舵”相比,航跡舵可以實(shí)現(xiàn)更精確,更經(jīng)濟(jì)的航跡控制。航跡舵有直接和間接兩種控制模式。間接

7、控制的航跡舵根據(jù)航跡偏差信號(hào)、速度信號(hào)和實(shí)際航向信號(hào)計(jì)算出最佳航向,作為航向舵的設(shè)置航向,通過(guò)操舵使船舶沿預(yù)定航線航行;直接控制的航跡舵根據(jù)船舶本身的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算并控制所需的舵運(yùn)動(dòng),使船舶自動(dòng)沿著輸入的航跡航行。雷達(dá)舵把雷達(dá)的顯示功能和航跡舵的控制功能集中在一個(gè)控制臺(tái)上進(jìn)行航行計(jì)劃、航跡控制和避碰操作,雷達(dá)管理系統(tǒng)采用高分辨率大屏幕彩色顯示器,觸摸式屏幕或跟蹤球操作。速度舵通過(guò)與主機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的接口控制船舶的速度,保證在輸入的計(jì)劃到達(dá)時(shí)間內(nèi)到達(dá),同時(shí)優(yōu)化燃料消耗。配備電子海圖顯示和信息系統(tǒng)( 簡(jiǎn)稱ECDIS) 。ECDIS 最重要的特點(diǎn)是面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu),使得它可以提取海圖上任何部分的詳細(xì)背景

8、信息。此外,控制臺(tái)可把雷達(dá)圖象和電子海圖重疊顯示,為船舶的操縱和監(jiān)控提供一個(gè)完整而緊湊的系統(tǒng)。中央控制臺(tái)按照設(shè)備功能集成的原理,把“監(jiān)督(雷達(dá),ECDIS) ”和“控制(航跡舵) ”等集成在一起?？刂婆_(tái)可在高分辨率彩色顯示器上顯示所有安全航行和經(jīng)濟(jì)操縱所需的重要信息,包括導(dǎo)航信息、主機(jī)數(shù)據(jù)和有關(guān)速度及燃料消耗的信息。另外,特別顯示幫助船舶在港口中的操縱,例如入塢和靠泊顯示。航行優(yōu)化和安全系統(tǒng)。它綜合幾天的天氣預(yù)報(bào)、海況、船舶經(jīng)濟(jì)性和計(jì)劃時(shí)間等信息,制定航行策略。氣象數(shù)據(jù)每天更新,為船長(zhǎng)提供決策支持。具有惡劣天氣下的事故避免和船舶駕駛決策支持功能;利用專家系統(tǒng)提供最佳速度和航向的建議,以減小船體

9、受力和受損的風(fēng)險(xiǎn);能提前警告危險(xiǎn)的駕駛環(huán)境,為駕駛者提供航行決策支持;航行優(yōu)化功能,推進(jìn)效率管理達(dá)到節(jié)省燃料的目的。三系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)可靠的系統(tǒng)硬件是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的保證,在自己沒(méi)有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)加工能力及很高的工藝水平的情況下,為了保證系統(tǒng)硬件的可靠性,同時(shí)為了縮短開(kāi)發(fā)周期,本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想之一是盡可能選用市場(chǎng)上的成型產(chǎn)品,盡量減少自主開(kāi)發(fā)工作量。另一個(gè)設(shè)計(jì)思想是增強(qiáng)開(kāi)發(fā)環(huán)境及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的兼容性,即本舵為PC 機(jī)全兼容產(chǎn)品,系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)既可為STD及PC/ 104 工控機(jī),亦可為普通PC 機(jī),當(dāng)然系統(tǒng)亦可用以上任一機(jī)種實(shí)現(xiàn)。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)航跡自動(dòng)舵硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中,386/ 486 工

10、控機(jī)、電子盤、串行通信卡、VGA 顯示卡等均為市購(gòu)產(chǎn)品,聯(lián)機(jī)仿真及數(shù)據(jù)采集亦通過(guò)通用微機(jī)完成,只有GPS、舵角及航向信號(hào)板以及面板上的狀態(tài)、報(bào)警燈及薄膜鍵盤需自主開(kāi)發(fā)或外加工。系統(tǒng)硬件接口的標(biāo)準(zhǔn)化保證了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的兼容性。由硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出, GPS、舵角及航向信號(hào)板均以串行通信方式與主機(jī)交換信息,只需配一塊多串口的通信卡,各信號(hào)板的串行輸出信號(hào)格式均符合NMEA0183 標(biāo)準(zhǔn)。圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)人機(jī)界面或者說(shuō)面板的設(shè)計(jì)歷來(lái)在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中占有一定的工作量,而本系統(tǒng)則力圖體現(xiàn)上述設(shè)計(jì)思想,充分利用工控機(jī)系統(tǒng)資源進(jìn)行設(shè)計(jì),既減少了工作量、提高了可靠

11、性,又保證了系統(tǒng)的兼容性。顯示部分選用VGA 兼容的液晶顯示器,不自主開(kāi)發(fā)液晶顯示接口, YG- 602 VGA 彩色液晶顯示器可以設(shè)置成任意1/ 4 屏顯示或全屏壓縮顯示,電源為單+ 12V 供電,信號(hào)線直接插到主板或VGA 顯卡的VGA 接口。利用市售的VGA 兼容液晶顯示器不僅減少了硬件開(kāi)發(fā)的工作量,而且為軟件開(kāi)發(fā)帶來(lái)了便利,軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中不僅可以免除設(shè)計(jì)自主開(kāi)發(fā)液晶顯示接口所需的顯示軟件模塊,而且可以充分利用BIOS 及DOS 的中斷調(diào)用,如此從硬件及軟件兩個(gè)方面為系統(tǒng)的面世贏得了時(shí)間。本系統(tǒng)無(wú)需打印,故并行口用來(lái)輸出一些狀態(tài)及報(bào)警信息并在面板上以L ED 顯示,并行口的輸出信號(hào)已經(jīng)鎖

12、存,故只需對(duì)信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)即可,無(wú)需再設(shè)置鎖存器用STROBE 信號(hào)來(lái)鎖存。若8 位不夠用則可采用譯碼方式。采用本設(shè)計(jì)方案免除了通常情況下需設(shè)計(jì)數(shù)字I/ O 接口板的工作,同樣是增加了可靠性、兼容性,減少了工作量。鍵盤的處理則利用了主板的通用鍵盤接口,而不是重新設(shè)計(jì)小鍵盤接口。面板上的薄膜開(kāi)關(guān)完全按照通用101 鍵盤上所選用的若干個(gè)數(shù)字及功能鍵來(lái)安排鍵盤矩陣的行列關(guān)系,采用通用的鍵盤管理單片機(jī)芯片來(lái)管理鍵盤并與主板接口,或直接拆下101 鍵盤內(nèi)線路板加以利用,相對(duì)于自主開(kāi)發(fā)小鍵盤接口來(lái)說(shuō)既廉價(jià)又方便。本設(shè)計(jì)方案同樣為鍵盤管理軟件的設(shè)計(jì)帶來(lái)了便利,具有上述二者相同的優(yōu)越性。基于以上所述處理方法,使

13、得系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、調(diào)試及實(shí)現(xiàn)完全可以用任何一種386 以上PC 兼容工控機(jī)來(lái)完成,作到了開(kāi)發(fā)環(huán)境及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的兼容性,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性,縮短了系統(tǒng)的面世時(shí)間。3 GPS 信號(hào)板設(shè)計(jì)盡管GPS 接收機(jī)依廠家、型號(hào)的不同而不同,但均以串行方式給出信息。本GPS 信號(hào)板可以通過(guò)跳線設(shè)置接收TTL 電平及RS - 232C、RS - 422/ 485 標(biāo)準(zhǔn)的串行信號(hào),選取各GPS 廠家常用的信息字串,通過(guò)AT89C2051 單片機(jī)處理,刪除大量的冗余信息,獲取船位、航速、航跡偏差等信息,并重新組織成一個(gè)字串,定時(shí)發(fā)送給主機(jī)。4 舵角信號(hào)板設(shè)計(jì)舵角信號(hào)板與主機(jī)雙向交換信息。主機(jī)經(jīng)控制算法計(jì)算得出舵令,經(jīng)由串

14、行口送給舵角板,舵角板對(duì)舵角進(jìn)行簡(jiǎn)單的PID 控制,控制輸出為TTL 信號(hào),經(jīng)固態(tài)繼電器(SSR) 控制舵機(jī)的左右舵電磁閥,以控制舵葉的運(yùn)動(dòng)。因舵機(jī)廠家的不同,舵機(jī)給出的舵角信號(hào)有所不同,主要有電位器式及自整角機(jī)式兩種,故本舵角板亦設(shè)計(jì)成可以接收電位器式及自整角機(jī)兩種信號(hào),獲取舵角信息,舵角信息經(jīng)串行口送到主機(jī)顯示。5 航向信號(hào)板設(shè)計(jì)航向信號(hào)板通過(guò)接收船用電羅經(jīng)的復(fù)示信號(hào)獲取航向信息。因電羅經(jīng)型號(hào)不同,其復(fù)示信號(hào)有同步型及步進(jìn)型之分,二者都有不同的電壓等級(jí)之分,如步進(jìn)型的35V/ 50V/ 70V ,同步型又有不同的角度變換比率,如90X、180X、360X 等。本航向信號(hào)板通過(guò)跳線的設(shè)置及軟

15、件的改變來(lái)選擇電羅經(jīng)類型,使得對(duì)于不同類型的電羅經(jīng),航向信號(hào)板均能接受其復(fù)示信號(hào)并獲得相對(duì)航向信息,經(jīng)與來(lái)自主機(jī)的初始航向設(shè)置信息結(jié)合,通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生相同格式的字串定時(shí)發(fā)送給主機(jī)。四控制器設(shè)計(jì)舵機(jī)系統(tǒng)控制器主要由中央控制單元、高速邏輯陣列、功率驅(qū)動(dòng)電路、三相逆變電路、舵面偏轉(zhuǎn)角度傳感器和保護(hù)電路等組成。圖2是某電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)控制器原理圖。中央控制單元早期的中央控制單元主要是由80C51或89C196K等單片機(jī)系統(tǒng)組成78，由于其運(yùn)算速率較低，處理能力有限，現(xiàn)逐步被數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)代替，DSP在工作頻率和處理能力上都較單片機(jī)優(yōu)越。其中以德克薩斯公司的TMS320系列為代表，DSP芯片已發(fā)展

16、成系列產(chǎn)品。開(kāi)始應(yīng)用于舵機(jī)控制器的DSP以TMS320LF2407為主，隨著TI公司技術(shù)的不斷升級(jí)，高性能的TMS320F2812 DSP越來(lái)越被廣泛的應(yīng)用于舵機(jī)控制器。高速邏輯陣列高速邏輯功能如圖3所示。無(wú)刷直流電機(jī)因其沒(méi)有電刷，其換向控制必須由外換相電路來(lái)完成。換相電路可以是由分立的邏輯芯片組成的邏輯電路、中央控制單元或者邏輯陣列?；诔杀?、可靠性和處理速度等因素的考慮，選擇高速邏輯陣列較為合適。高速邏輯陣列用硬件的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的換相控制，換相處理時(shí)間短，節(jié)省了中央控制單元所占的開(kāi)銷。高速邏輯陣列將中央控制單元發(fā)送過(guò)來(lái)的一路PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯變換成適合于無(wú)刷直流電機(jī)工作的六路PWM

17、信號(hào)，避免了由中央控制單元直接發(fā)送六路PWM信號(hào)的問(wèn)題，為中央控制單元節(jié)約了寶貴的軟硬件資源。此外，高速邏輯陣列還具有電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制和保護(hù)功能。當(dāng)邏輯陣列接收到安全控制指令后，自動(dòng)屏蔽自動(dòng)駕駛儀所給的舵偏角控制指令，而執(zhí)行安全指令信號(hào)，控制舵面偏向指定的位置并鎖定。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生過(guò)流和舵偏角超出閾值時(shí)邏輯陣列硬件關(guān)斷PWM信號(hào)的輸出，直至中央控制單元輸出反轉(zhuǎn)控制信號(hào)。舵機(jī)工作時(shí)，通過(guò)對(duì)輸入霍爾信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，實(shí)時(shí)判定電機(jī)的工作狀態(tài)并反饋給中央控制單元。舵面偏轉(zhuǎn)角度傳感器舵機(jī)系統(tǒng)中舵面偏角的檢測(cè)是通過(guò)位置傳感器完成的。舵機(jī)系統(tǒng)中位置傳感器較多采用的是線性電位器。電位器具有體積小，精度高，線性度

18、較好，簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)，比較適合用作位置檢測(cè)。但其輸出是模擬量，需要經(jīng)過(guò)調(diào)理電路才能送入AD采集單元，AD的分辨率和系統(tǒng)中的噪聲將直接影響偏角的檢測(cè)精度。光電編碼器是一種數(shù)字式角度傳感器，它能將角位移量轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的電脈沖進(jìn)行輸出，主要用于機(jī)械轉(zhuǎn)角位置和轉(zhuǎn)速的檢測(cè)與控制，隨著技術(shù)的發(fā)展，其在飛行器上應(yīng)用越來(lái)越廣泛。功率驅(qū)動(dòng)、放大電路邏輯器件輸出的邏輯電平一般情況下不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，因此需對(duì)其進(jìn)行功率放大才能使電機(jī)正常工作。常用的功率放大器件有IGBT和MOSFET管，以及近幾年出現(xiàn)的智能IPM模塊。從適用范圍上來(lái)看，IGBT適合于較大功率的電機(jī)，MOSFET管適合于小功率電機(jī)，而IPM模塊則是集成了數(shù)個(gè)IGBT并帶有其它功能的智能模塊，體積較大，成本較高。通常情況下舵機(jī)選用的功率驅(qū)動(dòng)、放大電路如圖4所示，功率放大電路由6個(gè)MOSFET管組成，驅(qū)動(dòng)器為IR213x系列三相橋功率驅(qū)動(dòng)器?？刂浦噶钚盘?hào)由圖2可知，自動(dòng)駕駛儀給舵機(jī)的控制指令、安全指令和偏轉(zhuǎn)角度反饋信號(hào)都是模擬量。模擬量雖然連續(xù)好，但極其容易受到干擾，長(zhǎng)距離傳輸衰減較大，降低了系統(tǒng)的可靠性。CAN(Controller Area Net)屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其在國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于