一種自動操舵裝置動態性能分析設備

劉祥集，申傳俊，陳 濤

(海軍湛江航保修理廠，廣東 湛江 524002)

自動操舵裝置是一種控制船舶航向、深度的裝置，能夠按照給定的控制規律改變與保持航向、深度及姿態，保證船舶實現高精度的航行[1]。通常，自動操舵裝置由信號給定裝置、綜合放大器、功率放大器、反饋機構、航向/舵角復示器、電源、執行機構、顯示裝置、報警裝置等共同構成。自動操舵裝置工作環境惡劣，且工作時間長、強度大，其控制器(自動操舵儀)容易發生電路老化和器件參數漂移，導致控制器性能退化。對自動操舵裝置進行及時維修，使其保持既有的戰技性能是修理工作的重要內容。

在自動操舵裝置的維修及系泊試驗與航行試驗活動中，必須獲取其動態性能指標。在以往的工作中，需要維修人員現場操縱自動操舵裝置，人工記錄舵角數據、轉舵時間等，計算系統的超調量、復示誤差、跟隨誤差、穩定時間等，由于人工記錄誤差較大，導致性能指標參數計算不夠準確。因此，自動操舵裝置控制器的參數難以調校到令人較為滿意的效果，且費時費力。

鑒于上述情況，設計一種自動操舵裝置動態性能分析設備，該設備的硬件以計算機技術為基礎，以工控機為上位機，以主板微處理器(ARM)為控制主板的核心，與電源電路、取樣濾波電路、軸-角模數轉換電路等共同構成。系統軟件分為上位機系統軟件和單片機軟件，通過上位機發出指令，自動測量獲取操舵裝置的控制器相關的性能參數。

分析設備設計為便攜式，方便攜帶到裝備現場進行測量分析，指導技術員快速準確地調整自動操舵裝置控制器參數，獲得滿意的控制性能。

1 分析設備工作原理

自動操舵裝置動態性能分析設備工作原理為：分析裝置與自動舵系統通過專用接口相聯，通過觸摸屏輸入指令，控制工控機[2-3]發出信號，工控機控制控制主板的ARM工作，通過專用接口獲得自動舵運行原始參數(自動舵和分析設備需要同時開機運行，自動舵系統的微電機發出的航向差，隨動舵角指令，舵角反饋、舵角復示等角度模擬電壓信號)，原始參數經過取樣濾波板濾波和采樣，經過模數轉換電路后，控制主板獲取自動操舵裝置運行參數數字信號，控制主板通過通信電路，將參數發送到工控機，工控機對獲取的參數進行自動計算分析，給出自動操舵裝置的動態性能數據，液晶觸摸屏顯示接收到的原始數據以及分析獲得的自動舵關鍵性能數據。

2 硬件設計方案

選擇工控機作為分析設備的系統平臺，以STM32F103RCT6為分析設備的控制核心[4-5]，輔以系統電源電路(電源板1，為模數轉換板、取樣濾波板、數據存儲電路等供電；電源板2為工控機、液晶觸摸屏等供電)、模數轉換板、取樣濾波板、數據存儲電路、液晶觸摸屏、專用接口電路等，共同組成自動操舵裝置動態性能分析設備。對分析設備的系統平臺及主要部件分別介紹如下。

1)系統平臺。系統平臺采用工控機，該型計算機技術成熟[5]，體積小巧，功耗低，可靠性高，對工作環境要求低，集成接口豐富；在測量控制系統中，可以作為控制計算機使用，也可以作為嵌入式計算機使用。

2)控制主板。該控制主板包括32位微處理器STM32F103RCT6，相應的單片機系統電路、通信電路、信號切換電路和接口電路等。主板工作原理圖如圖1所示。

圖1 主板工作原理圖

3)32位微處理器。STM32F103RCT6為某公司生產的含Cortex-M3內核的32位微處理器，屬于增強型ARM，具有功能強大，實時性較好，I/O接口豐富，含有模擬/數字轉換(A/D)電路、數字/模擬轉換(D/A)電路、脈寬調制(PWM)電路以及多個定時器，讀寫速度快，功耗較低的優點，因此選擇STM32F103RCT6作為檢測主板的核心。

4)取樣濾波電路。將輸入的微電機信號取樣、濾波處理后，作有效值保持，送入軸角模數轉換板。

5)軸角模數轉換板。將軸角取樣，經過濾波電路濾波后輸出，進行D/A變換[6]，將變換后所得的數字信號輸入控制主板。采用AD2S80轉換器將微電機發出的航向差、舵角反饋、舵角復示等角度模擬信號轉換為數字信號，發送給控制主板單片機。

6)電源變壓器。采用定制的環形變壓器，其輸入電壓為交流50 Hz/220 V，輸出為6路，其中4路為交流50 Hz/8 V/0.5 A，其余2路為交流50 Hz/12 V/0.2 A，總功率為30 W。

7)電源板1電路。電源部分包括3路直流電壓+5.00 V電源，1路直流電壓+3.33 V電源。分別采用LM7805、LM1117穩壓芯片來實現。向控制主板、模數轉換板、取樣濾波板、數據存儲電路提供符合要求的直流電壓。

8)電源板2電路。包括2路電壓+5 V電源，輸入交流電壓50 Hz/8 V，經過整流器整流后，由LM7805穩壓芯片穩壓，濾波電容濾波后輸出[7]。向工控機、液晶觸摸屏供應符合要求的直流電壓。

3 檢測系統軟件設計

分析設備系統軟件分上位機軟件和ARM軟件2部分。上位機負責系統任務調度，接收ARM上傳的數據等，并在后臺作數據處理。上位機軟件采用WindML開發基于VxWorks環境下的顯控軟件[8]，WindML具備圖形顯示及部分控制功能，上位機軟件工作流程如圖2所示。ARM軟件采用KeiluVision5來開發，采用C語言實現。

圖2 上位機軟件工作流程

上位機軟件工作流程：上位機與ARM通信，成功后在觸摸屏的界面中進行模式選擇，設置參數，確認后點擊發送；指令由串口發送到ARM，ARM接收指令后，進行相應參數的數據采集，并將測量所得的角度所對應的電壓信號、時間等信息上傳到上位機；上位機依據程序自動分析運算，得出自動操舵裝置的動態性能指標，繪制系統整個控制過程的舵角-時間運行數據曲線，并在液晶屏上顯示。

可通過輸出接口，利用打印機打印輸出舵角-時間運行數據曲線，控制系統的動態性能指標結論報告，從而指導技術員現場參數調試。

ARM軟件工作流程如圖3所示，ARM首先與上位機通信，成功后等待計算機發出指令，接收操舵模式，接收模數轉換板發出的角度數據數字信息，以及記錄的相應的時間信息，將上述信息打包，上傳到工控機，當操舵結束，數據記錄、轉換和上傳工作完成后，ARM工作結束。

圖3 ARM軟件工作流程

4 檢測實驗

自動操舵裝置動態性能分析設備制作、調試完畢后，將設備與某型船用自動操舵裝置控制器相應接口進行連接，在自動操舵裝置工作過程中，自動獲取操舵裝置運行過程中的關鍵參數，上位機在后臺自動分析，獲得自動操舵裝置動態性能的準確數據。實驗結果表明，分析裝置檢測獲取的數據可供裝備保障技術人員迅速掌握自動操舵裝置控制器的性能參數調試情況，為參數調校不理想的控制器及時調試參數提供指導依據。

5 結束語

利用工控機和單片機技術、軟件技術，設計制作了一種自動操舵裝置動態性能分析設備，解決了自動舵修理調試期間難以準確獲得控制器性能參數導致的調校比較困難的問題，為自動操舵裝置的內場修理和現場調試、試驗試航時準確把握裝備實際性能、及時調整控制器參數提供了有力支撐。所設計的分析設備體積小、重量輕、接口適應性強、方便攜帶，運用在修理保障和試驗中，可大大節約時間，提升保障效率。