一种电动舵机的船舶操舵控制方法和控制系统

技术领域

本发明属于船舶操舵控制技术领域，具体涉及一种电动舵机的船舶操舵控制方法和控制系统。

背景技术

目前船舶均采用阀控液压操舵作为主操舵系统，液压操舵系统存在操舵辐射噪声大、跑舵及卡舵的问题。随着电动舵机研制工艺的逐渐成熟，有采用质量轻、工作稳定、相应迅速、易于布置和便于维护的电动舵机取代液压舵的趋势。

随着对船舶全航速电动舵机的研制，传统阀控液压操舵系统已经无法满足电动舵机的操舵需求，全航速的电动操舵系统是未来船舶操舵系统的发展方向。若用电动舵机取代液压泵阀，操舵控制系统的组成、控制对象、控制策略都将发生相应改变；而目前还没有与电动舵机相匹配的电动操舵系统，需要提出一种与电动操舵系统匹配的控制系统，使其实现电动操舵的功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种电动舵机的船舶操舵控制方法和控制系统，用于实现在船舶上对电动舵机的操舵应用功能。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种电动舵机的船舶操舵控制方法，包括以下步骤：

S1：建立电动舵机的船舶操舵控制系统：包括传感器、本地监控单元、综合操舵台和电动舵机；传感器安装在船舶的重心位置附近，传感器的信号输出端与本地监控单元的信号输入端连接；传感器包括深度传感器和倾角传感器；电动舵机、综合操舵台和本地监控单元分别挂接在CAN总线上；电动舵机与综合操舵台还通过硬接线连接；综合操舵台包括任务处理计算机、通讯模块、输入模块和输出模块；输入模块的信号输出端与任务处理计算机的信号输入端连接；输出模块的信号输入端与任务处理计算机的信号输出端连接；通讯模块的信号收发端与任务处理计算机的信号收发端连接；

S2：根据六自由度空间运动的一般方程建立船舶的运动模型：

S3：采用PID控制算法通过任务处理计算机实现包括航向控制器、深度控制器和纵倾控制器的操舵控制器：

S4：建立船舶的运动控制方程；

S5：对步骤S4得到的方程进行校验和仿真；

S6：根据步骤S5的仿真结果改进步骤S3的PID控制算法，优化控制参数，加入平滑滤波环节和操舵频率限定，使操舵控制器的控制性能满足控制技术指标要求。

按上述方案，所述的步骤S2中，具体步骤为：

S21：进行船模试验，获得船舶的水动力系数；

S22：根据步骤S21得到的船舶的水动力系数建立船舶的全系数运动方程，在Matlab软件中建立船舶的运动模型。

进一步的，所述的步骤S3中，具体步骤为：

S31：解耦步骤S2的六自由度空间运动的水平面运动和垂直面运动；

S32：根据步骤S21得到的船舶的水动力系数建立船舶的操纵性控制方程，在Matlab软件中建立船舶的控制模型。

进一步的，所述的步骤S32中，具体步骤为：设k为采样序号，设z(k)为第k时刻非线性水动力阻尼系数，θ(k)为第k时刻的纵倾角，

设k

一种电动舵机的船舶操舵控制系统，包括传感器、本地监控单元、综合操舵台和电动舵机；传感器包括深度传感器和倾角传感器；传感器安装在船舶的重心位置附近，传感器的信号输出端与本地监控单元的信号输入端连接，用于实时测量船舶的包括航向、深度和倾角的位姿信息，并将位姿信息发送给本地监控单元；电动舵机、综合操舵台和本地监控单元分别挂接在CAN总线上；电动舵机用于通过本地监控单元接收综合操舵台发送的操舵指令，并将状态信息反馈给本地监控单元；电动舵机与综合操舵台还通过硬接线连接，在本地监控单元故障的情况下，电动舵机通过硬接线接收综合操舵台的操舵指令并直接将状态信息反馈给综合操舵台；本地监控单元用于将收到的电动舵机的状态信息和船舶的位姿信息汇总后发送给综合操舵台，并将综合操舵台发送的操舵指令转发给电动舵机；综合操舵台包括任务处理计算机、通讯模块、输入模块和输出模块；任务处理计算机用于统一管理和调度整个系统，接收和处理用户的输入指令、电动舵机的状态信息和船舶的位姿信息，向显示器输出显示信号，并通过本地监控单元向电动舵机发送操舵指令；任务处理计算机包括操舵控制器，将传感器和电动舵机的回传信息作为整个操舵控制器的输入，操舵控制器用于解算出舵角值，并向电动舵机发送操舵指令，从而实现船舶的全自动操纵控制；操舵控制器包括航向控制器、深度控制器和纵倾控制器，分别用于根据电动舵机的状态信息和船舶的位姿信息实时解算出包括方向舵舵角值、艏升降舵舵角值和艉升降舵舵角值的舵角信息。

进一步的，将航向作为航向控制器的反馈输入，航向控制器的输出作为方向舵舵角值；将深度作为深度控制器的反馈输入，深度控制器的输出作为艏升降舵舵角值；将纵倾角作为纵倾控制器的反馈输入，纵倾控制器的输出作为艉升降舵舵角值。

进一步的，输入模块包括人机交互界面，人机交互界面的信号输出端与任务处理计算机的信号输入端连接，用于采集用户的输入指令并发送给任务处理计算机；输出模块包括显示器，显示器的信号输入端与任务处理计算机的信号输出端连接，用于把收到的显示信号转换为用户可见的图像和文字；通讯模块的信号收发端与任务处理计算机的信号收发端连接，用于使任务处理计算机与全船主干网进行通信。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供的一种电动舵机的船舶操舵控制方法和控制系统，以普通PID控制策略作为改进的目标，采用基于参数优化的PID控制策略，通过针对电动舵机进行建模，提出控制策略，搭建船舶操舵系统，实现了对电动舵机的控制，保障了电动舵机在船舶上的正常运行，满足了在船舶上对电动舵机的操舵要求。

2.本发明相比于传统的液压操舵系统具备响应速度快、控制精度高的特点，能够迅速调整舵角、更加精确地实现舵角的控制，减少了操舵的次数，简化了控制流程。

3.本发明通过建立船舶运动控制方程，通过控制算法自动解算出舵角，实现了船舶的全自动操纵控制；与现有的人工操纵控制模式相结合，保证了船舶可靠稳定地航行。

4.本发明的操舵控制算法采用PID控制算法和平滑滤波算法，有效避免了电动舵机执行机构在初始时刻的大启动带来的负面影响。

5.本发明的操舵控制算法加入了对操舵次数的限定，在满足控制技术指标的情况下，通过降低操舵频率降低船舶频繁操舵引起的噪声，进而降低船舶整体的噪音，提升了船舶的隐身性。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图。

图2是本发明实施例的功能框图。

图3是本发明实施例的定向10度航向角的控制曲线图。

图4是本发明实施例的定向30度航向角的控制曲线图。

具体实施方式

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。

参见图2，本发明提出了一种电动舵机的船舶操舵控制系统，包括传感器2、本地监控单元3、综合操舵台1和电动舵机4。

传感器2包括深度传感器和倾角传感器；传感器2安装在船舶的重心位置附近，传感器2的信号输出端与本地监控单元3的信号输入端连接，用于实时测量船舶的包括航向、深度和倾角的位姿信息，并将位姿信息发送给本地监控单元3。

电动舵机4、综合操舵台1和本地监控单3元分别挂接在CAN总线上。

电动舵机4用于通过本地监控单元3接收综合操舵台1发送的操舵指令，并将状态信息反馈给本地监控单元3；电动舵机4与综合操舵台1还通过硬接线连接，在本地监控单元3故障的情况下，电动舵机4通过硬接线接收综合操舵台1的操舵指令并直接将状态信息反馈给综合操舵台1。

本地监控单元3用于将收到的电动舵机4的状态信息和船舶的位姿信息汇总后发送给综合操舵台1，并将综合操舵台1发送的操舵指令转发给电动舵机4。

综合操舵台1包括任务处理计算机、通讯模块、人机交互界面和显示器。

人机交互界面的信号输出端与任务处理计算机的信号输入端连接，用于采集用户的输入指令并发送给任务处理计算机。

任务处理计算机用于统一管理和调度整个系统，接收和处理用户的输入指令、电动舵机4的状态信息和船舶的位姿信息，向显示器输出显示信号，并通过本地监控单元3向电动舵机4发送操舵指令。任务处理计算机包括操舵控制器，将传感器2和电动舵机4的回传信息作为整个操舵控制器的输入，操舵控制器用于解算出舵角值，并向电动舵机4发送操舵指令，从而实现船舶的全自动操纵控制。操舵控制器包括航向控制器、深度控制器和纵倾控制器，分别用于根据电动舵机4的状态信息和船舶的位姿信息实时解算出包括方向舵舵角值、艏升降舵舵角值和艉升降舵舵角值的舵角信息。

显示器的信号输入端与任务处理计算机的信号输出端连接，用于把收到的显示信号转换为用户可见的图像和文字。

通讯模块的信号收发端与任务处理计算机的信号收发端连接，用于使任务处理计算机与全船主干网进行通信。

船舶在水上三维空间的运动是复杂的综合运动，针对电动操舵要求的响应快、控制精度高等特点，本发明以参数优化的PID(比例proportion、积分integral、微分differential)控制算法为控制策略，对船舶采用三舵联合控制：将航向作为航向控制器的反馈输入，航向控制器的输出作为方向舵舵角值；将深度作为深度控制器的反馈输入，深度控制器的输出作为艏升降舵舵角值；将纵倾角作为纵倾控制器的反馈输入，纵倾控制器的输出作为艉升降舵舵角值。

参见图1，一种电动舵机的船舶操舵控制方法，包括以下步骤：

S1：建立电动舵机的船舶操舵控制系统：包括传感器2、本地监控单元3、综合操舵台1和电动舵机4；传感器2安装在船舶的重心位置附近，传感器2的信号输出端与本地监控单元3的信号输入端连接；传感器2包括深度传感器和倾角传感器；电动舵机4、综合操舵台1和本地监控单元3分别挂接在CAN总线上；电动舵机4与综合操舵台1还通过硬接线连接；综合操舵台1包括任务处理计算机、通讯模块、输入模块和输出模块；输入模块的信号输出端与任务处理计算机的信号输入端连接；输出模块的信号输入端与任务处理计算机的信号输出端连接；通讯模块的信号收发端与任务处理计算机的信号收发端连接；

S2：根据六自由度空间运动的一般方程建立船舶的运动模型：

S21：进行船模试验，获得船舶的水动力系数；

S22：根据步骤S21得到的船舶的水动力系数建立船舶的全系数运动方程，在Matlab软件中建立船舶的运动模型；

S3：采用PID控制算法通过任务处理计算机实现包括航向控制器、深度控制器和纵倾控制器的操舵控制器：

S31：解耦步骤S2的六自由度空间运动的水平面运动和垂直面运动；

S32：根据步骤S21得到的船舶的水动力系数建立船舶的操纵性控制方程，在Matlab软件中建立船舶的控制模型；

设k为采样序号，设z(k)为第k时刻非线性水动力阻尼系数，θ(k)为第k时刻的纵倾角，

设k

三组PID系数一般不相同，根据实际情况选取合适值；

S4：建立船舶的运动控制方程；

S5：对步骤S4得到的方程进行校验和仿真；

S6：根据步骤S5的仿真结果改进步骤S3的PID控制算法，优化控制参数，加入平滑滤波环节和操舵频率限定，使操舵控制器的控制性能满足控制技术指标要求。

参见图3和图4，本发明的实施例针对电动舵机的操舵控制系统进行自动定向测试，当航行器切换到自动定向控制时，要求航行器稳定的运行到设定角度，并保持该角度继续运行。分别对定向10°和30°、速度4节的情况下进行测试：

1.定向10°自动控制时，航行器运动141s后航向角第一次达到设定航向角10°；航行器运动210s时航向角达到最大值10.85°，最大超调量为8.5％；航行器运动352s后航行器航向角稳定在10°±0.1°；

2.定向30°自动控制时，航行器运动151s时航向角第一次达到设定航向角30°；航行器运动227秒时航向角达到最大值31.8°，最大超调量为6.57％；航行器运动367s后航行器航向角稳定在30°±0.3°。

由上述测试结果可知，分别定向航向角10°和30°时，超调量均小于10％，最大航行与稳定航向差值小于3°，满足自动定向控制时的技术指标要求。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。