航向、航迹自动操舵仪船舵控制系统的研制

航向、航迹自动操舵仪船舵控制系统的研制 第l3卷第3期中国惯性技术2005年6月 文章编号:1005—6734(2o05)o3一o047一O5 航向,航迹自动操舵仪船舵控制系统的研制 周永余,陈永冰,周岗,李文魁 (海军工程大学导航工程系,武汉430033) 摘要:给出了采用数字模拟与物理模拟相结合的方法模拟海上实船环境的航向,航 迹自动操舵 仪船一舵控制系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 和实现途径,并介绍了该控制系统的软件设计.该系 统为航渡任 务的安全,顺利完成提供了有力保障. 关键词:自动操舵仪;罗经航向;模拟航向;模拟舵角;模拟船位 中图分类号:U666.1文献标识码:A DesignandRealizationofRudderControlSystem forShip'SCourseandTrackAutopilot ZHOUYong-yu,CHENYong-bing,ZHOUGang,LIWen-kui (DepartmentofNavigationEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China) Abstract:Thedesignprojectandrealizationapproachtosimulateshipandruddercontrolsystemof course,trackautopilotinrealnavigationenvironmentareintroducedwhichcombinedigital simulationwithphysicalsimulation.Itssoftwaredesignsarealsogiven.Thesystemcanguarantee theaccomplishingnavigationtasksafelyandsuccessfully. Keywords:autopilot;gyrocompasscourse;analogcourse;analogrudder;analogtrace. 0概述 自动操舵仪是现代船舶上不可缺少的导航设备,其主要的功能是自动地,高精度地 保持或改变船 舶的航向,以保证船舶的平时安全航渡和恶劣环境时船舶的避碰.因此,自动操舵仪的性能优劣将直 接关系到船舶航行的安全,并直接影响船舶的生命力【1】. 半个多世纪以来,虽然我国船舶航运的发展规模越来越大,但是船舶自动操舵仪的研制,生产和 维修的调试环境却仍处于20世纪六七十年代的水平.自动操舵仪在工厂的新产品装配后或在修理厂维 修后,按理都应该对自动操舵仪的性能指标在实船环境进行检测,调试,使性能指标满足设计要求, 但实际上很难实现. 自动操舵仪每年都有新产品在制造厂的研制,生产每年都有,自动操舵仪的维修在修理厂也是经 常发生的.但是几十年来在自动操舵仪研制,生产和维修过程中没有一种有效的 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 去实现按实船环 制造厂和维修厂只是采用一种液压装置来模境检测调整自动操舵仪的动态指标. 拟船舶的舵角进行线 路的调试.由于该装置无法反映船舶动态航向的变化,航向或航迹控制电路只能凭经验进行粗调,要 基金项目:国家自然科学基金资助项目(40376011) 收稿日期:2005-03—07 作者简介:周永余(195O一),男,海军工程大学副教授,从事舰船导航和组合导航的教学,科研工作. 48中国惯性技术2005年6月 精确调整控制参数,检验自动舵控制性能,必须出海在实船上进行,遣样需要耗费巨大的人力,物力 和财力,代价非常大,效率很低,严重地影响调试任务的完成.因此研究能逼真地模拟自动操舵仪的 舵机动态舵角的变化与舵角控制下的船舶航向,航迹变化的船一舵控制系统已成为急需解决的课题. 要建立一套能适合陆地使用的航迹,航向自动操舵仪的调试环境,主要解决两个关键问题:一是要 建立从自动操舵仪输出到反馈信号形成过程的一整套数学模型,如电磁阀,电磁球阀,电液伺服阀,轴 向变量泵等的运动模型,舵角一航向运动模型,船位运动模型,风流及海浪干扰模型等,还要考虑船舶 的吨位,吃水,航行速度等因数.建模工作涉及面多,工作量大,计算复杂.二是要解决各环节的动态 运动的模拟方法,尤其是最终反馈到自动操舵仪内部的舵角,航向和位置信号的具体物理实现. 1航向,航迹自动操舵仪实船环境控制系统的基本方案和主要数学模型 1.1基本方案 当自动操舵仪工作时,通过负反馈的控制方式,不断把陀螺罗经送来的船舶的实际航向与设定的 航向值比较,将其差值放大后作为控制信号来控制舵机的转舵,使船舶能自动地保持或改变到给定的 航向上.由于船舶航向的变化由舵角控制,舵角又由自动操舵系统控制,而反馈到自动操舵仪的陀螺 罗经航向又取决于舰船的艏向变化,所以航向自动操舵仪工作时存在包括舵机(舵角),船舶本身 (航向角)在内的两个反馈回路:舵角反馈和航向反馈.对于航迹自动操舵仪,还需构成位置反馈. 由上可见,模拟船一舵实船环境的控制系统,主要涉及两个要素:舵机和船舶本身.由于装在大, 中型船舶上的自动操舵仪的舵机均为液压舵机,对于生产厂家和修理厂不可能配备这样庞大而昂贵的液 压系统;即使配备这样庞大的液压系统,还需作很大的改进才能在实验室作单功能 使用:也可研制一种 小型的液压舵机来模拟实际的液压舵机.但这两种方案有两个共同的缺陷:其一是无法进一步实现对船 舶航向变化的模拟;其二由于现在自动操舵仪品种型号多,船舶的运动参数也不同,机械模拟器只能模 拟一种舵型和船型,因此适用面窄. 路是运用数字模拟和物理模拟相结合的方法一 (系统方案如图l所示),其一是建立在自网二歪至刊薯鲁蓑厂_] 动操舵仪控制下舵叶运动的数学模型及舵叶警一f区——菱塞I 对船舶航向运动控制的数学将采集的_+匝悬f_II船速海浪llL————_一?'l信号模拟f:ll自动操舵仪相关输出的信号, 通过数字模拟I荐毳翥境lI匝亘四—r.1l 彗誓釜船.;l萋lL[二孟至]—}{二是研制适当的外围硬件接口电路,控制部l壁堂墨l一;;u登: 件,以物理模拟的形式控制反馈到自动操舵数字模拟物理模拟 而通过图1数字模拟与物理模拟相结合的系仪的舵角信号和船舶罗经航向信号. 统方案 物理方法使模拟器输出的舵角,航向及船位信号具有和真实设备完全相同的电气特性.采用这样的方 案使得该控制系统具有通用性,可适用于不同的舵机(液压舵机或电动舵机),通过有关参数的装订, 模拟各种吨位,航速的船舶在干扰环境中的运动情况;还兼有模拟,测试,训练等多种功能. 1.2舵角运动模型 设为舵角随动系统的输入控制信号,为实际舵角,为最大舵角,为时间常数.舵机随 动系统可用微分方程表示如下: ? +=(<ax),=ax(>ax)(1) 使用电磁阀控制舵叶液压机构时,控制信号为开关量,其大小可视为恒值.使用电液比例阀控 制液压机构时,在一定的舵角差范围内是线性变化的.使用电磁球阀控制液压机构时,在一定的 舵角差范围内是线性变化的,舵角差超出设定值为恒值. = l(<P0);=0(=0);:一l(>Po)(2) 1.3舵角对航向控制的模型 舵角对航向控制的模型就是船舶艏向与舵角的关系模型.船舶艏向的变化方向及变化速度取 决于舵角,根据不同的海情和船况,人们建立了复杂程度不同的一模型.1957年日本科学家野本 指出…,对航向稳定且在小舵角情况下的船舶,可用二阶方程较好地描述船舶的转艏响应,即: +qo=Kp(3) 为回转性指数,为应舵指数,它们由船舶的方形系数,载重,航速等因数决定.当其中, 参数值已 知时,便可通过采集瞬时舵角求出瞬时航向.对于航向稳定的船舶,在受到风流,浪等外界干扰时, 操舵比较频繁,可考虑用如下关于航向的三阶线性方程(Nomoto模型): +(+)+qo=+KT3(4) 以上方程均在操舵角不大(?15.)的条件下成立.一般情况下,若考虑大舵角和非线性影响及舰 船的不对称因素,由以下三阶和二阶非线性方程确定: +(+)++ergo=+KT3,Tfo++crfo=(5) 式中,为非线性系数. 1.4海浪干扰等效舵角模型 海浪干扰的等效舵角模型由海浪引起的首摇扰动力矩引起的等效舵角可近似认为与波高及 波高的变化率/df有关,即有: =77.sinc.s,77.=+(1一)(0<Pl<1= : c.A+cA: 【_竺二l_二1_竺三二.=__(6) 式中,为航向与浪向的夹角,pl,cl,c2由试验确定.根据海浪形成滤波器及上述波高与力矩的关 系,即可建立海浪与艏摇扰动的数学模型. 1.5船位运动模型 本控制系统为满足航迹自动操舵仪的检测需要,可根据船舶运行参数,显示模拟船位,模拟GPS 定位信号,偏航量等数据,以便为航迹自动操舵仪的提供位置信号. 船位运动模型n为: = VIsint9+sin,=cosO+c.s,=‰+df,:+r(7) 式中,为航向角,为漂移角,为经度,为纬度,为地球卯酉圈曲率半径,RM为地球子午圈曲 5O中国惯性技术2005年6月 2航向,航迹自动操舵仪船一舵控制系统的实现 陀螺罗经航向控制系统,舵角反馈信号控制系统及船位控制信号的输出必须与真实设备有相同的 电气特性.模拟控制系统的基本原理为:采用数字模拟和物理模拟相结合的方法,通过用舵角对船舶 航向影响的数学模型来模拟船舶本体,用舵角随时间变化的运动方程来模拟舵机执行机构对舵角的控 制,用模拟GPS定位信号,偏航量等数据来模拟船舶的位置,并把这三个数学模型纳入闭环系统中, 然后通过采集自动舵的操舵控制输出信号,用数字模拟的方法产生舵角数据,航向 数据和船位数据 (均为数字量),再借助适当的外围接口电路和控制部件,用物理模拟的方法生成舵角反馈信号(模 拟量),航向反馈信号(模拟量)和船位相关信号到自动舵,构成自动舵的舵角,航向及船位三路控 制.这就是船一舵控制系统用数字模拟控制系统和物理模拟控制系统相结合的设计思想. 自动操舵仪船,舵控制系统包括控制计算子系统,信号采集子系统,舵角模拟子系统,航向模拟 子系统,航迹模拟子系统等: 1)控制计算子系统:用于数据装订,综合计算,海浪模拟,综合显示, 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 辨识等. 2)操舵信号智能采集子系统:对于控制电磁阀形式的自动操舵仪,采集自动操舵仪输出的控制电 磁阀的开关信号;对于控制电液阀的自动操舵仪,通过A/D采样电路采集其输出的电平幅值;对于电 数字模块直接采集其控制的舵角信号. 动舵机,采用单片机控制下的轴角. 3)舵角动态模拟子系统:包括舵角指令接收电路,舵角步进电机驱动电路,通过步进电机带动舵 角反馈机构转动,产生电气特性与自动操舵仪实际使用中完全一致的舵角反馈信号,舵角指示信号. 4)罗经航向模拟子系统:包括航向指令接收电路,航向步进电机驱动电路,50Hz航向反馈信号 输出电路,400Hz航向反馈信号输出电路.在实际使用过程中,罗经反馈到自动操舵仪的航向信号是 通过自整角机输出的,因此在本系统中也使用了同样型号的自整角机来输出航向反馈信号,由航向步 进电机来驱动两路自整角机. 5)船位反馈信号模拟子系统:用于计算,串行发送船位,偏航量等数据. 在自动操舵仪船一舵控制系统中,采用了分布式多微机结构体系.如采用一块高速 单片机子系统 控制步进电机驱动自整角机机组的方式模拟陀螺罗经航向,采用另一块高速单片机子系统控制步进电 机驱动自整角机机组的方式模拟舵角反馈信号.舵角信号的计算,航向信号的计算均由工业级主控计 算机完成,通过串行接口与信号采集发送装置通讯.主控计算机完成"数字模拟控制"的功能,根据 有关模型实时计算要产生的舵角,航向,船位,计算的数学模型随舵型,船型的不同而不同.根据精 度要求,数学模型及参数可通过主控计算机上的人机界面输入设定,通过人机界面进行参数装订,自 动操舵仪性能分析,如超调量计算,振荡次数统计等. 该船一舵控制系统中还设计了对各种状态的自检功能,可自动检测模拟器系统内部的主要部件及主 要电路的性能状况是否正常,从而保证了模拟的正确性和可靠性. 3航向,航迹自动操舵仪船—舵控制,系统的软件设计 船一舵控制系统软件由主控制台软件和信号采集发生器的单片机子系统软件构成. 3.1主控台软件 主控台软件在中文WINDOWS200X平台上运行,实现参数装订,计算,显示及对信号采集发生 器的控制.软件使用VB可视化语言编写,主要完成以下任务: 第3期周永余等:航向,航迹自动操舵仪船一舵控制系统的研制5l 1)装订参数:装订船舵参数,船舶航向,航速,海流流向,流速,初始位置等船舶初始运动参 数,海浪干扰参数等. 2)综合计算:根据计算模型计算船舶 舵角,航向,位置及导航参数.计算内容及 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 如图2所示. 运行控制:向信号采集发送装置发送控 制指令,实现对信号采集发送装置的管理. 控制指令包括: 液压机模型Il船—舵参数Il航速fI计划航线设置 舵角计算T+—T__.J船位计算导航计算 电磁阀信号——下一l—l——1一 电液阀信号厅再?JJJ海流干甄 图2主控台综合计算流程图 船位输出 航向输出 舵角输出 自检指令一控制信号采集发送装置进行通讯,信号采集电路,步进电机驱动电路等的自检. 运行指令一向信号采集发送装置发送运行参数并启动控制系统运行,暂停,停止. 辨识指令一控制信号采集发送装置按照辨识自动操舵仪PID参数的要求,产生特定的航向反馈信 号,并采集记录自动操舵仪产生的操舵信号. 3)数据接收:接收由信号采集发送装置送来的舵角或舵机控制信号. 4)分析辨识:根据自动操舵仪的控制效果分析,辨识自动操舵仪的控制参数. 5)记录打印:记录动态模拟过程中船舶舵角,航向,航迹数据,提供打印支持. 6)通讯检查:发送指令给单片机子系统,进行通讯,零位,航向电机转动,舵角电机转动,自动 操舵信号监测等多项检查. 7)综合显示:以数字方式显示各种装订参数,实时运行参数;以图形方式直观地显示舵角变化曲 线,航向变化曲线,船舶航迹曲线,设置的计划航线等;显示各种自检命令及结果. 8)电子海图:在控制台上设计了简化电子海图, 9)联机帮助:在线给出操作指南. 3.2单片机子系统软件 并可方便地设计计划航线及显示模拟航迹. 信号采集发生器中的单片机子系统软件主要完成以下任务: 1)通过串行口接收主控台发出的指令和向主控台发送其需要的有关信号; 2)采集舵角自整角机信号或电磁阀信号,并将之发送给控制台; 3)根据指令实现对自动操舵仪的航向反馈,舵角反馈及舵角指示信号的物 理模拟; 4)对电路及相关各部分进行检测. 单片机子系统软件流程图(如图3所示)主要由复位模块,运行模块,步 进电机驱动模块,通信模块以及检测模块所组成. I初始化l 读开关状态,确定舵型 l复位模块l 1r' 读控制台指令 + 运行模块ll检测模1 ?+ —— 图3单片机子系统 4航向,航迹自动操舵仪船一舵控制系统的主要特点软件总流程图 1)该控制系统可解决在实验室条件下无法对航向,航迹自动操舵仪进行按实船环境调试的难题, 为自动操舵仪的生产,维修,训练提供模拟实船环境的良好平台. 2)该控制系统可实现辩识自动操舵仪的数学模型,为自动操舵仪的生产,维修提供精确的量化数 据,减少维修和调试的盲目性,提高自动操舵仪生产,维修和调试的效率. 3)该控制系统通过装订不同的参数,可方便地模拟出适合不同船型(小型,中型,大型船和超大 油轮等),不同吨位,不同航速及不同海况下的船舶的运动操纵特性,获得不同的参数,使船一舵控制 (下转第55页) 第3期黄磊等:闭环光纤陀螺的输出误差特性研究55 4结论 降低闭环光纤陀螺的前向通道增益l,陀螺模型参数中时间常数随之增大,闭环光纤陀螺的零偏 稳定性随之明显降低.其大致规律为:时间常数减小2N,陀螺的零偏稳定性则减小约?倍. 降低闭环光纤陀螺的前向通道增益l,陀螺模型参数中时间常数随之增大.利用Allan方差分析 出陀螺输出误差特性中的角随机游走,零偏不稳定性及速率漂移斜波在不同程度上均随的增大而降低. 利用闭环光纤陀螺模型参数与输出误差特性之间的规律,有助于针对不同应用领域设计满足不同性 如对快速响应系统要求带宽大则可增加前向增益,同时零偏稳定性能指标的陀螺, 增大;对长时间工作 系统要求低噪声则可降低前向通道增益,使零偏稳定性显着下降. 参考文献: 【1】张树侠,柳贵福.Allan方差法在光纤陀螺随机噪声分析中的应用【J1.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2002. 【2】IEEEStd952—1997.IEEEstandardspecificationformatguideandtestprocedureforsingleaxisinterfermetr icfiberoptic gyros[S]. 【3】张桂才,王巍.光纤陀螺仪【M】.北京:国防工业出版社,1986. (上接第51页) 系统的模拟舵角和模拟航向能逼真地符合船舶在海上航行的真实情况,以满足科 研,生产,维修和检验 自动操舵舵时对实船环境的要求. 4)该控制系统解决了舵角和航向信号的模拟精度n':采用了新技术,新器件,可使舵角和航向步进 电机的步距角达0.045.,而回采航向的精度达0.075.,大大提高了轴角模拟信号的精度. 目前该控制系统已应用到相关制造厂,修理厂,加快制造厂的新产品的研制和生产的进程,保证维 修质量,大大地节约人力和财力,使生产和维修达到一个新的起点,为航行安全提供有力的保障,具有 很大的经济,社会效益. 参考文献: 【1】周永余,高敬东,舰艇自动操舵仪【M】.武汉:海军工程大学出版社,2001:1-20. [2】黄继起.自适应控制理论及其在船舶系统中的应用[MI北京:国防工业出版社,1992:172.176. 【3】周永余,许江宁.舰船导航系统导论【M】,武汉:海军工程大学出版社,2004:25.60. 【4】陈永冰,苏益民,李文魁,等.卡尔曼滤波在罗经航向智能采集中的运用【J】,中国惯性技术,2001,(3):36-40