CN109625232A - 一种电动转舵全回转的舵角控制最短路径的方法 - Google Patents

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Nanjing High Speed and Accurate Gear Group Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种电动转舵全回转的舵角控制最短路径的方法，该方法具体要求如下：通过全回转远程遥控系统发出指令，通过控制方法处理单元，得到全回转远程遥控系统的实际舵角，与实际舵角反馈进行比较，得到差值σ；根据所述差值，控制方法处理单元运用ADRC算法向舵角控制器即转舵变频器发出运行指令，同时给出转舵变频器正向或者反向运转的速度指令，使得所述差值σ在控制方法处理单元设定的范围内，此设定的范围可在控制方法处理单元中通过人机界面设定，可根据实船和实际使用状况而定。本发明的优点在于：通过本发明能够精准、及时地控制全回转的舵角，全回转的舵角综合匹配船体布置，即可反馈出船舶的推力，从而提高船舶控制的精确度。

Description

一种电动转舵全回转的舵角控制最短路径的方法
技术领域
本发明涉及舵角控制技术领域，特别涉及一种电动转舵全回转的舵角控制最短路径的方法。
背景技术
全回转推进装置可在360°范围全角度旋转，船舶的推力可只通过全回转角度的改变即可实现变化，而无需通过全回转桨叶的正反转来实现，这样可提高船舶操纵的效率，也能节省燃料和提高航速，增大推进的效率。一般全回转推进器装置的转舵范围液压转舵和电动转舵，近几年，由于环保以及液压复杂管路导致泄漏等其他原因，电动转舵已经成为现阶段全回转转舵的主流方式。
目前90％的控制都是使用PID控制，PID控制器算法简单、结构可靠，稳定性较好，但是PID在实际应用时，PID控制器的参数是通过经验设置的，只是对应于具体的海况，若海况发生变化时，由于控制器的参数不能随之发生改变，控制效果会略有下降，需要重新设置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电动转舵全回转的舵角控制最短路径的方法，避免了PID控制的缺点，能够适应各种海况，快速解决外部和内部带来的扰动，自适应能力较强。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种电动转舵全回转的舵角控制最短路径的方法，其创新点在于：所述控制方法通过电动转舵全回转的舵角控制系统进行控制，电动转舵全回转的舵角控制系统包括远程遥控系统、控制方法处理单元、转舵变频器、转舵电机及执行机构和舵角反馈机构；
所述远程遥控系统包括水平可360°旋转的全回转手柄，通过全回转手柄的旋转把角度命令值输入到远程遥控系统，进而通过全回转远程遥控系统发出指令，传输到控制方法处理单元；控制方法处理单元接受全回转远程遥控系统的命令值，再实时记录舵角反馈机构的舵角实际反馈值，根据两者之间的差值σ，通过控制方法处理单元运用ADRC算法，结合控制方法处理单元中人机界面设定的模式、死区范围、转舵运行速度，最后输出转舵变频器的运行指令及正转或者反转的速度指令，再驱动转舵电机及执行机构，最终形成舵角的精准的闭环控制，实现船舶推力的精确调整。
进一步地，所述控制方法处理单元采用自抗扰控制算法，v表示跟踪微分器的输入是系统给定信号，v1为跟踪输入信号，v2则是v1的微分；状态误差反馈控制率就是将v1与z1之间的误差e1以及v2与z2之间的误差e2通过合适的非线性控制率组合，从而产生系统的控制量u0，u0经过扰动补偿环节，u是控制输入；其中z3是观测扰动，z1，z2分别是扩张状态观测器观测到的系统输出值和微分信号，y是观测输出；给定一个目标舵角，通过跟踪微分器给出跟踪舵角和跟踪舵角的角速度，跟踪舵角，即目标舵角与扩张状态观测器输出的观测舵角，即实际舵角的差值ei＝vi-zi；通过状态误差反馈控制率输出电压u0，该部分利用非线性函数fal，即u0＝β1fal(e1,α,δ)+…+βnfal(en,α,δ)式中β1、α和δ为可调参数。
进一步地，所述人机界面通过JAVA进行编写，运行状态主要是显示当前的船舶航速、航向以及舵角，便于实时掌控，系统设置为自动模式或手动模式，方便改变船舶的航速和舵角，自动模式，则只需输入舵角和速度，船舶根据自抗扰控制算法自动改变航速和舵角。
本发明的优点在于：本发明电动转舵全回转的舵角控制最短路径的方法，提出了用ADRC控制，避免了PID控制的缺点，能够适应各种海况，快速解决外部和内部带来的扰动，自适应能力较强；该发明几乎与模型无关，并且反应敏捷，有较好的灵活性和易用性，在降低成本的同时保证了系统的稳定性；此外，本发明具有易维护、高精度等特点，远程遥控系统的命令值和实际舵角反馈值可通过控制方法处理单元人机界面中校准，死区范围也可通过此人机界面设定，同时可根据船舶需要设定不同工况下不同的死区范围，转舵变频器的转舵速度也可根据工况及操纵性的要求来设定。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为电动转舵全回转的舵角控制最短路径的控制方法结构示意图。
图2为自抗扰控制算法的控制结构示意图。
图3为简单人机界面示意图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例
本实施例电动转舵全回转的舵角控制最短路径的方法，该控制方法通过电动转舵全回转的舵角控制系统进行控制，如图1所示，电动转舵全回转的舵角控制系统包括远程遥控系统1、控制方法处理单元2、转舵变频器3、转舵电机及执行机构4和舵角反馈机构5。
远程遥控系统1包括水平可360°旋转的全回转手柄，通过全回转手柄的旋转把角度命令值输入到远程遥控系统1，进而通过全回转远程遥控系统1发出指令，传输到控制方法处理单元2；控制方法处理单元2接受全回转远程遥控系统1的命令值，再实时记录舵角反馈机构5的舵角实际反馈值，根据两者之间的差值σ，通过控制方法处理单元2运用ADRC算法，结合控制方法处理单元2中人机界面设定的模式、死区范围、转舵运行速度，最后输出转舵变频器3的运行指令及正转或者反转的速度指令，使得所述差值σ在控制方法处理单元设定的范围内，此设定的范围可在控制方法处理单元2中通过人机界面设定，通常设定为1°，可根据实船和实际使用状况而定；再驱动转舵电机及执行机构4，最终形成舵角的精准的闭环控制，实现船舶推力的精确调整。
作为实施例，更具体的实施方式为控制方法处理单元1采用自抗扰控制算法，如图2所示，v表示跟踪微分器的输入是系统给定信号，v1为跟踪输入信号，v2则是v1的微分；状态误差反馈控制率就是将v1与z1之间的误差e1以及v2与z2之间的误差e2通过合适的非线性控制率组合，从而产生系统的控制量u0，u0经过扰动补偿环节，u是控制输入；其中z3是观测扰动，z1，z2分别是扩张状态观测器观测到的系统输出值和微分信号，y是观测输出；给定一个目标舵角，通过跟踪微分器给出跟踪舵角和跟踪舵角的角速度，跟踪舵角，即目标舵角与扩张状态观测器输出的观测舵角，即实际舵角的差值ei＝vi-zi；通过状态误差反馈控制率输出电压u0，该部分利用非线性函数fal，即u0＝β1fal(e1,α,δ)+…+βnfal(en,α,δ)式中β1、α和δ为可调参数。
如图3所示，人机界面通过JAVA进行编写，运行状态主要是显示当前的船舶航速、航向以及舵角，便于实时掌控，系统设置为自动模式或手动模式，方便改变船舶的航速和舵角，自动模式，则只需输入舵角和速度，船舶根据自抗扰控制算法自动改变航速和舵角。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种电动转舵全回转的舵角控制最短路径的方法，其特征在于：所述控制方法通过电动转舵全回转的舵角控制系统进行控制，电动转舵全回转的舵角控制系统包括远程遥控系统、控制方法处理单元、转舵变频器、转舵电机及执行机构和舵角反馈机构；
所述远程遥控系统包括水平可360°旋转的全回转手柄，通过全回转手柄的旋转把角度命令值输入到远程遥控系统，进而通过全回转远程遥控系统发出指令，传输到控制方法处理单元；控制方法处理单元接受全回转远程遥控系统的命令值，再实时记录舵角反馈机构的舵角实际反馈值，根据两者之间的差值σ，通过控制方法处理单元运用ADRC算法，结合控制方法处理单元中人机界面设定的模式、死区范围、转舵运行速度，最后输出转舵变频器的运行指令及正转或者反转的速度指令，再驱动转舵电机及执行机构，最终形成舵角的精准的闭环控制，实现船舶推力的精确调整。
2.根据权利要求1所述的电动转舵全回转的舵角控制最短路径的方法，其特征在于：所述控制方法处理单元采用自抗扰控制算法，v表示跟踪微分器的输入是系统给定信号，v1为跟踪输入信号，v2则是v1的微分；状态误差反馈控制率就是将v1与z1之间的误差e1以及v2与z2之间的误差e2通过合适的非线性控制率组合，从而产生系统的控制量u0，u0经过扰动补偿环节，u是控制输入；其中z3是观测扰动，z1，z2分别是扩张状态观测器观测到的系统输出值和微分信号，y是观测输出；给定一个目标舵角，通过跟踪微分器给出跟踪舵角和跟踪舵角的角速度，跟踪舵角，即目标舵角与扩张状态观测器输出的观测舵角，即实际舵角的差值ei＝vi-zi；通过状态误差反馈控制率输出电压u0，该部分利用非线性函数fal，即u0＝β1fal(e1,α,δ)+···+βnfal(en,α,δ)式中β1、α和δ为可调参数。
3.根据权利要求2所述的电动转舵全回转的舵角控制最短路径的方法，其特征在于：所述人机界面通过JAVA进行编写，运行状态主要是显示当前的船舶航速、航向以及舵角，便于实时掌控，系统设置为自动模式或手动模式，方便改变船舶的航速和舵角，自动模式，则只需输入舵角和速度，船舶根据自抗扰控制算法自动改变航速和舵角。
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