船舶自动操舵仪的实现及混合仿真测试（可编辑）

船舶自动操舵仪的实现及混合仿真测试（可编辑） 船舶自动操舵仪的实现及混合仿真测试 密 级 分类号 10151 单位代码 DC U 船舶自动操舵仪的实现及混合仿真测试 张 欣 教授 郭晨 职称 指导教师 大连海事大学 学位授予单位 控制工程 工学硕士 学科 专业 申请学位级别 2013年6月 2013年6月 答辩日期 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 完成日期 答辩委员会主席 IIUIll l Ill II ll[1If[Illl Realizationof 3――0――0――5――0――1―― ShipAutopilot、―，―――Y――，2 andits SimulationTest Hybrid AthesisSubmitted to DalianMaritime University In fulfillmentofthe forthe partial requirements degree of Master0f Engineering by Xin Zhang ontrol C Engineering Thesis GuoChen Supervisor:Professor June，2013 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明:本论文是在导师的指导下，立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 !监魈自动堡艟邀的塞堡区遇金笾真趔达::。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名:j幽久 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即:大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到《中国优秀博硕士 学位论文全文数据库》 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社 、《中国学位论文全 文数据库》 中国科学技术信息研究所 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于: 保密口在 年解密后适用本授权书。 不保密旷 请在以上方框内打。。?，， 导师签名: 论文作者签名:三发饮 日期:b1 中文摘要 摘 要 船舶自动操舵仪是一种典型的船舶自动化系统，研制性能先进具有自主知识 产权的船舶自动操舵仪具有重要意义。 本文以研制船舶自动操舵仪为目标，生成基于单片机的操舵仪控制器，组成 用于模拟测试操舵仪的混合仿真系统，完成实船试验前对于控制器的参数整定和 功能测试，实现缩短研制周期，节约试验经费的目的。在本船舶自动操舵仪半物 理仿真系统中，船舶运动被控对象采用数学建模实现数字仿真，而控制器则采用 实际的控制器进行数据处理和航向控制。 本课题在进行船舶自动操舵仪及测试系统设计时，被控对象的数学模型采用 分离型船舶运动数学模型，即MMG模型。在PC上利用VC++实现了基于MMG 模型的船舶运动数学模型，同时根据IEC61162 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 利用串口接收舵角信号和反馈 船舶航向。并利用VC++可视化与人机交互性强的特点，开发了仿真测试系统，可 在其上面更改船舶参数，观察船舶航向及控制指标。 系统的控制器采用实际工程最常用的单片机进行船舶航向控制，系统控制器 采用真实的控制器不但可以实现对控制作用，也可以验证控制算法的实际工程可 行系和效果。系统控制器在进行航向控制时采用经典的PID控制算法进行控制。 最后对系统功能和各部分分别进行了测试。在测试模型时对其进行了船舶回 转试验和船舶运动z型试验，并 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 了其效果。对控制器进行测试时队其船舶航 向控制性能进行了测试和观察，并在调试PID参数时分别用了三种不同的方式进 行了PID参数整定。最终对整个系统进行了效果测试与分析，达到了预期目标。 关键词:混合仿真;船舶运动数学模型;航向控制;PlD参数整定 英文摘要 Abstract isa automation with Shipautopilottypicalship system， developedindependent intellectual ofadvanced propertyrights performanceshipautopilotsignificance( This forthe instrument paperdevelopedtarget shipautopilot， generatesteering controllerbasedon instrumentfor test of singlechip，steering analogconsistinghybrid simulation real beforethetestcontroller system，forship completed parametertuning andfunctional shorter this simulation testing，achieve developmentcycle(Inhybrid ship motion controlled mathematicalof autopilotsystem，Ship objectsusing modelingdigital controllerthenusestheactualcontrollerfordata simulation，The and processing contr01( heading Whenwe this mathematicalmodelofthecontrolled designautopilotsystem，the modelusesMMG(UseoftheVC++onthePC(based object MMGmodelmotion ship mathematical toIEC61162 model，meanwhile theserial according protocolusing port rudder andthefeedbackreceived angle of signal shipcourse，and VC++development thesimulationtest can of onthis the system(We changeparametersship system，At sametime wecanobservationandcontrolof courseIndicators( ship The controlleruse to microcontrollercontrol this system shipheading(Withdesign Cannot control control Canalso theactual only action;the algorithm verify engineering andeffectivenessofthe usesPIDcontrollertocontr01( feasibility department(Controller variousofthe functionsandtestswerecarriedout(Inthe Finally,the parts system testmodelofa whenitis testand motion Z― test(Effectonthewhole ship tuming ship wastestedand toachievethe system analyzed expectedgoals( modelof Key course Words:Hybridsimulation;Mathematicalship motion;Ship control;PID parametertuning 目录 目录 第1章绪 论………………………………………………………………………… ‘1_ 1(1研究意 义……………………………………………………………………-1_ 1(2研究现 状……………………………………………………………………一1- 1(3课题设计方 案………………………………………………………………-2- 1(4课题主要工 作………………………………………………………………一4- 第2章船舶运动数学模 型…………………………………………………………一5― 2(1船舶运动运动方 程…………………………………………………………(5( 2(1(1船舶运动坐标系的建 立……………………………………………(5( 2(2 MMG模型的各参数计 算…………………………………………………(8( 2(2(1船舶的主动力和力矩计算…………………………………………(9( 2(2(2裸船体上的流体动力的计算………………………………………(9( 2(2(3风、浪、流干扰的数学模型……………………………:………((12― 2(3船舶运动数学模型的程序实现…………………………………………(14( 2(3(1船舶运动模型的系统功能…………………………………………(14( 2(3(2船舶运动数学模型的数字设计实 现……………………………(((15( 2(3(3船舶运动计算机仿真模型的数据通信…………………………(((16( 第3章控制器设 计………………………………………………………………(((18( 3(1控制器的系统设计及设计意 义…………………………………………(19( 3(1(1控制器功能描述……………………………………………………(19( 3(2系统通讯与控制器数据处 理……………………………………………((20( 3(2(1系统通讯方式设计…………………………………………………(20( 3(2(2通讯接口设计………………………………………………………(22( 3(2(3通讯协议与数据格式………………………………………………(23( 3(2(4数据滤波处理………………………………………………………(24( 3(3控制器软件设计及控制算 法……………………………………………((24( 3(3(1控制器软件整体设计与实现……………………………………(((24( 3(3(2船舶航向数字PID控制算法的设计与实现……………………(((26( 3(3(3 PID控制器参数的整 定……………………………………………(28( 1( 3(4控制器硬件设 计…………………………………………………………((3 目录 第4章舶操纵控制性能的仿真测 试……………………………………………(((33― 4(1系统被控对象的测 试……………………………………………………(33( 4(1(1船舶回转测试………………………………………………………(34( 4(1(2船舶Z形实验………………………………………………………一37― 4(2系统控制性能测 试………………………………………………………((40( 第5章总结与展 望………………………………………………………………一43- 5(1总结………………………………………………………………………-43- 5(2展望………………………………………………………………………-43- 参考文 献………………………………………………………………………一45- 致 谢…………………………………………………………………………一48- 船舶自动操舵仪的实现及混合仿真测试 第1章绪论 1(1研究意义 海洋对于一个大国来说具有极具战略意义。纵观最近几个世纪崛起的大国， 都与其海上的强大有关。1890年西点军校出版的《海权对一六六O,一七八三年历 史之影响》更加有利的说明了海洋对于一个国家的战略意义。随着我国综合国力 的显著增强，我国也越来越重视海洋战略了，我国的航运业也在这一时期蓬勃发 展，成为世界海洋强国之一。船舶作为航运的主要运输工具，在此刻就显得极其 重要了。可以毫不夸张的说，一个海洋国家船舶科技的发展就是衡量一个国家综 合国力的重要指标，所以研究船舶极具战略意义。 在船舶中，自动操舵仪系统是控制船舶航向运动的核心，是保证船舶正确行 使的关键。在控制环境复杂多变的海洋中，如何保证船舶自动操舵仪系统的可靠 性与精确性就成为研究的主要内容【l】。 在自动操舵仪系统中被控对象是船舶，但是在研究和试验过程中若以真船作 为研究对象的话，不仅实现有巨大的难度，而且会花费巨大的人力和物力。所以 在对自动操舵仪系统的研究过程中，通过仿真的形式来模拟船舶这个被控对象是 一种有效的研究手段。在本课题中控制器和通讯设备都是实际的MCU，这就形成 了半物理仿真系统。这不仅降低了试验实施的难度，而且使控制器的的设计与使 用更加接近实际。所以本课题的对于研究甚至对国家战略都有着深远的意义。 1(2研究现状 自20世纪七十开始，就有大量的研究人员开始用仿真和模拟的方式来研究 船舶运动控制。目前，对于自动操舵仪的研究主要有三种研究方式【2】:物理仿真研 究、数字仿真研究、数字(物理混合仿真研究。 1 物理仿真研究:通过物理特性类比或大小相似的方法建立系统数学模型进 行研究。 第1章绪论 2 数字仿真研究:根据系统机理特性和数学关系建立数学模型，并利用计算 机将模型进行数字实现方便实验和研究。 3 数字-物理混合仿真研究:将物理仿真中难以仿真和实现的部分用数字仿 真，而将易于实现的部分用几何相似或物理类比方法建立物理模型进行研究。 在我国，利用仿真的方法来研究和测试自动操舵仪的还不是特别多。在20世 纪末，大连海事大学的蒋丹东博士研制了一台可以有效的对航迹控制算法进行仿 真的航迹测试器，就是采用数字(实物混合仿真研究的方法进行设计的。利用该航 迹测试器，这给研究船舶运动控制的学者在来了方便，为研制船 舶自动操舵仪打 下了一个良好的基础。2005年，中国海军工程大学采用数字(物理混合仿真研究的 方法研制了一款自动操舵仪仿真系统。这个系统与蒋丹东博士的自动操舵仪航迹 测试器的显著区别是，该系统中有舵角反馈部分，更加接近实际。目前，这套系 统已经形成产品，而且非常畅销【31，广泛的被船舶研究机构购买进行研究。2011 年大连海事大学船舶自动化与仿真器研究所研制了一套船舶自动舵测试仿真系统。 这个系统也采用了数字(物理混合仿真的方法，此设计是结合硬件在环仿真的思想， 根据实际的系统设计出来的混合仿真系统。目前这套系统被用来训练船员的操舵 技能。 上述三个国内研究实例均为数字(物理混合仿真，这种方式结合了物理仿真和 数字仿真的优势。物理仿真虽然更接近实际的情况，但在研究阶段试验和实现都 较为困难，而且花费通常较大。数字仿真的特点是易于实现，简单方便，试验成 本较低，但其真实性不高。本课题采用的混合仿真【4】对物理仿真与数字仿真进行结 合，使其优劣互补，成为目前广泛采用的仿真方法，并且非常适合研究船舶运动 控Nt引。 1(3课题设计 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 本课题主要采用混合仿真的方式研究船舶自动操舵仪系统。此系统可用来研 究和测试船舶航向控制算法，方便研究人员研究船舶运动控制【45】。系统主要由三 船舶自动操舵仪的实现及混合仿真测试 部分组成:船舶航向输入及显示系统、航向控制器、船舶运动数学模型。其中船 舶航向输入及显示系统用于用户航向的设定和显示，航向控制器主要用来实现船 舶航向控制算法，船舶运动数学模型主要通过数字仿真的方式来模拟船舶的运动【6J。 在整个系统中控制器采用工程中最常用的增其型52单片机作为控制器，这样不但 可以在本系统上研究船舶航向控制算法，而且可以检验船舶运动 控制算法的实际 工程可行性。 图1(1系统框图 1(1 Block Fig SystemDiagram 图1(1就是本设计的系统设计框图。其中船舶航向输入及显示系统是用来让用 户输入航向信息和显示的其位置信息的，主要有两部分组成:罗经转换器、电子 海图显示系统。罗经转换器是用来让用户设定航向信息，并将用户输入的航向信 息转换成国际通用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 格式后用串口RS一485发送给计算机。计算机接受到罗经转 换器的信号后将其显示到电子海图上。 系统中航向控制系统采用嵌入式控制器，实现系统的船舶控制算法。由于此 系统是半物理仿真系统，所以系统被控对象是利用数字仿真的形式来进行研究和 测试的博J。但本系统的控制器任然采用实际的控制器进行控制，这样是为了研究和 检验设计的控制算法在实际当中的控制性能。 本设计主要是研究船舶航向控制算法，在系统中被控对象采用了数字仿真的 形式实现，其船舶运动数学模型采用了MMG模型。这种模型与传统的二级线性 模型相比更加接近于实际，并且具有更高的准确性。模型的数字仿真是用vc++ 第1章绪论 实现的，当模型接受到控制器由串VI发来的舵角信号后输出航向信号，并通过串 口发送给控制器。 1(4课题主要工作 1 结合国内外研究现状，提出本课题的研究和解决方案。 2 设计系统各部分的通讯，以及软硬件链接。 3 研究船舶运动数学模型，将其在VC++上实现，并对模型进行典型测试。 4 设计船舶航向控制器，实现控制算法，并观察不同的控制算法在此系统 上的控制效果。 5 研究PID自整定算法，并将其在系统控制器上实现。 本论文结合参加导师所主持交通运输部交通应用基础研究项目“船舶安全航 行操纵与主推进联合智能控制的研究” 2011(329(225―390 的研究工作完成。 船舶自动操舵仪的实现及混合仿真测试 第2章船舶运动数学模型 船舶运动数学模型化【71是通过数学的表达方式，例如微分方程等数学形式来表 达实际的过程动态的研究方法。通过建立船舶运动数学模型来研究船舶运动控制 是非常重要而且常见的。通过建立船舶运动数学模型，一是可以建立船舶操纵模 拟系统，为研究闭环系统脾liT-厶匕I JB提供一个基本的仿真 平台【9】，二是可以为设计船舶控 制器服务。在本设计中建立船舶运动数学模型就是为设计船舶航向控制器服务的， 建立船舶运动数学模型是本设计成功与否的关键。 由于船舶运动数学建模对研究船舶运动控制非常重要，所以将船舶运动模型 化的研究已经有段历史了。在这个领域内众多学者和研究人员通过机理法对船舶 运动系统进行建模，即利用船舶运动物理规律来进行建模【461。到目前为止，通过 机理法来建立船舶运动数学模型主要有两种学术派别，欧美地区的学派和日本学 派【l…。他们的主要不同主张是建立整体型船舶模型结构和建立分离型船舶模型结 构。欧美的学者主张用整体型船舶模型结构【l?，这种整体型的模型结构是将船舶 各个部分看作是不可分割的整体，即从整体上对船舶的各个受力进行分析【l21。而 主张用分离型船舶模型的日本学者又叫MMG模型学派，他们将船舶在运动过程 中受到的力根据实际情况和物理意义，将其分解到船舶的各个部分【13】。 在本设计中对于船舶运动模型采用分离型船舶模型，即采用MMG模型。通 过采用分离型船舶模型与整体型船舶模型相比其船舶运动模型参数较少，模型与 实船的联系更加紧密，试验测试与仿真更加接近实际情况【141。 2(1船舶运动运动方程 2(1(1船舶运动坐标系的建立 在真实情况下船舶的运动是非常复杂的，通常船舶的运动是6自由度的【7】。在 附体坐标系内考察，这种运动包括跟随3个附体坐标轴的移动及围绕3个附体坐 第3章控制器设计 标轴的转动，附体坐标轴的移动以前进速度U、横漂速度v、起伏速度表述W。而 围绕3个附体坐标轴的转动以艏摇角速度r、横摇角速度P、纵摇角速度q表述。 在通常情况下我们研究船舶运动控制问题时，可以将六自由度的复杂空间的船舶 运动简化成三自由度的运动，即在研究过程中我们考虑船舶的艏摇、横摇、前进 三个运动【15】。下图2(1就给出了船舶运动的平面的坐标系。 Yo 图2(1船舶平面运动坐标系 horizontalcoordinate Fig(2(1Ship moving 船舶在运动当中若以惯性系为参考系则其受到的外力和外 力矩分别为:,、 r0、No。若以附体坐标系为参考系，则其受到的外力和外力矩 可分别表示为:x、 y、?。为了咱们研究方便和易于推导，我们将吧在惯性系中的 外力和外力矩用 附体坐标系中的外力和外力矩表示。 通过图2(1可以推得以下船舶各运动量之间的关系: l Xo Xcos‖一Ysin 2(1 ro Xsin少+Ycosg, 【No N XGo Ucos―vsiny 2(2 sin+vcosg, 圪o U t‖ 厂( 船舶自动操舵仪的实现及混合仿真测试 在式 2(1 和式 2(2 中船舶的重心G坐标用蜀”圪。表示。在附体坐标系下 的船舶重心处速度用U、V分别表示X轴和y轴上的分量，航向角的时间导数为转 艏角速度厂。 我们在做研究时假定船舶是一个刚体，而且水动力与频率无关，水的自由面 做刚性壁处理。则根据刚体质心运动的动量和动量矩定理，忽略船舶的起伏、横 摇及纵摇运动，则船舶的运动可由式 2(3 描述。 mSGo Xo rn圪o ro 2(3 l卿 No 在式 2(3 中，m为船舶质量，乞为船舶刚体绕OZ轴的惯性矩。对式 2(2 两 边同时求导得: ,o ficos 一1l sin沙- usin?,+Vcosy 汐 圪o tisin+fcos少+@cos沙一1，sin缈 沙 2(4 汐 户 将式 2(4 代入式 2(3 可得: l x0 m fi一?矿 cos―m 移+uq sin垆, 2(5 ro m fi一?彦 sin‖+，竹 t+uC, cos沙 【No 乞户 联合式 2(5 和式 2(1 进行整理，得到船舶在附体坐标系中的运动方程: Im fi―vr 彳 m fJ+ur 】， 2(6 【乞户 ?G 本设计是采用MMG分离型船舶建模的思想，将作用于船体的力和力矩分解 为作用在裸船体、桨、舵、风、流上的力和力矩，可由下式表示: 第3章控制器设计 Hq+XR+X ,X X p+Xc。ren:七Xw_啦+X。。e 2(7 】， ,o+‘+匕+圪一，+匕拥d+匕。 ,N NHb七NP七NR七Nc。嘲+NWt岫七NWme 代表着风、浪及流。 再将式 2(6 与式 2(7 联立，就样就得到了三自由度的船舶运动数学模型: Hq+XP七X ,m ft―vr X R+X，(men +Xw哪七Xwme 2(8 m f-，+ur ,o+耳+珞+匕一，+【删+】;:一 VJ NHq+NP+NR七N一嚣nt+Nw艄七N。。e 为了便于把船舶数学模型的试验数据能够应用到实际的船舶中，我们需要对 式 2(8 中的船舶运动参数和水动力导数进行无量纲处理。通常研究船舶运动数学 模型进行无量纲处理时有两种无量纲化标准，一种为美国造船与轮机工程协会 SNAME 于1950年提出的“一撇系统” 16L一种为瑞典船舶研究中心提出的“两 撇系统"四其独到之处是采用与“一撇系统”不同的基本量度单位。本设计选择 “一撇系统’’对其无量纲化。表2(1为其具体标准度量单位。 表2(1一撇系统标准量度单位 Tab(2(1Thestandardmeasurementunitsof primesystem 标准量度单位 质量 线加速度 角速度 角速度 力 力矩 参考面积 1 ， Prime y2fL y Ly2|e !py2fdLd system 二pV2Ld 1_pz2a 2’ 2’ 2 2(2 MMG模型的各参数计算 采用MMG分离型船舶建模的思想，将作用于船体的力和力矩分解为作用 在裸船体、桨、舵、风、流上的力和力矩，可通过式 2(7 表示出来。再将式 2(7 船舶自动操舵仪的实现及混合仿真测试 与船舶运动方程联立就就得到了三自由度的船舶运动数学模型，即式 2(8 。通 过观察式 2(8 可知，要计算基于MMG的船舶运动数学模型，就需要计算分解 在各方向上的作用在裸船体、桨、舵、风、流上的力和力矩。 2(2(1船舶的主动力和力矩计算 在用MMG模型建立的三自由度的船舶运动数学模型中式 2(8 ，凡是含有’P’ 作为下标的都表示螺旋桨的流体动力和力矩，即xP、0和?p。在实际的船舶运 动中‘和?p也是真实存在的，但它与船舶在运动过程中，船体和舵所受的横向力 和横向力矩相比是非常之小的，所以为了以后的计算方便，我们将其忽略不计。 这样就可以得出船舶运动过程中螺旋桨上的力和力矩，可得出式 2(9 为: 14 1一o 册2磷坼 以 耳 0 2(9 up 0 I 式 2(9 中表示海水的密度，螺旋桨直径用DP，巧表示螺旋桨推力系数，厶 为螺旋桨进速系数。tp即为螺旋桨推力减额系数可采用松本公式进行计算。 2(2(2裸船体上的流体动力的计算 根据生产的性质可以将裸船体在运动过程中的力矩和流体动力分解为惯性 流体动力、力矩和粘性类流体动力和力矩。根据这个分析就可以将式 2(8 中含有凰 的想进行分解【191，这样即得式 2(10 为: ,xHo X1+XH 2(10 ,o E+, ,NHo Nl+NH 上式中，下标，代表惯性类、日表示粘性类流体动力和力矩。 在式 2(10 中惯性类力和力矩可由下式表示: 第3章控制器设计 墨 一 mxzi一,w 2(11 E 一 聊，移+朋yUF ?， 一 ，。户+ ，，zJ，一mx uv 其中，mx、my为船舶在x、x轴上的附加质量，厶为绕z轴的附加惯性矩。 将式 2(8 、 2(9 、 2(10 联立，可得: ,tm+m3矗一 m+mP uv XH+XP+XR七X。。'nf七xwt砌+xW。e 2(12 m-I-m， ?+“r ,+耳+匕+艺。一，+匕耐+‰。 【 乞+屯 户 ,+耳+K+?一眦+匕砌+k。 上式中的他、,及厶可由周昭明回归公式【181计算。 对于式 2(10 中如、巧、,的计算，目前在这个领域内主要有两种模型可 用来对其进行估算，分别为井上模型 2(13 和贵岛模型 2(14 。本文采用贵岛模 型对粘性流体动力进行估值。 井上模型 X H X?+X0p+x‖r七X，产 2(13 巧 KV+r，(+甬，IVlV+?l，Iy卜+,I，H，( ?? ?vy+?rr+_，州V+‰V2厂+kw2 贵岛模型 X H X?+x。，+X。yr+X，f 2??14 , Y，v+Yrr+YH，IVIV+,l，Hr+kV2，(+kw2 , MV+?r厂+吖，州V+?i，州r+?wrV2，(+?wrV厂2 下式就是对贵岛模型进行参数计算: 纵向流体动力耳 X 2(15 H X?+X夕+X。yr+X，p 船舶自动操舵仪的实现及混合仿真测试 2(16 耳， 瓦， ““ 一s, Ldm C,u心 式 2(16 中，S为船体浸湿面积，Cf为船舶总阻力系数。 2??17 s:v孤432+0(305L阿,B+O(443B,d,,一0(643Cb 式 2(17 中匕表示设计水线长。 根据船舶阻力理论可得[20】: 2(18 Cf Cs+e+ACAR 其中摩擦阻力系数采用桑海公式估算: 2(19 c， o(4631, 饯 2’6 e利用蓝波一奥芬凯勒图普进行求取，?C么则利用参考文献[17]所提供的相关 计算表格得到。式 2(20 为计算无量纲化的瓦、K、K。 l霸 0(4B,L―O(006L,d。 2(20 霹 1(11C6―0(07 1+0(208r7 一1 m， I群 o(0003L,d。 式 2(21 为计算横向流体动力场的公式: F - 2n",2+1(4CbB,L 1+ 25Cb-2(25 f， 圪 -2(5 1一c: B, 如一o(5 1一 35(7C6B,L一2(5 r’ ， rt_ 0(343Cbdm,B一0(07 1+ 45CbB,L一8(1 f7 Y。’ -5(95 1一G 以,功 1+ 40 1一C6 以,B一2 r’ K:】r 1(5c6a(,B一0(65 1+ 110 1一c: 如,B一9(7 f7 f991、 式 2(22 为计算流体动力矩,的公式: 第3章控制器设计 M’ ―似l一力 M’ - 0(5(4名一‖ 1+四曰,三一3(4 0 虬’ O(唧一G 如,B一0(066 1+ 58 1一G 叱,B一5 力 M’ O(5G曰,三一0(09x1一 30CbB,L一2(6 力 ,’ 一57(5 qS,L 2+18??4 C?,L 一1(6 I+ 3 CbB,L 一1 力 2(22 2(2(3风、浪、流干扰的数学模型 船舶在海洋中航行时肯定会遇到干扰，所以为了尽可能的保证模型的精确性， 必须在对船舶运动进行建模时必须考虑风、浪、流，由此可见研究风、浪、流的 数学模型是非常重要的。 在船舶运动系统中，风力分成了平均风力瓦加d、k。、‰d和脉动风力 o Xw”、w”Nwi。d 平均风力及风力矩可表示为: E加d 1,2 p。UZRAiCwx aR 2(23 瓦砌 1,2 成啡24, , 瓦耐 1,2 poU;AsLoaCw( aR 在式中, , 、, , 、, aR 是相对于轴的压力系数，船舶水线以上的 正投影面积和侧投影面积风别用4与4表示、,为风向角，成为空气的密度，, 代表相对风速。 脉动风力是由大气的湍流造成的，它们被认为是某种白噪声的实现，表达式 如下: 丘加d卜瓯 P(URIC(((，x aR I亭。仃 2(24 瓦砌卜? p。玩I, , lr。仃 矾砌卜皖 p玩I, , (13。仃 船舶自动操舵仪的实现及混合仿真测试浪力可分为两个组成部分:高频的一次力，它是与浪宏观震动运动同步的周期力，幅值可较船舶的推进力或因运动而产生的流体的流体动力高一个数量级，但由于大惯性船舶体的滤波作用，一次力产生的震荡运动 艏摇、横摇等 被限制在允许范围之内;低频的二次力，数量级较小，数值变动缓慢，产生的船位的漂移。波浪对船舶的影响较为复杂，一般仅讨论规则波对船舶运动的影响。波浪对船舶的干扰力和力矩可由下式表示:l?一 2aB sinbsinc s t ,c k。 2aL sinbsinc s t ,b 2(25 【‰ aK B2sinb ccosc-sinc ,c2 一17sinc bcosb―sinb ,b2 孝o 上式中a pg 1一e喇 ,k2;b KL,2sinZ;C KB,2??sinZ:s f 舷(,(动sin wJ ;孝 f 办,2 COS Wet 。对于流对船舶的影响也是非常复杂的，但我们在通常的研究过程中都先假定流是恒定并且非常均匀的。而它对船的影响只是对船舶运动的速度和位置而言，而它对船舶的航向并不会有太大的影响，所以我们在研究过程中暂时将其忽略不计。所以其表达式为:睡芝嚣岩亿26，则船舶运动对地速度在附体标系中可表示为: vU: vrUrq-[-Uc 2(27 其中，q与Vr为船舶运动对水流的相对速度。对该式求导，可得: ::， ,,--(,wc 2(28 第3章控制器设计 2(3船舶运动数学模型的程序实现 本设计是为了方便研究人员对船舶航向控制进行研究而设计的半物理仿真系 统。其中控制器采用实际工程中常用的控制器，而被控对象则采用的是数字仿真。 在本设计中被控对象是船舶，所以为了研究方便和仿真的准确性，采用了MMG 船舶运动数学模型来进行模拟。模型则是通过VC++来具体实现【2l】。 2(3(1船舶运动模型的系统功能 本设计中船舶数学模型是通过计算机来进行仿真，具体实现是在VC++上进行 操作与实现。模型的基本功能如下: 1 模拟被控对象，接受控制发送过来的舵角信号，通过仿真运算输出航向信 号并反馈给控制器。 2 模型系统对数据进行记录和显示，这样可以使用户直观的观察效果【4?。 3 本设计对模型进行了封装H21，生成了动态链接库‘221，这样就可以将船舶 模型运行在不同软件平台上，方便研究人员进行研究。 下图2(2即为承载船舶运动数学模型的软件系统的框图 图2(2船舶运动数学模型的软件系统框图 mathematicalmodelofthesoftware 2(2 motion diagram system Figureship 船舶自动操舵仪的实现及混合仿真测试 2(3(2船舶运动数学模型的数字设计实现 系统的船舶运动模型是通过vc++来设计实现【431，当控制器向被控对象输入舵 角信号时，是通过串口向承载有船舶运动数学模型的计算机发送舵角信号，计算 机则船舶运动数字仿真模型解算航向值，再将输出的航向值通过串口反馈给控制 器。下图2(3为主程序的流程图。 图2(3软件系统设计方案图 Software Fig(2(3 systemdesign 本设计软件部分主界面如图2(4所示，在界面f删上可以显示此刻船舶的舵角和 航向，并显示船舶的航迹图和变化图，这方便研究人员改进船舶模型精度和优化 控制算法。 第3章控制器设计图2(4主界面Fig(2(4Maininterface2(3(3船舶运动计算机仿真模型的数据通信在计算机上船舶运动数学模型接受控制器的舵角信号和向控制器反馈舵角信号都是通过串口进行数据传输。其中数据格式遵守航海仪器通信标准IEC61162协议。在计算机上串口为RS(232接口，在进行系统数据通信时将RS一232转换成RS(485进行传输。下图2(5和2(6分别为船舶计算机仿真模型发送航向信息的程序流程图和接受舵角信号的程序流程图。 船舶自动操舵仪的实现及混合仿真测试 图2(5发送航向程序流程图 The followchartof Fi92(5 sendthecourse 图2(6接收舵角程序流程图 Thefollowchartof Fi92??6 receivetherudder angle 第3章控制器设计 船舶操纵的根本目的其实主要是考虑船舶航行中的经济性和安全性。船舶自 动操舵仪作为船舶航行中的核心设备，其最重要的功能是自动、高精度的控制航 向，确保船舶能够安全准确地抵达目的地【48】。所以对船舶自动操舵仪的研究就显 得意义深重，而对自动操舵仪的研究核心就是研究其控制性能【471。本章将从自动 操舵仪的控制器部分来阐述整个自动操舵仪系统的控制性能【491。 本设计是基于半物理仿真的船舶操舵仪系统，诣在为研究船舶控制的学者和 工程师提供一套验证和测试船舶航向控制算法的平台。本课题设计的船舶操舵仪 系统采用半物理仿真的研究形式对船舶自动操舵仪控制系统进行研究。在系统中 既有数字仿真也有物理仿真，其中控制系统的被控对象在设计过程中采用数字仿 真的形式来模拟其特性。而控制器部分则采用的是实际的控制器来进行控制，这 样就能非常有效的验证设计的控制算法的控制性能和工程实践有效性。 在本课题设计的船舶自动操舵仪控制系统中，被控对象采用的船舶数学模型 是MMG模型，是利用VC++将其实现在PC上，通过这样的方式即方便研究人员 对试验结构进行观测和分析，也方便根据不同的船舶更改模型。系统的控制器采 用的是工程中最通用的51单片机作为核心控制器，控制算法采 用的是自整定PID 智能控制算法【251和PID控制算法【23】。控制器接受信号、发送信号都是通过串1:3进 行的。由于控制器需要和航向设定模块和船舶运动数学模型通讯，所以采用的是 增强型51双串口单片机。图3(1为系统设计框图。下面将着重接受系统控制的设 计与实现。 !燮鍪墨蕉垡塑塞理垄塑鱼堕塞型堕―― ――――――――――――――――――――――――――――――――_―m―――――――日――――――――――――一 懋3。l系缆设乇F框幽 3(1 Block Diagram Fig System 3，1控制器的系统设计及设计意义 本谍题主要设计的是半物理仿真的船舶操麓仪系统，控制器采惑5l单片枧作 为系统的核心控粼器。控制算法采稠常勰PID私囱整定P1D算法【24】分别送行控制。 这样藏健控制算法在实际的控制器上运行，通过这种方式就可以很好的验证控制 算法的实际工程可行性，对勰旃控制砑究人员研究船舶控制具有深远的意义。 3。1。 控制黼动麓描述 系统的控铺嚣主噩作用是进行系统数据通讯和航向控制， 更可以作为验证控 制算法的平台。控制器通过串口接收由系统航向设置系统发送过来的航向信号， 将其与计算机仿冀的嚣艏运动模型输出的菔向信号先进行偏差处理，再进行控制 算法运算输出舵熊，最后传给计算机里的船舶运动数学模型。这就是控制器的整 个处理过程。综匕在系统中控割器主要是进行数据通信和控制，在进行本课题设 计过程当中本设计除了研究航向控制算法外，还诣在为研究人员设计套航扁控 制算法酶验证平台，所以在进行控制设计时利用分层设计的怒想将底爆通讯展与 算法实现层分离开了。这掸就方便r其他人员在此平台上进行控制算法的实现的 验t正，即研究人员不鲻从底层搭建控制器，只需专注与算法实现层即可。下图3+2 即为控制器的设计框黼 第3章控制器设计 算法实现层 舵角输出 航向设定 r J 数据通讯层 图3(2控制器设计框图 3(2Controller designdia舯 Fig 通过图3(2可以看出来，系统控制器在设计当中是被分成两层来分别进行设计， 通过这种设计方式就可以很好的减少了算法实现层与数据通讯层之间的耦合，方 便了以后的研究人员在算法实现层进行控制算法的研究与实现。 数据通讯层主要是与航向设定系统和船舶运动数学模型进行数据通讯，其中 通讯方式采用的是串口通讯。在实际设计时将其像驱动程序一样写在底层，并通 过系统函数来对其进行调用，从而获得数据。算法实现层则可以基本脱离底层硬 件相关的部分，直接从数据通讯层获得数据来进行控制算法运算。利用这种方式 不但可以很好的完成航向控制算法，也可以为其他研究人员提供一个设计与研究 的平台，以下将详细介绍控制器的设计。 3(2系统通讯与控制器数据处理 3(2(1系统通讯方式设计 在本课题设计的基于混合真‘2q的船舶自动操舵仪系统中通讯问题主要存在于 各部分对控制器之间的通讯。首先控制器接受航向设定信号，再将其与船舶运动 数学模型发送过来的航向反馈信号进行控制算法运算，最后输 出舵角信号给船舶 运动模型计算机仿真部分。 系统的被控对象为船舶，其惯性系数较大，所以对系统采样频率要求不高， 并且通过系统设计也可以看出系统通讯的数据量并不是很大，所以在设计过程中 采用简单高效串口进行通刹301。 船舶自动操舵仪的实现及混合仿真测试 在通讯过程中控制器需要两个数据通道来分别进行航向设定、航向反馈以及 所以需要利用继电器或者用增强型的51单片机【27】来进行控制。本人 舵角输出， 在设计过程中考虑到若用继电器切换数据传输通道的话有可能其切换频率跟不上 系统所需的频率，并且过于频繁切换有可能造成继电器损坏，导致系统可靠性降 低。所以本人最终采用增强型5l单片机来作为核心控制器，因为增强型51具有 两个串口可供用户同时使用，这样不仅解决了用继电器频繁切换数据传输通道的 问题，也使得系统设计更加的简化。 在用串口进行数据通信时串口的波特率为4800bps，串口采用RS(485进行数据 传输。RS(485标准采用平衡式发送、差分式接收的数据收发器来驱动总线。与 RS-232相比RS-485接口具有更良好的抗噪声干扰性，并且其传输距离也更长， RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺。在设计是否考虑到在真实船舶设 计过程中有很多其他电气电子设备，所以在设计本课题时采用了RS(485作为串口 通讯接口。由于系统中航向显示及输入系统和船舶模型都是用PC实现的，而PC 其串口为RS-232，所以分别在承载有船舶数学模型的计算机和船舶航向显示和输 入系统的计算机上链接了多串口卡，用于将RS(232转换成RS(485。下图3(3为系 统的通讯示意图。 图3(3系统的通讯示意图 3(3Schematiccommunication Fig system 第3章控制器设计3(2(2通讯接口设计由图3(3可以看出，系统各部分与控制器进行数据通讯，需要进过好几次转换数据转换。在设计中将从计算机出来的RS(232信号通过多串口卡转换成RS(485信号，这是由于RS一232传输速率较低，接口使用一根信号线和一跟信号返回线而构成共地传输的形式，这种信号传递方式就决定了RS(232不能进行较远距离传输在实际工程中只能传15米左右，并且RS(232易产生共模干扰，抗噪能力较弱。考虑到真实的船舶环境，为了是设计的自动操舵仪系统可靠、稳定，所以最终选择RS(485进行通讯。将RS一232转换成RS(485是通过多串口卡进行转换的。图3(4为MOXACP一114型多串口卡[281。图3(4MOXACP-114型多串口卡Fi93(4MOXACP一114Multiportserialcards这种多串口卡给用户提供了四对RS(232和对应的RS一485口，在使用时就可以任选其中一对进行将RS一232信号转换成RS一485信号。将船舶航向输入及显示系统和承载船舶模型的计算机的串口信号进行RS一232,RS一485转换是基于系统通信的可靠性和稳定性的考虑。由于本课题进行设计的船舶自动操舵仪系统的核心控制器采用的是单片机，而单片机它的串口信号是TTL电平，所以当控制器接受信号或对船舶模型发送信号时都需要进行信号转 塑塑塑垫鎏鍪堡塑塞堡墨塑鱼堕塞巡。堕 ―― _―――――――――――――――――――――――――――――――_――_―?*口――――?― _―――――――――――――――一 换，即RS-485与豫。电平之间的转换。 TTL电平与RS(485之间的转换可以通过IM公司生产的差分平衡型收发 的内部集成了一个发送驱动器和一个接受器。483可以达翔的数据传输速率 为250Kbps，是拳双工通讯，通讯状态的转换通过设置接受器使熊信号,RE和驱动 器使能信号DE实现。483的收发器组成的差分平衡系统抗干扰能力强，接受 器司以检测抵达0。2V的信号，熬据传输距离达千米以上，阚此非常适合于本菠计。 3。窆。3遴讯协议与数据格蓑 控制器在与计算机船雕运动数学模型和船舶航向设定模块进行邋讯时采用的 是航海仪器遂信标准IEC61162协议。IEC61162协议是一一个单个发话器，多个收话 器的标潍，栽定了硬件电气特性、数据传输格式、字符及语句四。数据传输形式 采需串行异步形式传输。波特率为4800，无校验，寒个数据位，1个停止位[37』。 以航向数据为例，其摄文格式为: $EEHD’Lxxx。x。T母hh 其*挚$表示报文的开始，HEHD’l、为地址域，表示传递航 向数据。x姒(X为鼗据 域，表示航向的数值。T表示传输数德正确。事表示后面接沟是校验数据，即轴 为校验域，表示校验和，用来验证传输的数据正确，计算方法为从塞后的第一个字 符开始一直到梭验域前的霉为止进行连续异或运算，得到校验域的字符。 为阐车与换行。 例如，经解算出的航向为239(7。，发送给囱动操舵仪的报文应该为: $HEHDT,239。7，T枣20 接收麓确的报文格式为: $FBR，x装。x，RJL*I盘 其中$表示报文的开始，FBR为地址域，表示传递舵角数据，XX(X为数据域， 第3章控制器设计 ――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――一一―― 表示舵角的数值。R表示舵角为右舵，L表示舵角为左舵，11ll为校验域。 为回车与换行。 例如，接收舵角为右舵9(2。，则接收到的报文应该为: 1 $FBR，09(2，R*1 3(2(4数据滤波处理 考虑到船舶在航行中有可能产生的一些干扰和操舵人员进 行急操舵等情况， 为了避免这些情况对控制船舶航向产生影响，控制器在进行控制运算前对数据进 行了一些数字滤波处理，减少外因对船舶运动控制的干扰，提高系统控制精度。 在实际应用中我们所用的滤波方法[3l】很多，在计算机应用高度普及的今天更 有许多新的方法出现，如逻辑判断滤波、中值滤波、均值滤波、加权平均滤波、 众数滤波、一阶滞后滤波、移动滤波、复合滤波等。本设计过程中考虑到船舶航 向变化缓慢的特点和易于实现等因素选择了限幅滤波的方法进行滤波。 限幅滤波是把两次相邻的采集值进行相减，取其差值得绝对值?万，作为比较 依据，如果小于或等于?万，则取此次采样值，如果大于?万，则取前次采样值， 如3(1式所示。 3(1 万:j瓯，f々一瓯一-I手?万 【瓯-”l皖一瓯一，l ?万 3(3控制器软件设计及控制算法 3(3(1控制器软件整体设计与实现 在进行此课题设计时采用的是过程中最常用的51系列单片机STCl2C5A60S2， 选用这种控制器进行控制不但具有较高的可实现性和可靠性，而且其可拓展性也 是较高的。STCl2C5A60S2这是一种增强型51系列单片机，是高速、低功耗、超 抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8―12倍。 采用这种单片机作为系统核心控制器不但实现较为容易而且易于以后对系统进行 升级和改造。利用这款STCl2C5A60S2单片机作为核心控制器，其系统实现较为 简单，编译环境为最常见的keilc，在其上面采用c语言进行开发即可。与