船舶駕駛臺(tái)式操船模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

郭磊，王丹，刁亮，張成

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船舶駕駛臺(tái)式操船模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

郭磊，王丹，刁亮，張成

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了綜合船舶航向控制與船舶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的半物理實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、自動(dòng)舵機(jī)、羅經(jīng)、變頻器等硬件設(shè)備組成。通過(guò)模型解算得到船舶在各種海況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)PI控制器輸出變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，控制轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤船舶模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以模擬出海上船舶的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為陸上教學(xué)實(shí)習(xí)提供了良好的環(huán)境。

船舶航向控制系統(tǒng) 船舶運(yùn)動(dòng) 半物理實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)

0 引言

航向控制是船舶運(yùn)動(dòng)控制中最基本的控制，自動(dòng)舵和舵機(jī)為航向控制的重要環(huán)節(jié)，自動(dòng)舵的全稱是自動(dòng)操舵儀，其功能是自動(dòng)的、高精度的保持和改變船舶的航向，以保證船舶的正常航行[1]。船舶航行于海面上，其運(yùn)動(dòng)特性會(huì)因航速、水深、載重的不同而發(fā)生變化。除此之外，風(fēng)、流、浪等，也會(huì)影響船舶航向的保持[2]。陸上實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往不會(huì)考慮環(huán)境因素的影響，所以很難模擬出船舶在各種海況下的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，無(wú)法滿足教學(xué)實(shí)習(xí)的要求。為此，本文結(jié)合船舶運(yùn)動(dòng)模型和船舶航向控制設(shè)備，利用船舶模型解算在某一個(gè)實(shí)際海況各種外部因素作用下船舶實(shí)際的轉(zhuǎn)角速率，應(yīng)用PI控制算法輸出控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤船舶模型，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套半物理操船模擬系統(tǒng)[3]。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以真實(shí)地模擬出船舶操舵與轉(zhuǎn)舵的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)作為模擬船舶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的半物理仿真系統(tǒng)，使船電學(xué)生既可以感受操船運(yùn)動(dòng)，又可以了解船舶航向控制的結(jié)構(gòu)，信號(hào)傳輸控制機(jī)理。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)駕駛臺(tái)式操船模擬系統(tǒng)是在傳統(tǒng)船舶航向控制的基礎(chǔ)上增加了船舶運(yùn)動(dòng)模型解算和轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)動(dòng)控制兩部分，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

利用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)模擬船舶，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)模擬船舶的轉(zhuǎn)向，自動(dòng)舵由操船人員操縱，發(fā)出船舶控制信號(hào)，控制船舶舵機(jī)打舵。數(shù)據(jù)采集卡采集當(dāng)前舵角信號(hào)和船速信號(hào)，輸入到船舶運(yùn)動(dòng)模型解算獲得在設(shè)置的海況下船舶實(shí)際的旋轉(zhuǎn)速率，作為轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)動(dòng)控制的給定，232串口讀取羅經(jīng)的航向信號(hào)，計(jì)算獲得實(shí)際旋轉(zhuǎn)速率信號(hào)作為反饋，進(jìn)行PI運(yùn)算，控制變頻器輸出不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，使旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤船舶模型解算結(jié)果。最終形成一套完整的模擬實(shí)船旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的半物理船舶仿真系統(tǒng)，可以模擬不同的海況下相同舵角船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有利于學(xué)生體會(huì)船舶轉(zhuǎn)向和舵角的關(guān)系，提高學(xué)生的技術(shù)水平。

圖1 旋轉(zhuǎn)駕駛臺(tái)式操船模擬系統(tǒng)框圖

2 船舶航向控制

船舶航向控制如圖2所示，主要由自動(dòng)操舵儀和模擬舵機(jī)兩部分組成，自動(dòng)操舵儀通常包括PID舵、自適應(yīng)舵和智能舵三種[4]，此處為PT21型自動(dòng)舵，屬于PID舵；羅經(jīng)為安許茨4型電羅經(jīng)，穩(wěn)定時(shí)間短。左圖中下方為旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，用于模仿船舶轉(zhuǎn)動(dòng)；轉(zhuǎn)臺(tái)上為自動(dòng)舵機(jī)，左右兩側(cè)掛有電羅經(jīng)，隨平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬船艏轉(zhuǎn)向，并顯示船舶當(dāng)前航向。右圖中位于平臺(tái)下方為模擬舵機(jī)，模擬船舶舵機(jī)功能。

圖2 航向控制系統(tǒng)實(shí)物圖

自動(dòng)操舵儀發(fā)出轉(zhuǎn)舵信號(hào)，控制模擬舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)舵角，在船舶航行時(shí)轉(zhuǎn)變船舶運(yùn)動(dòng)方向，自動(dòng)操舵儀按照船舶設(shè)計(jì)要求可以工作在自動(dòng)、隨動(dòng)和應(yīng)急狀態(tài)，并配有兩套控制系統(tǒng)，互為備用。兩個(gè)設(shè)備之間通過(guò)自整角機(jī)進(jìn)行控制信號(hào)的傳遞，舵角反饋信號(hào)由模擬舵機(jī)反饋給自動(dòng)舵，實(shí)行舵角的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)舵角跟蹤自動(dòng)舵機(jī)的給定信號(hào)。模擬舵機(jī)同時(shí)輸出一路實(shí)際舵角信號(hào)接舵角指示器，接線圖如圖3所示。

3 解算控制系統(tǒng)

船舶航向控制與船舶模型的結(jié)合以工控機(jī)為核心[5]，工控機(jī)配套有數(shù)據(jù)采集卡和串口，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和控制信號(hào)的輸出，模擬船舶航速的輸入。工控機(jī)為主要的運(yùn)算和控制設(shè)備，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集車(chē)種信號(hào)和舵角信號(hào)，串口通信獲得來(lái)自羅經(jīng)的船舶實(shí)際航向信號(hào)。經(jīng)過(guò)模型解算和轉(zhuǎn)盤(pán)控制解算后的控制信號(hào)由采集卡輸出至變頻器，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整體的閉環(huán)控制。

圖3 船舶航向控制系統(tǒng)接線圖

3.1 船舶模型

船舶模型主要用于解算船舶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角率，通過(guò)采集船舶舵角信號(hào)和車(chē)鐘信號(hào)，可在設(shè)置的海況下解算獲得接近實(shí)際海況下的船舶轉(zhuǎn)角率，并模擬顯示船舶海上航行的軌跡。

結(jié)合實(shí)船數(shù)據(jù)建立的船舶運(yùn)動(dòng)模型，通過(guò)設(shè)置初始參數(shù)將海風(fēng)、海流、海浪等環(huán)境因素加入到模型中，獲得在不同海況下的船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。模型解算獲得的船舶轉(zhuǎn)角率為給定，串口獲得的船舶實(shí)際航向信號(hào)運(yùn)算得到的船舶實(shí)際轉(zhuǎn)角率為反饋，進(jìn)行PI控制[5]，使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角率跟蹤船舶模型解算的轉(zhuǎn)角率。

船舶系統(tǒng)為大慣性環(huán)節(jié)，所以采樣頻率不用太高，整體工作頻率為4 Hz即可達(dá)到比較理想的效果。同時(shí)為了提高采樣準(zhǔn)確度，采樣的舵角信號(hào)和羅經(jīng)信號(hào)采用均值濾波的方法，同時(shí)為了防止波動(dòng)過(guò)大，設(shè)置有一定的死區(qū)。

3.2 數(shù)字調(diào)節(jié)器

整個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)大慣性環(huán)節(jié)，PI算法即可滿足要求，加入微分環(huán)節(jié)會(huì)增加系統(tǒng)的震蕩，不利于穩(wěn)定運(yùn)行，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[5]，其控制系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖中()對(duì)應(yīng)于船舶模型輸出的轉(zhuǎn)角率給定信號(hào)；()對(duì)應(yīng)變頻器的控制信號(hào)；被控對(duì)象為變頻器驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)（模擬駕駛臺(tái)）；()對(duì)應(yīng)于電羅經(jīng)的航向信號(hào)處理得到的實(shí)際轉(zhuǎn)角率信號(hào)。

圖4 PI控制算法

PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)如下式所示：

若輸入誤差函數(shù)為e(t)，輸出函數(shù)為u(t)，則u(t)和 e(t)關(guān)系的時(shí)域表達(dá)式可寫(xiě)成[6]：

式中：K——比例系數(shù)

K——積分系數(shù)，K=1/τ。

將式轉(zhuǎn)換為差分方程，得到數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的表達(dá)式。其第k怕輸出為

式中：T——采樣周期。

PI調(diào)節(jié)器輸出增量式算法：

增量式算法只需當(dāng)前的和上一排的偏差即可計(jì)算輸出值。增量式PI調(diào)節(jié)器算法為：

增量式算法在程序?qū)崿F(xiàn)中只需多保存上一拍的輸出值就可以了，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且不會(huì)占用太多的存儲(chǔ)空間，易于程序的實(shí)現(xiàn)。

PI控制器的參數(shù)整定采用工程上應(yīng)用較多的試湊法，按照先比例（P），再積分（I）的順序進(jìn)行一步一步地確定。

增大比例系數(shù)K一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有穩(wěn)態(tài)誤差的情況下有利于減小穩(wěn)態(tài)誤差。置調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間T為最大，在比例系數(shù)K按經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的初值條件下，將系統(tǒng)投入運(yùn)行，觀察在一定時(shí)間內(nèi)模型解算的船舶動(dòng)態(tài)與實(shí)際的模擬船動(dòng)態(tài)，適當(dāng)調(diào)節(jié)比例系數(shù)的大小，至兩者跟蹤情況基本一致，超調(diào)小，反應(yīng)快。

增大積分時(shí)間T有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的消除將隨之減慢，引入積分作用（此時(shí)將上述比例系數(shù)設(shè)置為5/6K）。將T由大到小進(jìn)行整定，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差逐漸消除。

經(jīng)過(guò)系數(shù)調(diào)整，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)已經(jīng)較好地跟蹤上了船舶模型解算的船舶動(dòng)態(tài)。船舶運(yùn)行符合實(shí)船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

4 設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果分析

由于設(shè)備的限制，轉(zhuǎn)臺(tái)正方向?yàn)榱_經(jīng)287°方向，因此只能在此基礎(chǔ)上驗(yàn)證設(shè)備的運(yùn)行情況。系統(tǒng)整體運(yùn)行時(shí)船舶轉(zhuǎn)向情況波形如圖5-6所示。

圖5為隨動(dòng)狀態(tài)下，平靜海況與加入海風(fēng)影響的運(yùn)動(dòng)軌跡。左圖為平靜海況下，自動(dòng)舵機(jī)運(yùn)行在左舵5°下船舶轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)；右圖為4級(jí)西北風(fēng)影響下左舵5度運(yùn)動(dòng)軌跡。圖6為系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式下船舶轉(zhuǎn)向的情況，左為隨動(dòng)右舵10°船舶偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，右圖為自動(dòng)狀態(tài)下定航向287°突轉(zhuǎn)307°船舶轉(zhuǎn)向圖。

圖5 平靜海況與海風(fēng)影響海況

作為航向控制系統(tǒng)，船舶自動(dòng)舵工作在自動(dòng)、隨動(dòng)和應(yīng)急三種模式下才可滿足船舶設(shè)計(jì)要求，自動(dòng)和隨動(dòng)為自動(dòng)舵的主要工作模式，應(yīng)急狀態(tài)為粗略控制船舶轉(zhuǎn)向，因此這里主要驗(yàn)證自動(dòng)和隨動(dòng)模式下船舶轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)情況。

比較圖5兩圖可知，在加入西北風(fēng)影響后，船舶有明顯的右偏趨勢(shì)，船舶左轉(zhuǎn)向速率變慢，體現(xiàn)出海風(fēng)的影響；同時(shí)結(jié)合圖6船舶在右舵10°的轉(zhuǎn)向情況，將5°舵與10°舵相比較，10°舵角明顯比5°舵轉(zhuǎn)向要快。

圖6 船舶轉(zhuǎn)向

由圖6可知，自動(dòng)模式下，船舶轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)平滑且較快穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向期間并沒(méi)有較大的超調(diào)，短時(shí)間內(nèi)就穩(wěn)定在了新的給定航向上。從上面兩個(gè)圖可以看出，系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，船舶運(yùn)動(dòng)曲線符合實(shí)船運(yùn)動(dòng)規(guī)律，船舶轉(zhuǎn)向比較平緩，沒(méi)有出現(xiàn)較大的超調(diào)，跟蹤上了船舶設(shè)計(jì)的航向。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了旋轉(zhuǎn)駕駛臺(tái)式操船模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，在此基礎(chǔ)上通過(guò)搭建了硬件平臺(tái)。系統(tǒng)綜合船舶航向控制系統(tǒng)和船舶運(yùn)動(dòng)模型，應(yīng)用工控機(jī)、自動(dòng)舵機(jī)等設(shè)備搭建，詳細(xì)介紹了設(shè)備的連接情況和信號(hào)的作用，PI控制算法的原理和編程機(jī)理，通過(guò)試湊法確定其參數(shù)，并觀察在各種控制狀態(tài)下設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確定航向控制正確。該系統(tǒng)可以模擬不同的海況下船舶的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為學(xué)生操作感受海上船舶運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造了良好的實(shí)習(xí)環(huán)境。

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[2] 羅丹青．船舶物理旋轉(zhuǎn)平臺(tái)及自適應(yīng)舵的設(shè)計(jì)與研究[D]. 大連海事大學(xué), 2010.

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Design and Implementation of Maneuver Simulation System for Ship Bridge

Guo Lei, Wang Dan, Diao Liang, Zhang Cheng

（School of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China）

U666 TP391.9

A

1003-4862（2014）12-0027-04

2014-05-27

受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金（61273137, 51209026, 61074017），遼寧省教育廳（L2013202），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（3132014047, 3132014321）

郭磊（1990-），男，在讀碩士研究生。研究方向：風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制