船舶駕駛臺式操船模擬系統的設計和實現

郭磊，王丹，刁亮，張成

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船舶駕駛臺式操船模擬系統的設計和實現

郭磊，王丹，刁亮，張成

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧大連 116026)

本文設計并實現了綜合船舶航向控制與船舶旋轉運動的半物理實驗仿真系統，該系統主要由工控機、數據采集卡、自動舵機、羅經、變頻器等硬件設備組成。通過模型解算得到船舶在各種海況下的運動狀態，經過PI控制器輸出變頻器的轉速控制信號，控制轉臺跟蹤船舶模型。試驗結果表明，該系統可以模擬出海上船舶的實際運動狀態，為陸上教學實習提供了良好的環境。

船舶航向控制系統 船舶運動 半物理實驗仿真系統

0 引言

航向控制是船舶運動控制中最基本的控制，自動舵和舵機為航向控制的重要環節，自動舵的全稱是自動操舵儀，其功能是自動的、高精度的保持和改變船舶的航向，以保證船舶的正常航行[1]。船舶航行于海面上，其運動特性會因航速、水深、載重的不同而發生變化。除此之外，風、流、浪等，也會影響船舶航向的保持[2]。陸上實驗設備往往不會考慮環境因素的影響，所以很難模擬出船舶在各種海況下的實際運動狀態，無法滿足教學實習的要求。為此，本文結合船舶運動模型和船舶航向控制設備，利用船舶模型解算在某一個實際海況各種外部因素作用下船舶實際的轉角速率，應用PI控制算法輸出控制轉臺轉動跟蹤船舶模型，設計并實現了一套半物理操船模擬系統[3]。試驗結果表明，該系統可以真實地模擬出船舶操舵與轉舵的實際運動狀態。系統作為模擬船舶旋轉運動的半物理仿真系統，使船電學生既可以感受操船運動，又可以了解船舶航向控制的結構，信號傳輸控制機理。

1 系統的結構及特點

旋轉駕駛臺式操船模擬系統是在傳統船舶航向控制的基礎上增加了船舶運動模型解算和轉盤運動控制兩部分，其系統框圖如圖1所示。

利用旋轉平臺模擬船舶，轉臺的轉動模擬船舶的轉向，自動舵由操船人員操縱，發出船舶控制信號，控制船舶舵機打舵。數據采集卡采集當前舵角信號和船速信號，輸入到船舶運動模型解算獲得在設置的海況下船舶實際的旋轉速率，作為轉盤運動控制的給定，232串口讀取羅經的航向信號，計算獲得實際旋轉速率信號作為反饋，進行PI運算，控制變頻器輸出不同的轉速和轉向，使旋轉平臺轉動跟蹤船舶模型解算結果。最終形成一套完整的模擬實船旋轉運動狀態的半物理船舶仿真系統，可以模擬不同的海況下相同舵角船舶的運動狀態，有利于學生體會船舶轉向和舵角的關系，提高學生的技術水平。

圖1 旋轉駕駛臺式操船模擬系統框圖

2 船舶航向控制

船舶航向控制如圖2所示，主要由自動操舵儀和模擬舵機兩部分組成，自動操舵儀通常包括PID舵、自適應舵和智能舵三種[4]，此處為PT21型自動舵，屬于PID舵；羅經為安許茨4型電羅經，穩定時間短。左圖中下方為旋轉平臺，用于模仿船舶轉動；轉臺上為自動舵機，左右兩側掛有電羅經，隨平臺轉動，模擬船艏轉向，并顯示船舶當前航向。右圖中位于平臺下方為模擬舵機，模擬船舶舵機功能。

圖2 航向控制系統實物圖

自動操舵儀發出轉舵信號，控制模擬舵機轉動舵角，在船舶航行時轉變船舶運動方向，自動操舵儀按照船舶設計要求可以工作在自動、隨動和應急狀態，并配有兩套控制系統，互為備用。兩個設備之間通過自整角機進行控制信號的傳遞，舵角反饋信號由模擬舵機反饋給自動舵，實行舵角的閉環控制，實現舵機轉舵角跟蹤自動舵機的給定信號。模擬舵機同時輸出一路實際舵角信號接舵角指示器，接線圖如圖3所示。

3 解算控制系統

船舶航向控制與船舶模型的結合以工控機為核心[5]，工控機配套有數據采集卡和串口，進行實時數據的采集和控制信號的輸出，模擬船舶航速的輸入。工控機為主要的運算和控制設備，通過數據采集卡采集車種信號和舵角信號，串口通信獲得來自羅經的船舶實際航向信號。經過模型解算和轉盤控制解算后的控制信號由采集卡輸出至變頻器，驅動轉臺轉動，實現整體的閉環控制。

圖3 船舶航向控制系統接線圖

3.1 船舶模型

船舶模型主要用于解算船舶旋轉運動轉角率，通過采集船舶舵角信號和車鐘信號，可在設置的海況下解算獲得接近實際海況下的船舶轉角率，并模擬顯示船舶海上航行的軌跡。

結合實船數據建立的船舶運動模型，通過設置初始參數將海風、海流、海浪等環境因素加入到模型中，獲得在不同海況下的船舶運動狀態。模型解算獲得的船舶轉角率為給定，串口獲得的船舶實際航向信號運算得到的船舶實際轉角率為反饋，進行PI控制[5]，使轉臺轉角率跟蹤船舶模型解算的轉角率。

船舶系統為大慣性環節，所以采樣頻率不用太高，整體工作頻率為4 Hz即可達到比較理想的效果。同時為了提高采樣準確度，采樣的舵角信號和羅經信號采用均值濾波的方法，同時為了防止波動過大，設置有一定的死區。

3.2 數字調節器

整個系統作為一個大慣性環節，PI算法即可滿足要求，加入微分環節會增加系統的震蕩，不利于穩定運行，PI調節器是電力拖動自動控制系統中最常用的一種控制器[5]，其控制系統原理圖如圖4所示。

圖中()對應于船舶模型輸出的轉角率給定信號；()對應變頻器的控制信號；被控對象為變頻器驅動的轉臺（模擬駕駛臺）；()對應于電羅經的航向信號處理得到的實際轉角率信號。

圖4 PI控制算法

PI調節器的傳遞函數如下式所示：

若輸入誤差函數為e(t)，輸出函數為u(t)，則u(t)和 e(t)關系的時域表達式可寫成[6]：

式中：K——比例系數

K——積分系數，K=1/τ。

將式轉換為差分方程，得到數字PI調節器的表達式。其第k怕輸出為

式中：T——采樣周期。

PI調節器輸出增量式算法：

增量式算法只需當前的和上一排的偏差即可計算輸出值。增量式PI調節器算法為：

增量式算法在程序實現中只需多保存上一拍的輸出值就可以了，實現簡單，且不會占用太多的存儲空間，易于程序的實現。

PI控制器的參數整定采用工程上應用較多的試湊法，按照先比例（P），再積分（I）的順序進行一步一步地確定。

增大比例系數K一般將加快系統的響應，在有穩態誤差的情況下有利于減小穩態誤差。置調節器的積分時間T為最大，在比例系數K按經驗設置的初值條件下，將系統投入運行，觀察在一定時間內模型解算的船舶動態與實際的模擬船動態，適當調節比例系數的大小，至兩者跟蹤情況基本一致，超調小，反應快。

增大積分時間T有利于減小超調，減小振蕩，使系統更加穩定，但系統穩態誤差的消除將隨之減慢，引入積分作用（此時將上述比例系數設置為5/6K）。將T由大到小進行整定，使系統的穩態誤差逐漸消除。

經過系數調整，轉臺轉動已經較好地跟蹤上了船舶模型解算的船舶動態。船舶運行符合實船的運動狀態。

4 設備試驗結果分析

由于設備的限制，轉臺正方向為羅經287°方向，因此只能在此基礎上驗證設備的運行情況。系統整體運行時船舶轉向情況波形如圖5-6所示。

圖5為隨動狀態下，平靜海況與加入海風影響的運動軌跡。左圖為平靜海況下，自動舵機運行在左舵5°下船舶轉向運動；右圖為4級西北風影響下左舵5度運動軌跡。圖6為系統運行自動和手動兩種模式下船舶轉向的情況，左為隨動右舵10°船舶偏轉運動，右圖為自動狀態下定航向287°突轉307°船舶轉向圖。

圖5 平靜海況與海風影響海況

作為航向控制系統，船舶自動舵工作在自動、隨動和應急三種模式下才可滿足船舶設計要求，自動和隨動為自動舵的主要工作模式，應急狀態為粗略控制船舶轉向，因此這里主要驗證自動和隨動模式下船舶轉向運動情況。

比較圖5兩圖可知，在加入西北風影響后，船舶有明顯的右偏趨勢，船舶左轉向速率變慢，體現出海風的影響；同時結合圖6船舶在右舵10°的轉向情況，將5°舵與10°舵相比較，10°舵角明顯比5°舵轉向要快。

圖6 船舶轉向

由圖6可知，自動模式下，船舶轉向運動平滑且較快穩定，轉向期間并沒有較大的超調，短時間內就穩定在了新的給定航向上。從上面兩個圖可以看出，系統整體運行良好，船舶運動曲線符合實船運動規律，船舶轉向比較平緩，沒有出現較大的超調，跟蹤上了船舶設計的航向。

5 結語

本文介紹了旋轉駕駛臺式操船模擬系統的結構和原理，在此基礎上通過搭建了硬件平臺。系統綜合船舶航向控制系統和船舶運動模型，應用工控機、自動舵機等設備搭建，詳細介紹了設備的連接情況和信號的作用，PI控制算法的原理和編程機理，通過試湊法確定其參數，并觀察在各種控制狀態下設備的運行狀態，確定航向控制正確。該系統可以模擬不同的海況下船舶的實際運動狀態，為學生操作感受海上船舶運動創造了良好的實習環境。

[1] 周永余, 陳永冰, 李文魁等. 船舶自動舵路上仿真系統的研制[J]. 航海工程, 2007, 36(1): 118-121.

[2] 羅丹青．船舶物理旋轉平臺及自適應舵的設計與研究[D]. 大連海事大學, 2010.

[3] 李建立. 船舶自動舵系統半實物仿真平臺研究[D]. 重慶大學, 2010.

[4] 程啟明, 劉其明, 王志宏等. 船舶自動舵控制技術發展研究[J]. 計算機自動測量與控制. 2000, 8(6): 1-4.

[5] 林永屹, 陳曉琴, 周濤. 基于非線性PID 的船舶航向自動舵設計[J]. 船電技術, 2009, (6) : 46-49.

[6] 韓春生, 劉劍, 汝福星等. 基于PID算法的船舶航跡自動控制[J]. 自動化技術與應用, 2012, 31(4): 9-12．

Design and Implementation of Maneuver Simulation System for Ship Bridge

Guo Lei, Wang Dan, Diao Liang, Zhang Cheng

（School of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China）

U666 TP391.9

A

1003-4862（2014）12-0027-04

2014-05-27

受國家自然科學基金（61273137, 51209026, 61074017），遼寧省教育廳（L2013202），中央高校基本科研業務費（3132014047, 3132014321）

郭磊（1990-），男，在讀碩士研究生。研究方向：風力發電并網控制