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1、 自动舵控制系统设计自动舵是船舶控制系统中不可缺少的重要设备，它可以通过航向设定使船舶行驶更接近直线，从而更节能、更经济。我国在从20世纪70年代就开始自动舵的研究，并取得了一定的成效，但国内自动舵的研究侧重于理论方面，进行算法仿真，很少做出实际产品。迄今为止，国内船舶安装的自动舵基本依赖进口。国内外自动舵的研究概况自70 年代起,国内一些科研院所、高校开展自动舵的理论与开发工作,并取得了不少成果,一些航海仪表厂家也独立或与研究所、高校合作开展了自动舵的试制和生产,其产品以模拟PID 舵为主。目前虽然国产自适应舵已经投入实船使用,但效果并不明显。智能控制舵还处于理论研究阶段,还没有产品化。航迹
2、舵基本上也处于研究阶段,还没有过硬的产品。目前国外市场上有多种成熟的航向舵、航迹舵产品,其控制方法大多为比较成熟的自适应控制,例如日本Tokimec 公司的PR - 8000 系列自适应自动舵、德国Anschuz 公司的NAU TO CONTROL 综合系统中的自动舵、美国Sperry 公司VISION TECHNOLOGY系统中的自适应自动舵等。近几年发展起来的智能控制及其它近代控制在自动舵上应用尚处于方案可行性论证及实验仿真阶段,还有待于进一步工程实现研究。1 自动操舵控制系统的原理及其系统结构自动操舵控制系统是一个双闭环控制系统，其闭环系统框图如图1所示通过磁罗经传感器检测船舶实际航向信
3、号，与给定航向信号做比较，若有偏差即偏航角，由控制器通过PID算法产生偏舵角，根据它与实际舵角比较，得到实际舵角偏差去控制舵，从而改变航向，如此反复，直至实际航向与给定航向信号二者偏差为零。根据自动操舵的原理，开发研制了自动操舵控制系统，其系统结构见图2。2 系统重点模块硬件电路简介21 ARM 控制器简介ARM 控制器是一种32位微处理器，其中ARM LPC2214自带10位高精度的AD转换器、两个串行口、16 K内部RAM、128 K内部FIASH等，其自身所带资源对整个自动操舵控制系统设计来说无需再做外部扩展，并且I PC2214与普通单片机价格相差不多，因此选用了ARM LPC2214
4、做为系统主控制器。22 航向信号处理航向信号包括给定航向信号和实际航向信号，二者之差即偏航角。给定航向信号是由电位器产生的电压信号，电压范围为033 V，对应航向036O。 ，通过ARM 控制器AD通道处理即可。实际航向信号是由磁罗经传感器得到的，但磁罗经测得航向信息只能由目视读取，因此使用了ZCC04型的磁罗经转换器，它能把机械式磁罗经的航向信息转换为数字信号，以485接口半双工方式进行通信默认波特率为4 800 bs。其工作电压为5 V，分辨率为O1。 ，数据输出格式为：$CSHDT，XXX,X,T*hh，其中XXX.X为航向，hh为校验和。例如若收到如下数据，$CSHDT，2371，T
5、*34，说明当前实际航向为2371。 。ZCC04与自动舵控制器接口电路如图3所示。23 舵角信号处理已知偏航角，控制器通过PID算法即可得到偏舵角(即给定舵角)，它与实际舵角相比较，可得到舵角偏差，因此要求舵角偏差，只需测得实际舵角信号即可。而实际舵角信号是通过舵角反馈装置测得的，并以电压信号形式输出，但电压信号不能远传。自行开发了舵角发送装置，通过它把电压信号转换为485信号。因此自动操舵控制系统中只需设计一个485总线接口电路就可实现控制器与实际舵角信号发送装置之间的通信，即可得到实际舵角信号。具体485接口电路参见图3。24 电磁阀驱动电路求得舵角偏差即可进行操舵控制。目前国内船舶主要
6、使用的都是液压舵机系统，因此舵机的控制只需通过控制电磁阀的开闭改变液体流动从而控制舵的运动。控制电磁阀所需驱动电流一般都比较大，而且操舵过程中开关次数比较频繁，若使用继电器控制电磁阀较易损坏，因此我们选用了大电流的M()S管IRF9540N做为控制电磁阀的开关器件。还选用TI P52l做了电气隔离，有效的隔离了电磁阀端引入的干扰信号，图4为控制一路电磁阀的驱动电路。工作原理为：当P02为低电平，Whee1一SteeringR端为24 V，可控制电磁阀线圈得电闭合；反之，P02为高电平，则电磁阀线圈失电打开。3 PID算法应用自动舵的偏舵角和偏航角之间按以下规律实现控制L ：式中： -偏舵角；-
7、偏航角； Kp 比例系数；Kd 微分系数；Ki 积分系数。比例系数Kp随船型、海况等而不同。对万吨船来说，Kp为2 3。 ，即偏航1。时，偏舵角为23。 。比例系数过大或过小，都将会使船舶偏航振幅加大，左右摆动次数增多，因此具体比例系数需根据实际情况进行人工调节。当船舶偏航以后，自动舵使舵叶发生偏舵，将船舶转回到原航向所需时间比较长。在航向自动控制系统中引入了微分环节，保证偏舵速度与偏舵角，从而能较好地克服船舶惯性，提高航向精度。只要调整微分系数Kd，即可实现对船舶回航快速性的调整。船舶航行时，由于受到风、流合差力的作用，或船舶装载的不对称等因素形成一舷持续力矩，使船舶偏航。此时偏航角很小，在
8、舵角灵敏度之内，但这种很小的偏航角将会引起偏航。为此自动舵设置一个积分环节，依靠偏航角的积累值，自动地使舵叶从船首尾线偏转一个角度，从而产生一个恒定的转船力矩，恰好抵消外界的恒定持续力矩的作用，这就是自动舵中积分环节的作用，只要适当调节积分系数K ，即可解决偏航问题。图5是根据在某渔船上试用测得实际数据，通过两条曲线对照说明PID自动舵可以减少船舶振荡次数，提高船舶回航快速性，同时可消除系统静差。因此只要适当调节自动舵面板上的比例、积分、微分等旋钮，即可实现对船舶航向的最佳控制。4 系统软件设计 自动操舵控制系统软件设计思想是控制器通过判断偏航角来控制左打舵或右打舵等，最终实现偏航角为O，具体程序流程图如图6所示。
