CN102645893A - 船舶航向变论域模糊控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供船舶航向变论域模糊控制方法，包括以下步骤：采集当前航向偏差值；计算输入伸缩因子，计算变论域模糊控制输入量；以偏差输入量及航向偏差变化率作为模糊算法的输入量，利用常规模糊运算过程，求得模糊控制输出量；计算输出控制舵角，将获得的舵角指令发送至所伺服系统实现船舶舵控制；采集当前舵角值，并进行判断：若舵角值存在故障则将故障报告发至上位机，停止程序；无故障转至最初步骤，准备再次采样。本发明通过对上位机航向设定值、航行干扰量及舵伺服系统反馈舵角值予以采集并在变论域模糊控制运算的基础上对舵伺服系统进行控制，具有精度高、可靠性好、结构简单等特点，同时系统结构简单造价低廉。

Description

船舶航向变论域模糊控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种自动控制领域的船舶控制方法。

背景技术

船舶航向控制系统作为船舶自动化的重要组成部分，其研究与应用在近几十年来取得了长足进步。目前以专家系统、模糊控制、神经网络等控制算法为核心的第四代自动舵系统，因其控制精度高、适应性强等特点，正被广泛应用在船舶航向控制系统之中。目前比较常见的船舶航向控制系统主要由上位机、航向控制器、舵伺服系统等部分组成。其中上位机作为数据参数的发送端，主要实现航向控制值的设定及当前船舶所受扰动量的输入；航向控制器则在结合相关数据的基础上经过智能算法运算实现控制舵角值的输出；最后由舵伺服系统实现舵机控制及当前舵角反馈，以此实现船舶航向智能控制。故其硬件核心为数据处理模块和数据传输模块。由于航行船舶受到风、浪、流干扰而时刻处于不稳定状态，故须在航行过程中进行航向适当的校正与调节。同时传统的航向控制器因其运算速度慢、数据传输方式单一等缺点，使得控制算法的应用受到了一定限制，同时也在一定程度上影响了航向控制效果。因此选择适合的控制算法并对相关数据进行实时采集及快速运算成为设计船舶航向控制器所应着重考虑的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供采用变论域模糊控制算法实现船舶航向控制的船舶航向变论域模糊控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明船舶航向变论域模糊控制方法，其特征是：

(1)采集当前航向偏差值e；

(2)计算输入伸缩因子，根据当前航向偏差e及航向偏差变化率ec对变论域伸缩因子进行求解：航向偏差伸缩因子为α(e)＝(|e|/30)^0.6、航向偏差变化率伸缩因子为α(ec)＝(|ec|/0.4)^0.6；

(3)计算变论域模糊控制输入量：模糊控制航向偏差输入量Ke＝α(e)×e，航向偏差变化率Kec＝α(ec)×ec；

(4)以偏差输入量Ke及航向偏差变化率Kec作为模糊算法的输入量，利用常规模糊运算过程，求得模糊控制输出量u；

(5)计算输出控制舵角：输出伸缩因子为β(u)＝|e|，故输出控制舵角δ＝β(u)×u.

(6)将步骤(5)获得的舵角指令发送至所伺服系统实现船舶舵控制；

(7)采集当前舵角值，并进行判断：若舵角值存在故障则将故障报告发至上位机，停止程序；无故障转至步骤(1)，准备再次采样。

本发明的优势在于：本发明通过对上位机航向设定值、航行干扰量及舵伺服系统反馈舵角值予以采集并在变论域模糊控制运算的基础上对舵伺服系统进行控制，具有精度高、可靠性好、结构简单等特点，此具有更强的适用性，同时系统结构简单造价低廉。

附图说明

图1为航向控制器结构框图；

图2为航向控制器系统结构框图；

图3为航向控制器系统硬件原理图；

图4为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，结合图1，图1所体现的是本发明方法中船舶航向控制器结构示意图，其中航向控制器作为船舶航向控制系统的数据处理核心，通过实时采集上位机发送的航向指令及海浪干扰值并将其与当前航向值进行变论域模糊算法运算，将运算所得的控制舵角值发送至舵伺服系统，同时通过采集当前舵角值并通过船舶数学模型运算获取当前航向值以实现船舶航向闭环控制。

结合图2，图2所体现的是该船舶航向控制器的结构框图。该系统采用双串口通信以实现航向控制器对当前船舶姿态、风浪流干扰值的采集及舵伺服系统的控制。采用以TMS320C6713为核心的数据处理器实现船舶航向的智能控制。通过JTAG接口电路实现程序的下载与调试，并将程序固化数据存储模块中以实现程序的上电自启动。同时，为实现航向控制器的正常数据处理与运算，该系统还应包括可提供3.3V、1.4V直流电压的电源模块及能实现Watch Dog功能的复位电路以及能产生较高工频的时钟模块。

结合图3，如图3所示为该船舶航向控制器系统硬件原理图。船舶航向控制器采用以TMS320C6713作为核心处理器，由于其内部集成化较高，在电路设计上可进行很大程度的简化。其中为实现信号缓冲驱动、电路过压保护，系统采用74CBTD4总线开关实现JATG口的顺畅通信。同时为实现程序和数据的存储，系统采用SST39VF1601FLASH芯片作为外存储芯片，其使能端与TMS320C6713的CE1端连接，以实现该存储器的引导与装载。在复位芯片的选择上系统采用MAX706实现系统复位功能。在电源模块的设计上由于DSP处理器的特殊构造，故在电源设计上应实现双电源供电及合理的上电顺序配置。即满足3.3VI/O口供电及1.4V内核供电，同时应保证内核电源率先供电。为此电源模块采用TPS75733电源转换芯片产生3.3V电压、采用TPS54310稳压降压器芯片实现1.4V内核电压供给。当TPS54310产生1.4V电压时，三极管T1 B集产生导通电流致使三极管导通。为此与三极管E集相连的TPS75733使能端电位降低，产生3.3V电压以此实现系统所需的电源电压级其合理的上电顺序

由于船舶航向控制器在工作过程中须与上位机及舵伺服系统进行数据通信，故在数据通信模块的设计上须设置两个数据传输通道。同时为了增强航向控制器的适用性，其通信协议满足当前常见舵伺服系统的配置。基于上述原因该数据通信模块采用支持双串口通信的TL16C752B异步串行通信协议芯片和能满足RS232/RS485双串口通信的MAX3160多协议收发器相配合设计以实现设计要求。

为满足双串口通信的应用要求在系统设计上还须将不同通道数据映射于相应的地址以实现数据在通信过程中的中转存储。故系统采用CE3与ADDRESS19及ADDRESS20经SN74F32或门芯片实现不同通道芯片的使能选择及存储地址的确定。同时系统通过改变MAX3160第8管脚的电位以实现通信协议的选择。

结合图4，该航向控制器程序流程如下：

步骤1，系统初始化，通过自举程序调用存储于FLASH中的程序，调用结束后程序开始运行，进入步骤2；

步骤2.从上位机采集当前航向偏差值e，采集结束后，进入步骤3；

步骤3，计算输入伸缩因子。根据当前航向偏差e及航向偏差变化率ec对变论域伸缩因子进行求解。本专利所采用的航向偏差伸缩因子为α(e)＝(|e|/30)^0.6、航向偏差ec伸缩因子为α(ec)＝(|ec|/0.4)^0.6，计算完成后进入步骤4；

步骤4，计算变论域模糊控制输入量。通过伸缩因子的选取，将模糊控制的输入量进行一定的修改，以实现更好的控制效果，新的模糊控制航向偏差输入量Ke＝α(e)×e及航向偏差变化率Kec＝α(ec)×ec，计算完成后进入步骤5；

步骤5，常规模糊运算过程。以偏差输入量Ke及航向偏差变化率Kec作为模糊算法的输入量，以此求得模糊控制输出量u，计算完成后，进入步骤6；

步骤6，计算输出控制舵角。本专利所采用的输出伸缩因子为β(u)＝|e|，故该控制算法的输出控制舵角δ＝β(u)×u，计算完成后转至步骤7；

步骤7，控制舵伺服系统。将舵角指令通过串口发送至所伺服系统实现船舶舵控制，完成后转至步骤8；

步骤8，采集当前舵角值，并进行判断。若舵角值存在故障转至步骤9，无故障转至步骤2，准备再次采样；

步骤9，将故障报告发至上位机，停止程序。

Claims (1)

1.船舶航向变论域模糊控制方法，其特征是：

(1)采集当前航向偏差值e；

(2)计算输入伸缩因子，根据当前航向偏差e及航向偏差变化率ec对变论域伸缩因子进行求解：航向偏差伸缩因子为α(e)＝(|e|/30)^0.6、航向偏差变化率伸缩因子为α(ec)＝(|ec|/0.4)^0.6；

(3)计算变论域模糊控制输入量：模糊控制航向偏差输入量Ke＝α(e)×e，航向偏差变化率Kec＝α(ec)×ec；

(4)以偏差输入量Ke及航向偏差变化率Kec作为模糊算法的输入量，利用常规模糊运算过程，求得模糊控制输出量u；

(5)计算输出控制舵角：输出伸缩因子为β(u)＝|e|，故输出控制舵角δ＝β(u)×u；

(6)将步骤(5)获得的舵角指令发送至所伺服系统实现船舶舵控制；

(7)采集当前舵角值，并进行判断：若舵角值存在故障则将故障报告发至上位机，停止程序；无故障转至步骤(1)，准备再次采样。

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