自动舵控制系统设计
船舶借助螺旋桨的推力和舵力来改变或保持航速和航向，实现从某港出发按 计划的航线到达预定的目的港。由此可见，操舵系统是一个重要控制系统，其性 能直接影响着船舶航行的操纵性、经济性和安全性。自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置，是用来控制船舶航向的设备，能使船舶在预定的航向上运行，它能克服使船舶偏离预定航向的各种干扰影响，使船舶自动地稳定在预定的航向上运行,是操纵船舶的关键设备。系统的调节对象是船，被调节量是航向。 自动舵是一个闭环系统，它包括：航向给定环节； 航向检测环节； 给定航向与实际航向比较环节；航向偏差与舵角反馈比较环节；控制器；执行机 构；舵；调节对象—船；舵角反馈机构等。自1922年自动舵问世到今天, 代替人力操舵的自动舵的发展确实取得了长足的进展, 在相当程度上减少了人力, 节约了燃料, 降低了机械磨损, 但是距离真正意义上的操舵自动化还有相。当大的距离。
一 国内外研究现状
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VISIONTECHNOLOGY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。
我国对自适应舵的研究起步较晚，自80年代以来，有关单位开展了对自适应舵的研究工作，发表了一些设计方案，仿真研究结果和产品。
1980年，南开大学袁著祉、卢桂章老师采用Norrbin性能指标，利用最小方差自校正控制器自适应律设计了船舶航向保持的自适应舵，发表了仿真结果。
1984年，中船总公司系统工程部林钧清利用最小方差自校正调节器，设计了自适应自动舵的软件，并进行了仿真研究。
1986年，大连海事大学陆样润、黄义新老师等人，采用了对偏航速率进行加权的最小方差自校正控制方案，进行了自适应舵的研制，他们先在实验室的实时仿真器上进行了联机实验，随后又在该校的万吨实习船“育红”轮上进行了实船海上实验。试验结果表明，该自适应舵比PID舵具有更好的控制效果。
近年来，国内的学者对自适应控制的研究也相当活跃，他们在相关的学术刊物上发表了许多研制成果。自适应模糊控制、专家控制、基于神经网络的自适应控制也取得很大进展。国内外的研究动态均表明今后的自适应技术将朝着智能化的方向发展。
二 系统功能
自动舵控制系统实现实时综合数据船桥系统功能。此系统是一种航行、控制、通讯和监控综合系统,用先进的船舶运动理论、WINDOWS 软件和多种传感器硬件,整个系统由工业标准(以太网) 局域网LAN 把各子系统连在一起,将航行和控制系统与决策支持系统结合,包括海洋环境预报、卫星通讯、自动航行和航迹保持等功能。整个系统采用模块化结构,扩展灵活,可以根
据用户要求,选配航向或航迹控制模块,还可选配气象站、气象航行计划和航行优化等模块。以满足用户的不同需求。系统采用开放式结构,硬件和软件均可升级。系统全部菜单化人界面,采用游戏杆或跟踪球等进行操作。采用双罗经、双计算机控制系统配置以提高可靠性和安全性自动舵有智能、自适应和PID 等多种控制模式,有自动、手动、非跟踪和遥控舵等多种工作模式。航迹舵包括航行计划、定位和航向保持等功能模块,有狭窄水域和宽阔水域两种航行模式。航行计划模块通过设置转向点编辑航线,有恒向线航行、大圆航行和混合大圆航行3 种方式;定位模块用GPS 实时确定船舶实际位置;航向保持模块自动决定最优船首向在转向点处自动改变航向,保持船舶航行。与“航向舵”相比,航迹舵可以实现更精确,更经济的航迹控制。航迹舵有直接和间接两种控制模式。间接控制的航迹舵根据航迹偏差信号、速度信号和实际航向信号计算出最佳航向,作为航向舵的设置航向,通过操舵使船舶沿预定航线航行;直接控制的航迹舵根据船舶本身的数学模型,计算并控制所需的舵运动,使船舶自动沿着输入的航迹航行。雷达舵把雷达的显示功能和航迹舵的控制功能集中在一个控制台上进行航行计划、航迹控制和避碰操作,雷达管理系统采用高分辨率大屏幕彩色显示器,触摸式屏幕或跟踪球操作。速度舵通过与主机自动化系统的接口控制船舶的速度,保证在输入的计划到达时间内到达,同时优化燃料消耗。配备电子海图显示和信息系统( 简称ECDIS) 。ECDIS 最重要的特点是面向对象的结构,使得它可以提取海图上任何部分的详细背景信息。此外,控制台可把雷达图象和电子海图重叠显示,为船舶的操纵和监控提供一个完整而紧凑的系统。控制台按照设备功能集成的原理,把“监督(雷达,ECDIS) ”和“控制(航迹舵) ”等集成在一起。控制台可在高分辨率彩色显示器上显示所有安全航行和经济操纵所需的重要信息,包括导航信息、主机数据和有关速度及燃料消耗的信息。另外,特别显示帮助船舶在港口中的操纵,例如入坞和靠泊显示。航行优化和安全系统。它综合几天的天气预报、海况、船舶经济性和计划时间等信息,制定航行策略。气象数据每天更新,为船长提供决策支持。具有恶劣天气下的事故避免和船舶驾驶决策支持功能;利用专家系统提供最佳速度和航向的建议,以减小船体受力和受损的风险;能提前警告危险的驾驶环境,为驾驶者提供航行决策支持;航行
优化功能,推进效率管理达到节省燃料的目的。
三 系统硬件设计
可靠的系统硬件是系统稳定运行的保证,在自己没有很强的设计加工能力及很高的工艺水平的情况
下,为了保证系统硬件的可靠性,同时为了缩短开发周期,本系统的设计思想之一是尽可能选用市场上的
成型产品,尽量减少自主开发工作量。另一个设计思想是增强开发环境及系统实现的兼容性,即本舵为PC 机全兼容产品,系统的软件开发平台既可为STD及PC/ 104 工控机,亦可为普通PC 机,当然系统亦可用以上任一机种实现。
1 系统结构
航迹自动舵硬件系统结构如图1 所示。其中,386/ 486 工控机、电子盘、串行通信卡、VGA 显示卡等均为市购产品,联机仿真及数据采集亦通过通用微机完成,只有GPS、舵角及航向信号板以及面板上的状态、报警灯及薄膜键盘需自主开发或外加工。系统硬件接口的标准化保证了系统开发环境及系统实现的兼容性。由硬件系统结构图可以看出, GPS、舵角及航向信号板均以串行通信方式与主机交换信息,只需配一块多串口的通信卡,各信号板的串行输出信号格式均符合NMEA0183 标准。
图1 硬件系统结构框图
2 人机界面设计
一个系统人机界面或者说面板的设计历来在整个系统的设计中占有一定的工作量,而本系统则力图体现上述设计思想,充分利用工控机系统资源进行设计,既减少了工作量、提高了可靠性,又保证了系统的兼容性。显示部分选用VGA 兼容的液晶显示器,不自主开发液晶显示接口, YG- 602 VGA 彩色液晶显示器可以设置成任意1/ 4 屏显示或全屏压缩显示,电源为单+ 12V 供电,信号线直接插到主板或VGA 显卡的VGA 接口。利用市售的VGA 兼容液晶显示器不仅减少了硬件开发的工作量,而且为软件开发带来了便利,软件开发过程中不仅可以免除设计自主开发液晶显示接口所需的显示软件模块,而且可以充分利用BIOS 及DOS 的中断调用,如此从硬件及软件两个方面为系统的面世赢得了时间。本系统无需打印,故并行口用来输出一些状态及
报警信息并在面板上以L ED 显示,并行口的输出信号已经锁存,故只需对信号进行驱动即可,无需再设置锁存器用STROBE 信号来锁存。若8 位不够用则可采用译码方式。采用本设计方案免除了通常情况下需设计数字I/ O 接口板的工作,同样是增加了可靠性、兼容性,减少了工作量。键盘的处理则利用了主板的通用键盘接口,而不是重新设计小键盘接口。面板上的薄膜开关完全按照通用101 键盘上所选用的若干个数字及功能键来安排键盘矩阵的行列关系,采用通用的键盘管理单片机芯片来管理键盘并与主板接口,或直接拆下101 键盘内线路板加以利用,相对于自主开发小键盘接口来说既廉价又方便。本设计方案同样为键盘管理软件的设计带来了便利,具有上述二者相同的优越性。基于以上所述处理方法,使得系统的开发、调试及实现完全可以用任何一种386 以上PC 兼容工控机来完成,作到了开发环境及系统实现的兼容性,增强了系统的可靠性,缩短了系统的面世时间。
3 GPS 信号板设计
尽管GPS 接收机依厂家、型号的不同而不同,但均以串行方式给出信息。本GPS 信号板可以通过跳线设置接收TTL 电平及RS - 232C、RS - 422/ 485 标准的串行信号,选取各GPS 厂家常用的信息字串,通过ATC2051 单片机处理,删除大量的冗余信息,获取船位、航速、航迹偏差等信息,并重新组织成一个字串,定时发送给主机。
4 舵角信号板设计
舵角信号板与主机双向交换信息。主机经控制算法计算得出舵令,经由串行口送给舵角板,舵角板对舵角进行简单的PID 控制,控制输出为TTL 信号,经固态继电器(SSR) 控制舵机的左右舵电磁阀,以控制舵叶的运动。因舵机厂家的不同,舵机给出的舵角信号有所不同,主要有电位器式及自整角机式两种,故本舵角板亦设计成可以接收电位器式及自整角机两种信号,获取舵角信息,舵角信息经串行口送到主机显示。
5 航向信号板设计
航向信号板通过接收船用电罗经的复示信号获取航向信息。因电罗经型号不同,其复示信号有同步型及步进型之分,二者都有不同的电压等级之分,如步进型的35V/ 50V/ 70V ,同步型又有不同的角度变换比率,如90X、180X、360X 等。本航向信号板通过跳线的设置及软件的改变来选择电罗经类型,使得对于不同类型的电罗经,航向信号板均能接受其复示信号并获得相对航向信息,经与来自主机的初始航向设置信息结合,通过单片机产生相同格式的字串定时发送给主机。
四 控制器设计
舵机系统控制器主要由控制单元、高速逻辑阵列、功率驱动电路、三相逆变电路、舵面偏转角度传感器和保护电路等组成。图2是某电动舵机系统控制器原理图。
控制单元
早期的控制单元主要是由80C51或C196K等单片机系统组成[7’8]，由于其运算速率较低，处理能力有限，现逐步被数字信号处理器(DSP)代替，DSP在工作频率和处理能力上都较单片机优越。其中以德克萨斯公司的TMS320系列为代表，DSP芯片已发展成系列产品。开始应用于舵机控制器的DSP以TMS320LF2407为主，随着TI公司技术的不断升级，高性能的TMS320F2812 DSP越来越被广泛的应用于舵机控制器。
高速逻辑阵列
高速逻辑功能如图3所示。无刷直流电机因其没有电刷，其换向控制必须由外换相电路来完成。换相电路可以是由分立的逻辑芯片组成的逻辑电路、控制单元或者逻辑阵列。基于成本、可靠性和处理速度等因素的考虑，选择高速逻辑
阵列较为合适。高速逻辑阵列用硬件的方式实现无刷直流电机的换相控制，换相处理时间短，节省了控制单元所占的开销。高速逻辑阵列将控制单元发送过来的一路PWM信号经过逻辑变换成适合于无刷直流电机工作的六路PWM信
号，避免了由控制单元直接发送六路PW’M信号的问题，为控制单元节约了宝贵的软硬件资源。此外，高速逻辑阵列还具有电机正反转控制和保护功能。当逻辑阵列接收到安全控制指令后，自动屏蔽自动驾驶仪所给的舵偏角控制指令，而执行安全指令信号，控制舵面偏向指定的位置并锁定。当驱动电路发生过流和舵偏角超出阈值时逻辑阵列硬件关断PWM信号的输出，直至控制单元输出反转控制信号。舵机工作时，通过对输入霍尔信号进行逻辑判断，实时判定电机的工作状态并反馈给控制单元。
舵面偏转角度传感器
舵机系统中舵面偏角的检测是通过位置传感器完成的。舵机系统中位置传感器较多采用的是线性电位器。电位器具有体积小，精度高，线性度较好，简单可靠的优点，比较适合用作位置检测。但其输出是模拟量，需要经过调理电路才能送入A／D采集单元，A／D的分辨率和系统中的噪声将直接影响偏角的检测精度。光电编码器是一种数字式角度传感器，它能将角位移量转换为与之对应的电脉冲进行输出，主要用于机械转角位置和转速的检测与控制，随着技术的发展，其在飞行器上应用越来越广泛。
功率驱动、放大电路
逻辑器件输出的逻辑电平一般情况下不足以驱动电机运行，因此需对其进行功率放大才能使电机正常工作。常用的功率放大器件有IGBT和MOSFET管，以及近几年出现的智能IPM模块。从适用范围上来看，IGBT适合于较大功率的电机，MOSFET管适合于小功率电机，而IPM模块则是集成了数个IGBT并带有其它功能的智能模块，体积较大，成本较高。
通常情况下舵机选用的功率驱动、放大电路如图4所示，功率放大电路由6个MOSFET管组成，驱动器为IR213x系列三相桥功率驱动器。
控制指令信号
由图2可知，自动驾驶仪给舵机的控制指令、安全指令和偏转角度反馈信号都是模拟量。模拟量虽然连续好，但极其容易受到干扰，长距离传输衰减较大，降低了系统的可靠性。CAN(Controller Area Net)属于总线式串行通信网络，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其在国外已经开始应用于航空航天领域，国内某些单位也正在进行飞行器上应用CAN总线的研究。
全数字化电动舵机控制器的方案设计
结合电动舵机的发展趋势，本文提出了一种全数字化电动舵机控制器，其原理图如图5所示。控制单元采用TI公司的TMS320F2812DSP，其内含128K×16位的片内Flash存
储器，18K×16位的片内随机存储器，工作频率高达150MHz，除CAN接口之外有多种形式的接口I-123。为防止功率驱动电路对数字电路部分产生干扰，采用了光耦对数字电路部分与功率驱动电路部分进行了隔离。偏转角度传感器采用的是增量式光电编码器，增量式光电编码器输出的是两路相位相差90。的脉冲信号，经过电平转换后进入专为增量式编码器设计的QEP接口，由DSP对其进行角度检测和速度计算。舵面偏转角速度只需对角度进行微分即可，与对电位器测得的电压进行不完全微分结果相比，编码器测速精度高、抗干扰能力强。利用DSP内部的CAN模块扩展出CAN总线接口，用于接收自动驾驶仪发送的舵偏指令和控制指令，并将当前的舵面偏转角度反馈给自动驾驶仪。与传统的数字化电动舵机系统相比，本方案实现了电动舵机的全数字化控制，提高了系统的抗干扰能力和可靠性。
五 结语
现代化的的船舶，很多设备的控制都已完成了微机化，自动操舵系统作为船舶前进方向的灵魂，其中微机控制的应用更是越来越全面和深入。随着船舶自动控制技术的不断提高，其自动操舵系统也会越来越健全，船舶在航行中的安全保障会更高。
