CN101739029A - 船舶自控系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种船舶自控系统及其控制方法，本发明系统包括工业控制器、传感器和显示器，其中，传感器包括GPS接收机、三维电子罗盘和MTI惯性测量系统。本发明方法包括如下步骤：(1)工业控制器系统设置，(2)将GPS接收机、三维电子罗盘采集的信号经过信号放大器进行转换和放大到可检测范围内，然后输入的信号经过编译和转换保存在工业控制器的CF卡中；MTI惯性测量系统采集的信号直接保存在工业控制器的CF卡中；(3)结束程序。本发明系统运行稳定，方案设定方便。

Description

船舶自控系统及其控制方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，船用新型可控系统装置，旨在通过该可控系统安装在不同高性能船型上以便获得自控自航效果，从而完成预期的方案或应用于民用及军事打击等任务。

背景技术

自控自航船舶在当今世界上扮演着越来越重要的角色。从小的方面说可以完成预计的实验，从而得出船舶的各种性能。从大的方面说如现在各国都在积极研制的水面无人艇，被视为未来海上决定成败的重要工具，是彰显一个国家强盛的重要标志。在民用领域的功能也有很多，如清理海上垃圾；清理水面蓝藻；监测天气等。而自控自航运动的关键主要取决于其内部的可控系统装置，这些系统的构成就是整个船模运动的“大脑”。而提供船模自控自航的这个“大脑”是由各种既相互独立但又互相依赖，紧密联系的动力装置及其各类传感器组成的一个总的自控自航可控系统装置。国内关于无人艇装置的专利多是用单片机控制，人们通过反馈信号控制船舶运动，属于半人工半自动状态。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种船舶自控系统及其控制方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明船舶自控系统，其特征在于：包括工业控制器、传感器和显示器，其中，传感器包括GPS接收机、三维电子罗盘和MTI惯性测量系统；GPS接收机输出端接工业控制器的标准RS485接口，三维电子罗盘输出端接工业控制器的标准RS232接口，MTI惯性测量系统输出端与工业控制器的USB接口相连；显示器的输入端与工业控制器的输出端相连。

所述的船舶自控系统，其特征在于所述工业控制器采用可编程工业控制器PAC。

所述的船舶自控系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)工业控制器系统设置

a.系统的初始化，对采样通道进行参数设置并对采样通道进行计算机自动清零，所述参数包括采样通道数、通道的输入量程、设置采样时间、频率；

b.设定试验数据保存路径；

(2)将GPS接收机、三维电子罗盘采集的信号经过信号放大器进行转换和放大到可检测范围内，然后输入的信号经过编译和转换保存在工业控制器的CF卡中；MTI惯性测量系统采集的信号直接保存在工业控制器的CF卡中；

(3)结束程序，包括常规结束和紧急结束：常规结束即按照试验方案设定的时间自动进行数据采集之后自动关闭船舶自控系统；紧急结束是为了防止试验中发生的意外对系统造成破坏而采取的紧急中断，在工业控制器的模拟量输入模块配置若干端口，所述端口接报警器输出端或者遥控器接收机输出端，当试验中发生的意外对系统造成破坏时，通过报警器或者遥控器接收机报警和关闭船舶自控系统。

所述的船舶自控系统的控制方法，其特征在于所述传感器与工业控制器之间的控制方法如下：

1)开启GPS，根据GPS实时反映出的当前坐标传送到工业控制器中，通过坐标转换得出当前实时坐标和规划航迹坐标之间的距离差，通过事先自己制定的模糊控制查表法来确定当前船舶主机的转速；工业控制器把当前对应主机转速的命令的程序传送到主机控制器中，从而控制船舶主机当前的速度；

2)根据三维电子罗盘测得的船舶航行方向与规划航迹之间的夹角，通过事先自己制定的模糊控制查表法来确定当前舵机打舵的方向和度数；工业控制器把当前对舵机命令的程序传送到舵机控制器中，从而控制舵机打舵的方向和度数；

3)MTI惯性测量系统实时测得船舶航行的状态，并记录船舶航行过程中的三个轴的角速度和加速度；通过积分可以求出航行的角度，通过船舶自控系统辨识辨识出结果。

本发明以PAC为主导，串连其他传感器装置，通过数据采集并反馈出的信号在PAC中自主识别并运行，不需人工操作，属于完全自航状态。本系统的发明相当于一个中间试验的可控装置平台，可以应用于任何高性能船舶上，有着灵活性强，实用性强等特点。

PAC具有以下特点：(1)多功能性，在一个平台上有逻辑、运动、PID控制、驱动和处理中的至少两种以上功能。(2)单一的多规程开发平台使用通用标签和单一的数据库来访问所有的参数和功能。(3)通过结合IEC61131-3，用户向导和数据管理，软件工具能设计出在跨越多个机器和处理单元的处理流程。(4)开放的模块化构架能解决的工业应用可从控制分布于工厂机器到加工车间的操作单元。(5)采用已有的网络接口标准，语言等，如TCPIP，OPC&XML和SQL查询语言。基于以上特点，PAC比一般的控制器更易控制和操作。PAC有着多样的接口连接方式更容易各种传感设备的连接，多样性的编程语言能更准确的控制整套系统的精确运转。而且其所需岸基设备少，方案设计灵活，适合各种高性能船的要求。结果表明系统运行稳定，方案设定方便，结果令人满意。

本文采用了系统辨识技术来解决数据采集系统采集的原始数据处理问题，进行系统辨识所用的数学方法进行选择当今比较热门的遗传算法(Genetic Algorithms，简称GA)作为本系统辨识程序的优化方法，以VB6.0作为开发语言编制出了快速性辩识程序。

附图说明

图1为系统构成图。

图2为自控系统控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

本系统的硬件构成由工业控制器PAC、GPS接收机、三维电子罗盘、MTI惯性测量系统和显示器构成。以PAC为中心，GPS接收机、三维电子罗盘、MTI惯性测量系统围绕PAC建立连接。GPS自身带有数据线标准RS485接口，与PAC中标准RS485接口连接；三维电子罗盘接一个标准的RS232接口，与PAC中标准RS232接口相连；MTI惯性测量系统本身自带USB接口，与PAC中USB接口相连；显示器15针接口与PAC相连；系统得到的原始数据保存在PAC的CF卡里，试验结束后将CF卡中的数据转存在计算机中，利用试验数据分析软件，可以获得所需要的后期数据并绘出相应的曲线。本系统可以直接采集的信号包括模拟量信号和数字量信号(包括RS232和RS485)，输入的信号经过编译和转换被保存在PAC的CF卡中。作为自控船舶动力和操纵组成的电机和舵机及其他设备，可以通过事先设定好的程序控制变量的值进行转速的自动调节和舵角的自动调节等，也可以通过遥控设备根据试验人员的需求进行控制。这样就避免了传统试验中人工调节试验点的烦琐过程，真正实现自控船舶的自动化。得到的原始数据用系统辨识的方法，采用遗传算法进行优化工具，在数据分析系统中进行处理，最终得到结果。

一种基于上述船舶自控控制系统的控制方法，主要包括如下步骤：

(1)PAC系统设置

a.打开PAC主程序后：首先进行系统的初始化，对采样通道进行参数设置并对采样通道进行计算机自动清零。这里参数主要包括采样通道数、通道的输入量程、设置采样时间、频率等，使系统达到准备状态。

b.设定数据保存路径。即开机启动的程序，保证开启PAC时系统自动完成该程序的内容。

(2)将PAC不可直接采集的信号经过信号放大器进行转换和放大到可检测范围内，本系统可以直接采集的信号包括模拟量信号和数字量信号(包括RS232和RS485)，然后输入的信号经过编译和转换被保存在PAC的CF卡中。传感器与PAC之间的控制方法如下：

1)开启GPS，根据GPS实时反映出的当前坐标传送到PAC中，得出当前实时坐标和规划航迹坐标之间的距离差(通过坐标转换)，通过事先自己制定的模糊控制查表法来确定当前主机的转速。PAC把当前对应主机转速的命令的程序传送到主机控制器中，从而控制主机当前的速度。

2)根据三维电子罗盘测得的船舶航行方向与规划航迹之间的夹角，通过事先自己制定的模糊控制查表法来确定当前舵机打舵的方向和度数。PAC把当前对舵机命令的程序传送到舵机控制器中，从而可以控制舵机打舵的方向和度数。

3)MTI惯性测量系统实时测得船舶航行的状态，并记录船舶航行过程中的三个轴的角速度和加速度。通过积分可以求出航行的角度，通过船舶自控系统辨识辨识出结果。(3)结束程序，包括常规结束和紧急结束。常规结束就是按照设定的时间自动进行数据采集之后自动关闭程序。紧急结束是为了防止试验中发生的意外对系统造成破坏而采取的紧急中断，本系统在模拟量输入模块配置好若干端口，可以接报警器输出端或者遥控器接收机输出端等。自控船舶数据采集系统采集的原始数据必须经过相应处理才能成为体现船舶性能的最后结果。

Claims (4)

1.一种船舶自控系统，其特征在于：包括工业控制器、传感器和显示器，其中，传感器包括GPS接收机、三维电子罗盘和MTI惯性测量系统；GPS接收机输出端接工业控制器的标准RS485接口，三维电子罗盘输出端接工业控制器的标准RS232接口，MTI惯性测量系统输出端与工业控制器的USB接口相连；显示器的输入端与工业控制器的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的船舶自控系统，其特征在于所述工业控制器采用可编程工业控制器PAC。

3.一种基于权利要求1所述的船舶自控系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)工业控制器系统设置

a.系统的初始化，对采样通道进行参数设置并对采样通道进行计算机自动清零，所述参数包括采样通道数、通道的输入量程、设置采样时间、频率；

b.设定试验数据保存路径；

(2)将GPS接收机、三维电子罗盘采集的信号经过信号放大器进行转换和放大到可检测范围内，然后输入的信号经过编译和转换保存在工业控制器的CF卡中；MTI惯性测量系统采集的信号直接保存在工业控制器的CF卡中；

(3)结束程序，包括常规结束和紧急结束：常规结束即按照试验方案设定的时间自动进行数据采集之后自动关闭船舶自控系统；紧急结束是为了防止试验中发生的意外对系统造成破坏而采取的紧急中断，在工业控制器的模拟量输入模块配置若干端口，所述端口接报警器输出端或者遥控器接收机输出端，当试验中发生的意外对系统造成破坏时，通过报警器或者遥控器接收机报警和关闭船舶自控系统。

4.一种基于权利要求1所述的船舶自控系统的控制方法，其特征在于所述传感器与工业控制器之间的控制方法如下：

1)开启GPS，根据GPS实时反映出的当前坐标传送到工业控制器中，通过坐标转换得出当前实时坐标和规划航迹坐标之间的距离差，通过事先自己制定的模糊控制查表法来确定当前船舶主机的转速；工业控制器把当前对应主机转速的命令的程序传送到主机控制器中，从而控制船舶主机当前的速度；

2)根据三维电子罗盘测得的船舶航行方向与规划航迹之间的夹角，通过事先自己制定的模糊控制查表法来确定当前舵机打舵的方向和度数；工业控制器把当前对舵机命令的程序传送到舵机控制器中，从而控制舵机打舵的方向和度数；

3)MTI惯性测量系统实时测得船舶航行的状态，并记录船舶航行过程中的三个轴的角速度和加速度；通过积分可以求出航行的角度，通过船舶自控系统辨识辨识出结果。

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