自動舵控制系統(tǒng)設計

1、自動舵控制系統(tǒng)設計船舶借助螺旋槳的推力和舵力來改變或保持航速和航向，實現(xiàn)從某港出發(fā)按 計劃的航線到達預定的目的港。由此可見，操舵系統(tǒng)是一個重要控制系統(tǒng)，其性 能直接影響著船舶航行的操縱性、經(jīng)濟性和安全性。自動操舵儀是總結(jié)了人的操舵規(guī)律而設計的裝置，是用來控制船舶航向的設備，能使船舶在預定的航向上運行，它能克服使船舶偏離預定航向的各種干擾影響，使船舶自動地穩(wěn)定在預定的航向上運行,是操縱船舶的關(guān)鍵設備。系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對象是船，被調(diào)節(jié)量是航向。 自動舵是一個閉環(huán)系統(tǒng)，它包括：航向給定環(huán)節(jié)； 航向檢測環(huán)節(jié)； 給定航向與實際航向比較環(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 構(gòu)；舵；調(diào)節(jié)對象船；舵角反

2、饋機構(gòu)等。自1922年自動舵問世到今天, 代替人力操舵的自動舵的發(fā)展確實取得了長足的進展, 在相當程度上減少了人力, 節(jié)約了燃料, 降低了機械磨損, 但是距離真正意義上的操舵自動化還有相。當大的距離。一國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自70 年代起,國內(nèi)一些科研院所、高校開展自動舵的理論與開發(fā)工作,并取得了不少成果,一些航海儀表廠家也獨立或與研究所、高校合作開展了自動舵的試制和生產(chǎn),其產(chǎn)品以模擬PID 舵為主。目前雖然國產(chǎn)自適應舵已經(jīng)投入實船使用,但效果并不明顯。智能控制舵還處于理論研究階段,還沒有產(chǎn)品化。航跡舵基本上也處于研究階段,還沒有過硬的產(chǎn)品。目前國外市場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控制,例如日本Tokimec 公司的PR - 8000 系列自適應自動舵、德國Anschuz 公司的NAU TO CONTROL 綜合系統(tǒng)中的自動舵、美國Sperry 公司VISIONTECHNOLOGY系統(tǒng)中的自適應自動舵等。近幾年發(fā)展起來的智能控制及其它近代控制在自動舵上應用尚處于方案可行性論證及實驗仿真階段,還有待于進一步工程實現(xiàn)研究。 我國對自適應舵的研究起步較晚，自80年代以來，有關(guān)單位開展了對自適應舵的研究工作，發(fā)表了一些設計方案，仿真研究結(jié)果和產(chǎn)品。    1980年，南開大學袁著祉、盧桂章老師采用Norrbin性能指標，利用最小方差自校正控

4、制器自適應律設計了船舶航向保持的自適應舵，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，設計了自適應自動舵的軟件，并進行了仿真研究。    1986年，大連海事大學陸樣潤、黃義新老師等人，采用了對偏航速率進行加權(quán)的最小方差自校正控制方案，進行了自適應舵的研制，他們先在實驗室的實時仿真器上進行了聯(lián)機實驗，隨后又在該校的萬噸實習船“育紅”輪上進行了實船海上實驗。試驗結(jié)果表明，該自適應舵比PID舵具有更好的控制效果。    近年來，國內(nèi)的學者對自適應控制的研究也相當活躍，他們在相關(guān)的學術(shù)刊物上發(fā)表了

5、許多研制成果。自適應模糊控制、專家控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的自適應控制也取得很大進展。國內(nèi)外的研究動態(tài)均表明今后的自適應技術(shù)將朝著智能化的方向發(fā)展。 二系統(tǒng)功能自動舵控制系統(tǒng)實現(xiàn)實時綜合數(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),用先進的船舶運動理論、WINDOWS 軟件和多種傳感器硬件,整個系統(tǒng)由工業(yè)標準(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)境預報、衛(wèi)星通訊、自動航行和航跡保持等功能。整個系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu),擴展靈活,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)采用開放式結(jié)構(gòu),硬件和軟件均可升級。系統(tǒng)全部菜單化人界面,采用游戲桿或跟蹤球等進行操作。采用雙羅經(jīng)、雙計算機控制系統(tǒng)配置以提高可靠性和安全性自動舵有智能、自適應和PID 等多種控制模式,有自動、手動、非跟蹤和遙控舵等多種工作模式。航跡舵包括航行計劃、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。航行計劃模塊通過設置轉(zhuǎn)向點編輯航線,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 實時確定船舶實際位置;航向保持模塊自動決定最優(yōu)船首向在轉(zhuǎn)向點處自動改變航向,保持船舶航行。與“航向舵”相比,航跡舵可以實現(xiàn)更精確,更經(jīng)濟的航跡控制。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、速度信號和實際航向信號計算出最佳航向,作為航向舵的設置航向,通過操舵使船舶沿預定航線航行;直接控制的航跡舵根據(jù)船舶本身的數(shù)學模型,計算并控制所需的舵運動,使船舶自動沿著輸入的航跡航行。雷達舵把雷達的顯示功能和航跡舵的控制功能集中在一個控制臺上進行航行計劃、航跡控制和避碰操作,雷達管理系統(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。速度舵通過與主機自動化系統(tǒng)的接口控制船舶的速度,保證在輸入的計劃到達時間內(nèi)到達,同時優(yōu)化燃料消耗。配備電子海圖顯示和信息系統(tǒng)( 簡稱ECDIS) 。ECDIS 最重要的特點是面向?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背景

8、信息。此外,控制臺可把雷達圖象和電子海圖重疊顯示,為船舶的操縱和監(jiān)控提供一個完整而緊湊的系統(tǒng)。中央控制臺按照設備功能集成的原理,把“監(jiān)督(雷達,ECDIS) ”和“控制(航跡舵) ”等集成在一起?？刂婆_可在高分辨率彩色顯示器上顯示所有安全航行和經(jīng)濟操縱所需的重要信息,包括導航信息、主機數(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報、海況、船舶經(jīng)濟性和計劃時間等信息,制定航行策略。氣象數(shù)據(jù)每天更新,為船長提供決策支持。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、受力和受損的風險;能提前警告危險的駕駛環(huán)境,為駕駛者提供航行決策支持;航行優(yōu)化功能,推進效率管理達到節(jié)省燃料的目的。三系統(tǒng)硬件設計可靠的系統(tǒng)硬件是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的保證,在自己沒有很強的設計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,同時為了縮短開發(fā)周期,本系統(tǒng)的設計思想之一是盡可能選用市場上的成型產(chǎn)品,盡量減少自主開發(fā)工作量。另一個設計思想是增強開發(fā)環(huán)境及系統(tǒng)實現(xiàn)的兼容性,即本舵為PC 機全兼容產(chǎn)品,系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺既可為STD及PC/ 104 工控機,亦可為普通PC 機,當然系統(tǒng)亦可用以上任一機種實現(xiàn)。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)航跡自動舵硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中,386/ 486 工

10、控機、電子盤、串行通信卡、VGA 顯示卡等均為市購產(chǎn)品,聯(lián)機仿真及數(shù)據(jù)采集亦通過通用微機完成,只有GPS、舵角及航向信號板以及面板上的狀態(tài)、報警燈及薄膜鍵盤需自主開發(fā)或外加工。系統(tǒng)硬件接口的標準化保證了系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及系統(tǒng)實現(xiàn)的兼容性。由硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出, GPS、舵角及航向信號板均以串行通信方式與主機交換信息,只需配一塊多串口的通信卡,各信號板的串行輸出信號格式均符合NMEA0183 標準。圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2 人機界面設計一個系統(tǒng)人機界面或者說面板的設計歷來在整個系統(tǒng)的設計中占有一定的工作量,而本系統(tǒng)則力圖體現(xiàn)上述設計思想,充分利用工控機系統(tǒng)資源進行設計,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,不自主開發(fā)液晶顯示接口, YG- 602 VGA 彩色液晶顯示器可以設置成任意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發(fā)的工作量,而且為軟件開發(fā)帶來了便利,軟件開發(fā)過程中不僅可以免除設計自主開發(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方面為系統(tǒng)的面世贏得了時間。本系統(tǒng)無需打印,故并行口用來輸出一些狀態(tài)及報警信息并在面板上以L ED 顯示,并行口的輸出信號已經(jīng)鎖

12、存,故只需對信號進行驅(qū)動即可,無需再設置鎖存器用STROBE 信號來鎖存。若8 位不夠用則可采用譯碼方式。采用本設計方案免除了通常情況下需設計數(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,而不是重新設計小鍵盤接口。面板上的薄膜開關(guān)完全按照通用101 鍵盤上所選用的若干個數(shù)字及功能鍵來安排鍵盤矩陣的行列關(guān)系,采用通用的鍵盤管理單片機芯片來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,相對于自主開發(fā)小鍵盤接口來說既廉價又方便。本設計方案同樣為鍵盤管理軟件的設計帶來了便利,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)的開發(fā)、調(diào)試及實現(xiàn)完全可以用任何一種386 以上PC 兼容工控機來完成,作到了開發(fā)環(huán)境及系統(tǒng)實現(xiàn)的兼容性,增強了系統(tǒng)的可靠性,縮短了系統(tǒng)的面世時間。3 GPS 信號板設計盡管GPS 接收機依廠家、型號的不同而不同,但均以串行方式給出信息。本GPS 信號板可以通過跳線設置接收TTL 電平及RS - 232C、RS - 422/ 485 標準的串行信號,選取各GPS 廠家常用的信息字串,通過AT89C2051 單片機處理,刪除大量的冗余信息,獲取船位、航速、航跡偏差等信息,并重新組織成一個字串,定時發(fā)送給主機。4 舵角信號板設計舵角信號板與主機雙向交換信息。主機經(jīng)控制算法計算得出舵令,經(jīng)由串

14、行口送給舵角板,舵角板對舵角進行簡單的PID 控制,控制輸出為TTL 信號,經(jīng)固態(tài)繼電器(SSR) 控制舵機的左右舵電磁閥,以控制舵葉的運動。因舵機廠家的不同,舵機給出的舵角信號有所不同,主要有電位器式及自整角機式兩種,故本舵角板亦設計成可以接收電位器式及自整角機兩種信號,獲取舵角信息,舵角信息經(jīng)串行口送到主機顯示。5 航向信號板設計航向信號板通過接收船用電羅經(jīng)的復示信號獲取航向信息。因電羅經(jīng)型號不同,其復示信號有同步型及步進型之分,二者都有不同的電壓等級之分,如步進型的35V/ 50V/ 70V ,同步型又有不同的角度變換比率,如90X、180X、360X 等。本航向信號板通過跳線的設置及軟

15、件的改變來選擇電羅經(jīng)類型,使得對于不同類型的電羅經(jīng),航向信號板均能接受其復示信號并獲得相對航向信息,經(jīng)與來自主機的初始航向設置信息結(jié)合,通過單片機產(chǎn)生相同格式的字串定時發(fā)送給主機。四控制器設計舵機系統(tǒng)控制器主要由中央控制單元、高速邏輯陣列、功率驅(qū)動電路、三相逆變電路、舵面偏轉(zhuǎn)角度傳感器和保護電路等組成。圖2是某電動舵機系統(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等單片機系統(tǒng)組成78，由于其運算速率較低，處理能力有限，現(xiàn)逐步被數(shù)字信號處理器(DSP)代替，DSP在工作頻率和處理能力上都較單片機優(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。開始應用于舵機控制器的DSP以TMS320LF2407為主，隨著TI公司技術(shù)的不斷升級，高性能的TMS320F2812 DSP越來越被廣泛的應用于舵機控制器。高速邏輯陣列高速邏輯功能如圖3所示。無刷直流電機因其沒有電刷，其換向控制必須由外換相電路來完成。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。基于成本、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現(xiàn)無刷直流電機的換相控制，換相處理時間短，節(jié)省了中央控制單元所占的開銷。高速邏輯陣列將中央控制單元發(fā)送過來的一路PWM信號經(jīng)過邏輯變換成適合于無刷直流電機工作的六路PWM

17、信號，避免了由中央控制單元直接發(fā)送六路PWM信號的問題，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正反轉(zhuǎn)控制和保護功能。當邏輯陣列接收到安全控制指令后，自動屏蔽自動駕駛儀所給的舵偏角控制指令，而執(zhí)行安全指令信號，控制舵面偏向指定的位置并鎖定。當驅(qū)動電路發(fā)生過流和舵偏角超出閾值時邏輯陣列硬件關(guān)斷PWM信號的輸出，直至中央控制單元輸出反轉(zhuǎn)控制信號。舵機工作時，通過對輸入霍爾信號進行邏輯判斷，實時判定電機的工作狀態(tài)并反饋給中央控制單元。舵面偏轉(zhuǎn)角度傳感器舵機系統(tǒng)中舵面偏角的檢測是通過位置傳感器完成的。舵機系統(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，簡單可靠的優(yōu)點，比較適合用作位置檢測。但其輸出是模擬量，需要經(jīng)過調(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)換為與之對應的電脈沖進行輸出，主要用于機械轉(zhuǎn)角位置和轉(zhuǎn)速的檢測與控制，隨著技術(shù)的發(fā)展，其在飛行器上應用越來越廣泛。功率驅(qū)動、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)動電機運行，因此需對其進行功率放大才能使電機正常工作。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。從適用范圍上來看，IGBT適合于較大功率的電機，MOSFET管適合于小功率電機，而IPM模塊則是集成了數(shù)個IGBT并帶有其它功能的智能模塊，體積較大，成本較高。通常情況下舵機選用的功率驅(qū)動、放大電路如圖4所示，功率放大電路由6個MOSFET管組成，驅(qū)動器為IR213x系列三相橋功率驅(qū)動器。控制指令信號由圖2可知，自動駕駛儀給舵機的控制指令、安全指令和偏轉(zhuǎn)角度反饋信號都是模擬量。模擬量雖然連續(xù)好，但極其容易受到干擾，長距離傳輸衰減較大，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，具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其在國外已經(jīng)開始應用于