旋转驾驶台式操船模拟系统

尹文刚

摘 要 本文设计并实现了操舵控制系统与船舶运动模型控制为一体的综合控制系统，该系统尽可能模拟海上操舵和船舶运动状态。系统利用工控机、数据采集卡、罗经信号转换器、变频器等硬件设备搭建了船舶自动控制的半实物仿真平台，实现了仿真系统的整体运行以及模拟船舶的实际运动监控。

关键词 船舶航向控制系统 船舶运动 船舶转向 物理仿真系统

中图分类号：U664.82 文献标识码：A

1船舶航向控制系统

1.1船舶舵机

船舶舵机是船舶航行的重要设备，其功能为航向控制，所以又称航向控制系统，系统由在舵机舱的舵机和安装在驾驶台的操舵仪组成，操舵仪是控制机构，舵机是航向控制的执行机构。操舵仪主要用于发送操舵信号，控制舵机的运行，舵机用于控制舵叶的转动。

1.2陀螺罗经

陀螺罗经俗称电罗经，核心部件是陀螺仪。它是利用陀螺仪的特性，在地球自转运动的影响下，借助于力矩器使陀螺仪主轴自动的找北，并精确地跟踪地理子午面的指北仪器，它可用于指示船舶船首向（航向）和测定物标方位，以及作为方位稳定设备等。

1.3 PI调节器原理

PI调节器是电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器，在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再数字离散化，得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。

PI调节器的传递函数如下式所示：

WPI（s）=

数字PI调节器有位置式和增量式两种算法，上式表达的差分方程为位置式算法，u（k）为第k拍的输出值。由等号右侧可以看出，比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的积累。

2旋转驾驶台硬件系统的设计

旋转驾驶台硬件系统由自动舵、罗经和模拟舵机三部分组成，主要的功能就是根据罗经的航向信号进行操舵控制舵机舵角的变化，并达到一定的精度。而控制系统的外部硬件设计以工控机为中心，分别采集来自罗经的航向信号、模拟舵机的舵角信号和车钟的航速信号，输出转速控制信号控制变频器，进而控制转台转动，模拟船舶的转向。航向控制系统部分的硬件包括一台PT21自动舵、一台DH-ⅡG型电控罗经和一部模拟舵机，各部分的连接根据各个设备的说明书进行连接。

2.1航向控制系统的连接

2.1.1 罗经与自动舵之间的信号连接

罗经与自动舵之间的连接主要用于自动舵获取罗经的方位信号，一方面用于显示给驾驶员，方便操舵；另一方面用于供给自动舵的自动控制系统，实现自动操舵。罗经发送箱发送的信号是通过力矩式自整角机传送的，励磁绕组公用一套电源，由罗经供给，接于R1、R2端子，S1、S2、S3连接三相绕组。

2.1.2自动舵与模拟舵机之间的信号连接

自动舵和模拟舵机构成航向控制系统的主体，PT 21自动舵作为控制机构，直接由驾驶员操作，模拟舵机作为执行机构，受自动舵信号的控制进行转舵，控制船舶转向。

2.2数据采集信号线的连接

工控机采集的信号包括舵角信号、车钟信号、航向反馈信号。通过PCI-1710U采集卡采集舵角和车钟信号，舵角信号作为连续量的模拟信号采集，而车钟信号以数字量采集；航向反馈信号则以RS232通信的方式采集。舵角和车钟信号作为模型解算的输入信号，而航向反馈则作为PID算法的反馈。

2.3输出控制线的接线

采集卡的输出直接控制变频器，在接线之前需要对变频器进行相应的设置，否则达不到控制功能，另外两者之间电平需要匹配。采集卡的模拟输出接入变频器的AI1端口，用于控制变频器的频率给定。ABB标准下，输入电压为0～10V，可以与采集卡直接进行匹配连接。

采集卡输出数字信号高电平为5V，而变频器输入的数字信号电平为24V，需要将其进行必要的匹配才可取得相应的控制作用。设计使用继电器用于数字量电平变换，应用采集卡数字输出的高低电平控制继电器的通断，常开点作为开关连接变频器24V电平。

3系统的软件实现

3.1系统软件设计流程

系统包括给定读取、232采集、数据处理与控制、采集卡输出等部分，其中数据处理与采集采用了两种控制思路，达到两种不同的控制效果，程序的流程，首先是读取给定值和RS232的位置信号，转速给定的读取作为PID控制函数的给定值，RS232读取的位置信号作为反馈，经过对两个量的差值的PID解算，得到输出控制信号，最后调用数据输出程序将控制信号通过采集卡输出出去，控制变频器的运行，进而控制转台的转动速度。

3.2 00PI数字调节器实现

应用c语言进行PI数字调节器的编程就是将PI调节器的公式进行程序化，定义相应的变量代表比例系数、积分系数，将给定值读取函数读取到的数据作为给定值，RS232采集的数据作为反馈，两者进行做差既得误差值，然后带入到程序编写的PID公式中进行运算，将结果回馈到主函数。

4结论

航向控制是船舶运动控制中的最基本的控制，该系统的效果直接决定着船舶的运动状态。本文在船舶航向控制系统设备的基础上，借助于VC++6.0平台设计一套模拟实船的船舶运动控制仿真平台。

参考文献

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