CN107515629B - 一种全回转桨转舵过程中的pid速度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全回转桨转舵过程中的PID速度控制系统，包括：驾控台、中控箱PLC、变频驱动系统和速度编码器，本发明能保证船舶运行的稳定性，并延长了推进转舵系统的寿命，转舵信息实时反馈，自动判断转舵角度调节船舶最佳速度，使得船舶拥有最佳转舵半径并保证船舶转舵过程中的稳定性。

Description

一种全回转桨转舵过程中的PID速度控制系统

技术领域

本发明属于船舶全回转桨控制技术领域，具体涉及一种全回转桨转舵过程中的PID速度控制系统。

背景技术

全回转舵桨(舵桨装置及时舵与桨的作用合成一体，取代常规的舵和桨)在我国的应用越来越多。其优异的机动性能，便于操作、维修、节能等有点受到了广大船东的欢迎。但船况现场环境比较恶劣，偶尔遇到突然事件需要规避，因人工操舵偶尔存在注意力不集中、容易疲劳、误操作等不确定因素的存在，船舶在高速度需要大角度转舵时候，往往会导致船舶转舵半径过大，转舵过程中舵桨受力不平衡转舵过程不稳定，导致船舶推进转舵设备的寿命减少，船舶转舵过程中大角度倾斜甚至倾覆等安全隐患，严重影响船舶的正常稳定运行和船员们的身心安全。

因此，如何设计一种能够实现船舶转舵过程中全回转桨的速度控制系统成为本领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种全回转桨转舵过程中的PID速度控制系统，能保证船舶运行的稳定性，并延长了推进转舵系统的寿命，转舵信息实时反馈，自动判断转舵角度调节船舶最佳速度，使得船舶拥有最佳转舵半径并保证船舶转舵过程中的稳定性。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种全回转桨转舵过程中的PID速度控制系统，包括：驾控台、中控箱PLC、变频驱动系统和速度编码器，其特征在于，其中，

所述驾控台与所述中控箱PLC连接，用于向所述中控箱PLC发出指令；

所述中控箱PLC用于执行PID速度算法；

所述中控箱PLC与所述变频驱动系统连接，用于改变螺旋桨的转速；

所述速度编码器设置于全回转桨的舵桨上，所述速度编码器与所述中控箱PLC连接，用于将测得的舵桨的转速传递至中控箱PLC。

进一步的，所述变频驱动系统包括顺序连接的变频器、变频电机、主轴和旋转桨。

进一步的，还包括步进箱，所述中控箱PLC与所述步进箱连接，用于控制所述步进箱内的步进电机驱动舵桨进行转舵。

进一步的，所述中控箱PLC包括：

用于转换执行处理模块的转换模块；

用于执行所述PID速度算法的处理模块；以及

用于转化PID速度算法所得控制信息的控制模块。

进一步的，所述驾控台、所述中控箱PLC、所述变频驱动系统之间的连接方式为一主一备的双路连接

进一步的，所述PID速度算法为u(t)＝kp(e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt)，其中，其中kp为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数，e(t)为输入，u(t)为输出。

同时，本发明提供了一种全回转桨转舵过程中的PID速度控制系统进行速度控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)船舶以既定速度运行，驾控台向中控箱PLC发出转舵指令；

2)中控箱PLC内执行PID速度算法对转舵角度和舵桨速度进行计算是否需要进行减速转舵，若需要，则将控制信号发送至变频驱动系统；

3)变频驱动系统的变频器控制变频电机进行递进降速，完成平稳转舵；

4)转舵完成，变频器控制变频电机进行递进加速至船舶航行的既定速度或新设定的速度。

进一步的，所述步骤2)中，转换模块选择处理模块并将既定速度、转舵角度和舵桨转速发送至设置有PID速控算法的处理模块，控制模块将所得的控制信息进行转化为变频驱动系统的控制信号

本发明的有益效果在于：

(1)保证船舶运行的稳定性，并延长了推进转舵系统的寿命。

(2)转舵信息实时反馈，自动判断转舵角度调节船舶最佳速度，使得船舶拥有最佳转舵半径并保证船舶转舵过程中的稳定性。

附图说明

图1为本发明全回转桨转舵过程中的PID速度控制系统示意图。

图2为本发明船舶转向运行轨迹示意图。

其中，D.稳定回转直径Tr.正横向距离Ab.纵距β.船速与X轴夹角Dt.战术直径。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请注意，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种全回转桨转舵过程中的PID速度控制系统，主要包括：驾控台、中控箱PLC、变频驱动系统和速度编码器，图1为本发明全回转桨转舵过程中的PID速度控制系统示意图，如图1所示,本发明的系统还包括：步进箱、舵角反馈器和电源分电箱，所述舵角反馈器用于实时反馈舵角数据至中控箱PLC，所述电源分电箱为整个船舶的控制系统供电。

根据本发明的具体实施例，所述驾控台与所述中控箱PLC连接，用于向所述中控箱PLC发出指令；所述中控箱PLC与所述步进箱连接，其中，所述驾控台上设置有手柄，驾控台与舵角反馈器连接并实时显示舵角反馈器反馈的舵角信息，驾驶人员使用操作手柄下达船舶转舵指令，中控箱PLC收到转舵指令后与当前舵角反馈器实时反馈的舵角信息形成一个舵角差，中控箱PLC将控制信号发送至步进箱，使得步进箱内的步进电机驱动舵桨进行转舵。

根据本发明的具体实施例，所述中控箱PLC用于模拟并执行PID速度算法；船舶内的多数控制都是由中控箱PLC实现的，而且船舶内空间宝贵，线路连接复杂，增添一个独立的PID会给船舶日常的维护的维修增加难度，因此，在本发明的一些具体实施方式中，使用中控箱PLC模拟PID速度算法，当然也可以使用独立的PID控制系统，本发明对此并不做限制；所述PID速度算法u(t)＝kp(e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt)，其中kp为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数，e(t)为输入，u(t)为输出。

根据本发明的具体实施例，所述速度编码器设置于全回转桨的舵桨上，所述速度编码器与所述中控箱PLC连接，用于将测得的舵桨实时转速传递至中控箱PLC，中控箱PLC内的转换模块将舵桨的实时转速传送给所述设有PID速度算法的处理模块。

根据本发明的具体实施例，所述中控箱PLC与所述变频驱动系统连接，用于改变螺旋桨的转速；其所述中控箱PLC包括：用于转换执行处理模块的转换模块；用于所述模拟和运行所述PID速度算法的处理模块；以及用于转化PID速度算法所得控制信息的控制模块，其中，中控箱内的多个模块可以理解为：中控箱作为船舶控制的枢纽，包括多个处理模块，用于不同环境的控制，例如，转舵和变速，在需要进行转舵减速时，转换模块将既定速度、转舵角度和舵桨转速设有PID速度算法的处理模块，处理模块将PID速度算法计算所得的控制信息发送至控制模块，控制模块将所得的控制信息进行转化为变频驱动系统的控制信号，变频驱动系统收到信号后进行变速；

其中，所述变频驱动系统包括顺序连接的变频器、变频电机、主轴和旋转桨，变频器收到来自中控箱PLC的控制信号后控制变频电机变速，进而带动主轴、旋转桨转动。

根据本发明的具体实施例，驾控台、中控箱、变频驱动系统之间的连接方式为一主一备的双路连接方式，进一步增加了系统的稳定性和可靠性。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种全回转桨转舵过程中的PID速度控制方法，包括以下步骤：

1)船舶以既定速度运行，驾控台向中控箱PLC发出转舵指令；

2)中控箱PLC内模拟的PID速度算法对转舵角度和舵桨速度进行计算是否需要进行减速转舵，若需要，则将控制信号发送至变频驱动系统，其中，转换模块选择处理模块并将既定速度、转舵角度和舵桨转速发送至设置有PID速控算法的处理模块，控制模块将所得的控制信息进行转化为变频驱动系统的控制信号；

3)变频驱动系统的变频器控制变频电机进行递进降速，完成平稳转舵；

4)转舵完成或即将完成时，变频器控制变频电机进行递进加速至船舶航行的既定速度或新设定的速度。

根据发发明的具体实施例，图2为本发明船舶转向运行轨迹示意图，如图2所示，PID速度控制算法计算所得的路径轨迹包括：稳定回转直径D；正横向距离Tr：从船舶原来航线至船首转向90°时，船总中剖所在位置之间的距离；纵距Ab：从转舵开始时刻船舶重心G所在的位置,至船首转向90°时船舶纵中剖面沿原航行方向前进的距离；船速与X轴夹角β，顺时针为正；战术直径Dt：从船舶原来航线至船首转向180°时，船总中剖所在位置之间的距离，其中，战术直径：稳定回转直径为0.9-1.2。

全回转桨转舵过程中速度PID控制系统主要简述为驾控台上的操纵手柄发出的随动舵角度指令，经过单片机读取后转换为数字量通过485协议传送到中控箱内的PLC，并与从舵角反馈器读取的舵角信号形成一个舵角差，当舵角差大于一定角度时候，船舶推进的速度过大会影响转舵的效果，这时候可以通过PLC中PID算法处理将速度调低到一定范围，而舵角差缩小到一定角度时候，船舶的PID控制将速度逐渐回复到原来的速度，以达到转舵过程中平稳过度且能迅速回复船舶的速度。

另外，这套控制系统集成了电子罗盘倾角数据的采集，当船舶倾角达到一定警戒状态时候，必须把速度停下来，同时暂时停止转舵，避免船倾覆的危险。当船舶倾角小于一定角度时候，船舶继续完成转舵过程。保证在回转性能要求的前提下对速度进行控制而不是单纯的降低速度。

全回转桨转舵过程中PID速度控制系统转舵过程中速度是按照PID控制曲线来完成推进速度的改变。当转角越大时候，速度曲线倾斜度越大，当转角慢慢向指定转角过渡时候，速度曲线变得平缓。整个过程中需要保证船舶运行速度的平稳变化，这样既保证了船舶运行过程中的稳定性，也减小了操舵人员的工作量，达到了一举两得的效果

综上所述本发明的全回转桨转舵过程中的PID速度控制系统，能保证船舶运行的稳定性，并延长了推进转舵系统的寿命，转舵信息实时反馈，自动判断转舵角度调节船舶最佳速度，使得船舶拥有最佳转舵半径并保证船舶转舵过程中的稳定性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。

Claims (3)

1.一种全回转桨转舵过程中的PID速度控制系统，包括：驾控台、中控箱PLC、变频驱动系统和速度编码器，其特征在于，所述驾控台与所述中控箱PLC连接，用于向所述中控箱PLC发出指令；所述中控箱PLC用于执行PID速度算法；所述中控箱PLC与所述变频驱动系统连接，用于改变螺旋桨的转速；所述速度编码器设置于全回转桨的舵桨上，所述速度编码器与所述中控箱PLC连接，用于将测得的舵桨的转速传递至中控箱PLC；所述变频驱动系统包括顺序连接的变频器、变频电机、主轴和螺旋桨，所述中控箱PLC与步进箱连接，用于控制所述步进箱内的步进电机驱动舵桨进行转舵；所述中控箱PLC包括：用于转换执行处理模块的转换模块；用于执行所述PID速度算法的处理模块；以及用于转化PID速度算法所得控制信息的控制模块；

PID速度算法计算所得的路径轨迹包括：稳定回转直径D；正横向距离Tr：从船舶原来航线至船首转向90°时，船总中剖所在位置之间的距离；纵距Ab：从转舵开始时刻船舶重心G所在的位置,至船首转向90°时船舶纵中剖面沿原航行方向前进的距离；船速与X轴夹角β，顺时针为正；战术直径Dt：从船舶原来航线至船首转向180°时，船总中剖所在位置之间的距离；其中，战术直径：稳定回转直径D为0.9-1.2；并且，集成电子罗盘倾角数据的采集，当船舶倾角达到警戒状态时，把速度停下来，同时暂时停止转舵；当船舶倾角小于警戒角度时，船舶继续完成转舵过程；

PID速度控制系统进行速度控制时：船舶以既定速度运行，驾控台向中控箱PLC发出转舵指令；中控箱PLC内执行PID速度算法对转舵角度和舵桨速度进行计算是否需要进行减速转舵，若需要，则将控制信号发送至变频驱动系统，具体为：转换模块选择处理模块并将既定速度、转舵角度和舵桨转速发送至设置有PID速控算法的处理模块，控制模块将所得的控制信息进行转化为变频驱动系统的控制信号；变频驱动系统的变频器控制变频电机进行递进降速，完成平稳转舵；转舵完成，变频器控制变频电机进行递进加速至船舶航行的既定速度或新设定的速度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述驾控台、所述中控箱PLC、所述变频驱动系统之间的连接方式为一主一备的双路连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PID速度算法为u(t)＝kp(e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt)，其中kp为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数，e(t)为输入，u(t)为输出。

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