專利名稱：一種船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種船舶控制與仿真技術(shù)領(lǐng)域的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，特別是一種船舶 主動力與操縱綜合優(yōu)化控制硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
長期以來，船舶作為海上交通運輸?shù)闹匾ぞ撸爸鲃恿εc操舵控制兩個系統(tǒng) 是完全獨立的，而實際上，船舶主動力的控制與船舶運動密切相關(guān)，根據(jù)船舶操縱原理，舵 與水的相對速度越高，舵效就越明顯。船速高時，操舵的控制作用效果顯著；在船舶靠離泊 時，通常船速較低，這時仍需要頻繁控制主機(jī)轉(zhuǎn)速，使螺旋槳產(chǎn)生相對于舵葉的水流，以保 證操舵效果，從而獲得良好的船舶操縱特性。船舶柴油主機(jī)在額定負(fù)荷工作點時效率最高， 此時主機(jī)運行于經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定可靠的工作狀態(tài)。當(dāng)船舶轉(zhuǎn)向時，舵要偏轉(zhuǎn)一個角度，船體在斜 水流中前進(jìn)，船舶阻力要比直線航行時明顯增加，在相同的螺旋槳轉(zhuǎn)速下，船速會降低，螺 旋槳特性曲線變陡，可能產(chǎn)生主機(jī)排煙溫度升高、燃燒不完全，機(jī)械超負(fù)荷的情況，嚴(yán)重時 可引起主機(jī)氣缸套、氣缸蓋損壞。船舶主機(jī)和操舵采用完全獨立的控制方式，存在明顯的局限性，若能實現(xiàn)船舶主 動力與操縱綜合優(yōu)化控制，既可實現(xiàn)船舶節(jié)能，又可減少對于船舶主機(jī)運行的不利影響，從 而有利于取得船舶運動控制的優(yōu)化效果。但是在實際船舶上驗證這種綜合優(yōu)化控制算法面 臨很多困難首先想要在實際船舶上做研究就必須辦理包括海員證在內(nèi)的各種煩雜手續(xù)； 其次船舶在海上正常運行時也不太可能讓研究人員根據(jù)研究的內(nèi)容改動各種裝置的參數(shù)； 若自行租用船舶，需要大量的人力財力來支持，在現(xiàn)有的條件下無法實現(xiàn)。硬件在環(huán)仿真方法是將物理模型和數(shù)學(xué)模型聯(lián)合在一起進(jìn)行試驗的一種方法，它 將實際系統(tǒng)的一部分設(shè)備和計算機(jī)相互連接，用數(shù)學(xué)仿真的方式對其中不存在或不便于實 驗的部分系統(tǒng)進(jìn)行仿真，同時保證整個系統(tǒng)實時運轉(zhuǎn)。該仿真技術(shù)綜合了物理仿真和數(shù)學(xué) 仿真兩者的優(yōu)點，充分利用計算機(jī)建模的簡易性，減少了費用，便于對系統(tǒng)的模型部分進(jìn)行 靈活快捷的仿真、變更。該仿真技術(shù)在機(jī)械、電子、航天航空和武器研制等領(lǐng)域已得到了廣 泛應(yīng)用，尤其是在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，由于系統(tǒng)功能日益豐富，設(shè)計難度日益加大，利 用硬件在環(huán)仿真作為整個系統(tǒng)的開發(fā)平臺則可以預(yù)先逐步檢驗控制系統(tǒng)設(shè)計的合理性和 可靠性，從而大大提高控制系統(tǒng)的研制質(zhì)量，減小研制風(fēng)險和提高設(shè)計成功率。但船舶主動 力與操縱綜合優(yōu)化控制硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)目前尚處在研制階段，沒有成型的產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計一種可以實現(xiàn)實船操縱方式模擬 和船舶綜合優(yōu)化控制算法測試功能的船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控 制的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，包括虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)、船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器、 船舶操舵與主機(jī)控制臺、船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)、系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器和以太網(wǎng)，所述的虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)、船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器、船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)、系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器分別 通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互交換，船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器和船舶操舵與主機(jī)控 制臺間直接通過模擬電平連接；所述的虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)包括船舶運動數(shù)學(xué)模型和船舶柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型，運 行時，通過以太網(wǎng)接收船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器輸出的船舶舵角和主機(jī)給油量兩 個控制量，并根據(jù)接收到的船舶舵角和主機(jī)給油量，由船舶運動數(shù)學(xué)模型和船舶柴油機(jī)數(shù) 學(xué)模型計算得到船舶船速、船舶航向、主機(jī)轉(zhuǎn)速、主機(jī)功率等參數(shù)，且通過以太網(wǎng)輸出到其 它系統(tǒng)；所述的船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器裝載船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制 算法，根據(jù)給定的船舶航向、航速車令，協(xié)調(diào)船舶操縱性、主機(jī)工作特性、船舶裝載、海洋環(huán) 境擾動、航行安全、經(jīng)濟(jì)航行等因素，實現(xiàn)對船舶主動力與操縱的一體化綜合優(yōu)化控制；所述的船舶操舵與主機(jī)控制臺包括操舵儀、主機(jī)車鐘、顯示儀表和指示燈；所述的船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)包括視頻監(jiān)視系統(tǒng)和船舶狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對機(jī) 艙和駕駛室監(jiān)控現(xiàn)場的視頻圖像進(jìn)行實時采集、實時播放及實時存儲，并采用IP組播技術(shù) 向其他系統(tǒng)傳輸實時圖像；所述的系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器負(fù)責(zé)對虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)、船舶主動力與操縱綜合優(yōu) 化控制器、船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度。本發(fā)明所述的虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)的軟件采用Visual C++和Vega混合編程 實現(xiàn)，所述的虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)、船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)和系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器的軟件采用 Visual C++語言開發(fā)。本發(fā)明所述的系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器利用邏輯時間和邏輯時間戳機(jī)制，采用一種同步啟 動調(diào)度策略對虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)、船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器和船舶監(jiān)控仿真 系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，實現(xiàn)各仿真子系統(tǒng)加入、仿真啟動，仿真運行、仿真結(jié)束等控制。本發(fā)明所述的船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器裝載有船舶主動力與操縱綜合 優(yōu)化控制算法軟件，并執(zhí)行以下程序A、當(dāng)船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)設(shè)置船舶控制方式為自動狀態(tài)時，船舶主動力與操縱綜合 優(yōu)化控制器接收船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)發(fā)送的期望航向、航速以及控制參數(shù)，利用其中裝載 的綜合優(yōu)化控制算法得到船舶舵角和給油量，并對虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制；B、當(dāng)船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)設(shè)置船舶控制方式為隨動狀態(tài)時，船舶操舵與主機(jī)控制臺 通過操舵儀的操縱舵輪直接輸出舵角信號，通過車鐘上的操縱手柄直接輸出給油量信號， 并作為船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器的控制量輸出，對虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)進(jìn)行開 環(huán)控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果1、由于本發(fā)明用戶可根據(jù)需要在船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)中提供的用戶界面上設(shè)置不 同船舶參數(shù)如船舶長度、吃水、方形系數(shù)及海況參數(shù)如風(fēng)浪強(qiáng)度、方向等，因而可以模擬不 同類型船舶在各種海況下的控制仿真效果。2、由于本發(fā)明用戶可以在船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)中提供的用戶界面上設(shè)置船舶操縱 方式，分為自動和隨動操縱兩種狀態(tài)。在自動操縱狀態(tài)下，用戶可通過設(shè)定期望航向和航 速，由船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器實現(xiàn)船舶的自動航行，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)；在隨動操縱狀態(tài)下，可以通過船舶操舵與主機(jī)控制臺上的操舵儀和車鐘手柄直接改變船舶運動的航向 和航速，構(gòu)成開環(huán)系統(tǒng)。這種開環(huán)與閉環(huán)兩種控制方式符合實際船舶操縱，一般在大洋航行 時用閉環(huán)控制，在淺狹水道及靠港時用開環(huán)控制。由于可以設(shè)置不同的操縱方式，因而可以 實現(xiàn)實船操縱方式模擬。3、由于本發(fā)明的船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器裝載船舶主動力與操縱綜合 優(yōu)化控制算法，可以根據(jù)給定的船舶航向、航速車令，協(xié)調(diào)船舶操縱性、主機(jī)工作特性、船舶 裝載、海洋環(huán)境擾動、航行安全、經(jīng)濟(jì)航行等因素，該系統(tǒng)可實現(xiàn)船舶主動力與操縱的一體 化綜合優(yōu)化控制。4、由于本發(fā)明在船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)中安裝了攝像頭和視頻采集卡，能對機(jī)艙和駕 駛室的視頻圖像進(jìn)行實時采集、實時播放及實時存儲，同時對船舶運行的詳細(xì)情況如航向、 航速、舵角、轉(zhuǎn)艏角速率，以及主機(jī)轉(zhuǎn)速、主機(jī)功率等進(jìn)行實時監(jiān)測，并畫出航向、舵角和船 速變化的監(jiān)測曲線，用戶可以根據(jù)監(jiān)控結(jié)果測試出船舶綜合優(yōu)化控制算法的性能，并通過 調(diào)整參數(shù)，使得船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制算法達(dá)到預(yù)期效果。5、由于本發(fā)明的船舶操舵與主機(jī)控制臺上有操舵儀，主機(jī)車鐘，以及顯示儀表，指 示燈等，用戶可操縱舵輪實時控制船舶航向，操縱車鐘手柄可以實時控制船舶航速。6、由于本發(fā)明船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，能讓用戶實現(xiàn) 對虛擬船舶航向和航速的自動控制，為在實驗室環(huán)境進(jìn)行船舶運動控制器和控制算法的研 究提供一個有效的仿真平臺，對加速先進(jìn)控制理論在船舶控制領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義， 也可作為船舶控制系統(tǒng)仿真的科研設(shè)備提供博士、碩士研究生和教師使用。


本發(fā)明僅有附圖1張，其中圖1是本發(fā)明一種船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的組成結(jié) 構(gòu)框圖。圖中1、虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)，2、船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器，3、船舶操 舵與主機(jī)控制臺，4、船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)，5、系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器，6、以太網(wǎng)。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地描述。如圖1所示，一種船舶主動力與操縱 綜合優(yōu)化控制的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，包括虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)1、船舶主動力與操縱綜合 優(yōu)化控制器2、船舶操舵與主機(jī)控制臺3、船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)4、系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器5和以太網(wǎng) 6，所述的虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)1、船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器2、船舶監(jiān)控仿真系 統(tǒng)4、系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器5分別通過以太網(wǎng)6實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互交換，船舶主動力與操縱綜合優(yōu) 化控制器2和船舶操舵與主機(jī)控制臺3間直接通過模擬電平連接；所述的虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)1包括船舶運動數(shù)學(xué)模型和船舶柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型， 運行時，通過以太網(wǎng)6接收船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器2輸出的船舶舵角和主機(jī)給 油量兩個控制量，并根據(jù)接收到的船舶舵角和主機(jī)給油量，由船舶運動數(shù)學(xué)模型和船舶柴 油機(jī)數(shù)學(xué)模型計算得到船舶船速、船舶航向、主機(jī)轉(zhuǎn)速、主機(jī)功率等參數(shù)，且通過以太網(wǎng)6 輸出到其它系統(tǒng)；
所述的船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器2裝載船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控 制算法，根據(jù)給定的船舶航向、航速車令，協(xié)調(diào)船舶操縱性、主機(jī)工作特性、船舶裝載、海洋 環(huán)境擾動、航行安全、經(jīng)濟(jì)航行等因素，實現(xiàn)對船舶主動力與操縱的一體化綜合優(yōu)化控制；所述的船舶操舵與主機(jī)控制臺3包括操舵儀、主機(jī)車鐘、顯示儀表和指示燈；所述的船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)4包括視頻監(jiān)視系統(tǒng)和船舶狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對 機(jī)艙和駕駛室監(jiān)控現(xiàn)場的視頻圖像進(jìn)行實時采集、實時播放及實時存儲，并采用IP組播技 術(shù)向其他系統(tǒng)傳輸實時圖像；所述的系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器5負(fù)責(zé)對虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)1、船舶主動力與操縱綜 合優(yōu)化控制器2、船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)4進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度。本發(fā)明所述的虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)1的軟件采用Visual C++和Vega混合編程 實現(xiàn)，所述的虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)1、船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)4和系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器5的軟件采 用Visual C++語言開發(fā)。所述的系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器5利用邏輯時間和邏輯時間戳機(jī)制，采 用一種同步啟動調(diào)度策略對虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)1、船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器 2和船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)4進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，實現(xiàn)各仿真子系統(tǒng)加入、仿真啟動，仿真運行、仿真 結(jié)束等控制。所述的船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器2裝載有船舶主動力與操縱綜合優(yōu) 化控制算法軟件，并執(zhí)行以下程序A、當(dāng)船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)4設(shè)置船舶控制方式為自動狀態(tài)時，船舶主動力與操縱綜 合優(yōu)化控制器2接收船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)4發(fā)送的期望航向、航速以及控制參數(shù)，利用其中裝 載的綜合優(yōu)化控制算法得到船舶舵角和給油量，并對虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)1進(jìn)行閉環(huán)控 制；B、當(dāng)船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)4設(shè)置船舶控制方式為隨動狀態(tài)時，船舶操舵與主機(jī)控制 臺3通過操舵儀的操縱舵輪直接輸出舵角信號，通過車鐘上的操縱手柄直接輸出給油量信 號，并作為船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器2的控制量輸出，對虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)1 進(jìn)行開環(huán)控制。本發(fā)明以三維虛擬仿真的方式展現(xiàn)一艘船舶的航向和航速的實時控制仿真過程， 由操舵儀-舵-船舶航向、主機(jī)_螺旋槳_船舶航速構(gòu)成了一個完整的船舶閉環(huán)控制系統(tǒng)。在隨動操縱方式下，通過操縱船舶操舵與主機(jī)控制臺3上的操舵儀舵輪可以實時 改變船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)1中船舶運動航向；通過操縱船舶操舵與主機(jī)控制臺3上 的車鐘手柄設(shè)定各種正、倒車車令，并調(diào)節(jié)給油量的大小，可以實時改變船舶運動虛擬現(xiàn)實 仿真系統(tǒng)1中船舶航速，系統(tǒng)配有機(jī)艙實時音響仿真效果，逼真地體現(xiàn)了主機(jī)起動，換向， 加、減速，穩(wěn)定運行時的現(xiàn)場感。在自動操縱方式下，船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器2接收船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng) 4發(fā)送的期望航向、航速以及控制參數(shù)，利用控制器中裝載的綜合優(yōu)化控制算法得到船舶舵 角和給油量，對虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)1進(jìn)行閉環(huán)控制，實現(xiàn)航向與航速的自動控制。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的工作過程和有益效果作進(jìn)一步地說明1、虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)1由VC++和Vega混合編程實現(xiàn)，該系統(tǒng)中仿真模擬的 船舶是超巴拿馬型第五代集裝箱船5446TEU系列集裝箱船，該集裝箱船設(shè)備先進(jìn)，載重量 大，最大航速達(dá)到27節(jié)，額定航速為24. 5節(jié)。具體參數(shù)為船長280米，兩柱間長267米，船 寬39. 8米，船舶空載質(zhì)量3. 5453萬噸，船舶滿載質(zhì)量6. 5531萬噸，設(shè)計吃水T12. 532米，滿載吃水14. 032米。該系統(tǒng)包含了船舶運動數(shù)學(xué)模型，船舶柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)運行時，虛擬船舶運 動仿真系統(tǒng)1通過以太網(wǎng)6接收船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器2輸出的船舶舵角和主 機(jī)給油量兩個控制量，并根據(jù)接收到的船舶舵角和主機(jī)給油量，由船舶運動數(shù)學(xué)模型和船 舶柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型計算得到船舶船速，船舶航向，主機(jī)轉(zhuǎn)速，主機(jī)功率等參數(shù)，且由以太網(wǎng)6 輸出到其它系統(tǒng)。Vega是美國Multigen-Paradigm公司用于虛擬現(xiàn)實、實時實景仿真、聲音仿真以 及其他可視化領(lǐng)域的世界領(lǐng)先級應(yīng)用軟件工具。它支持快速復(fù)雜的視覺仿真程序，能為用 戶提供一種復(fù)雜仿真事件的便捷手段，它將易用的工具和高級仿真功能巧妙地結(jié)合起來， 使用戶以簡單的操作迅速地創(chuàng)建、編輯和運行復(fù)雜的仿真應(yīng)用程序。由于Vega大幅度地減 少了源代碼的編程，使軟件的維護(hù)和實時性能的進(jìn)一步優(yōu)化變得更加容易，從而大大提高 了工作效率。Vega提供了很多功能模塊，各模塊帶有方便的接口。其中Vega海洋仿真模塊為實 現(xiàn)逼真的海洋仿真提供了完善的動態(tài)和靜態(tài)海洋模型、區(qū)域矢量以及各種各樣的海洋特殊 效果等，使用海洋仿真模塊，用戶可以快捷地開發(fā)出極具創(chuàng)造性的海洋仿真應(yīng)用，所有的海 洋效果都可以通過擴(kuò)展的圖形界面方便地進(jìn)行設(shè)置，或者實時地通過該模塊的應(yīng)用程序編 程接口加以控制。本系統(tǒng)基于VC++的SDI框架，利用Vega開發(fā)船舶運動虛擬場景。程序主框架為main (int argc, char^argv []){vglnitSysO ；/* 初始化 Vega 系統(tǒng) */vglnitMarineO ；/* 初始化海洋模塊 */vglnitFxO ；/* 調(diào)用特效模塊 */vgDefineSys(argv[l]) ； /* 定義系統(tǒng)讀取 ADF 文件 */vgConfigSysO ；/* 系統(tǒng)配置 */while (1)/* 主循環(huán) */{ vgSyncFrame () ； /* 幀同步 */vgFrameO ；/*當(dāng)前幀下進(jìn)行所有內(nèi)部處理工作*//*應(yīng)用程序具體實現(xiàn)代碼*/}}所設(shè)計與實現(xiàn)的船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景具有以下功能海洋顏色可調(diào)，海浪 等級可調(diào)，船舶尾跡，天空可變，光線可調(diào)，多視角觀察船舶運動姿態(tài)，船舶四自由度運動， 以及舵和減搖鰭的實時運動。2、船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器2是整個系統(tǒng)的核心硬件環(huán)節(jié)，裝載了船舶 主動力與操縱綜合優(yōu)化控制算法。當(dāng)船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)4設(shè)置船舶控制方式為自動狀態(tài)時，船舶主動力與操縱綜合 優(yōu)化控制器2接收船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)4發(fā)送的期望航向、航速以及控制參數(shù)，利用其裝載的綜合優(yōu)化控制算法得到船舶舵角和給油量，對虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)1進(jìn)行閉環(huán)控制。當(dāng)船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)4設(shè)置船舶控制方式為隨動狀態(tài)時，船舶操舵與主機(jī)控制臺 3通過操舵儀的操縱舵輪直接輸出舵角信號，通過車鐘上的操縱手柄直接輸出給油量信號， 并作為船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器2的控制量輸出，對虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)1進(jìn) 行開環(huán)控制。其中船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制算法，根據(jù)給定的船舶航向、航速車令，協(xié)調(diào) 船舶操縱性、主機(jī)工作特性、船舶裝載、海洋環(huán)境擾動、航行安全、經(jīng)濟(jì)航行等因素，實現(xiàn)對 船舶主動力與操縱的一體化綜合優(yōu)化控制。對于船舶開闊水域直線航行工況，本發(fā)明可切換到船舶航向保持、主機(jī)獨立控制 模式，保留傳統(tǒng)控制模式。對于船舶大舵角變航操縱或淺、狹水道航行時，對船舶柴油主機(jī)和自動舵采用綜 合優(yōu)化控制的具體步驟如下A、在主機(jī)控制模塊中設(shè)置包含主機(jī)負(fù)荷、船速、舵角、船首回轉(zhuǎn)角速度等變量的優(yōu) 化性能指標(biāo)函數(shù)的程序，在達(dá)到相應(yīng)舵效船速的前提下，自適應(yīng)地適當(dāng)減少主機(jī)供油量；B、根據(jù)操作指令和船舶航行狀況計算給出在當(dāng)前航行工況下的船舶操舵和主機(jī) 給油量設(shè)定值，盡量使船舶柴油主機(jī)工作在額定負(fù)荷或其近旁工作點時的經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定可靠 運行、效率最高的工作狀態(tài)；C、船舶航向和主機(jī)控制器的給定值設(shè)定(i)當(dāng)判斷船舶處于應(yīng)急避碰或快速機(jī)動的特殊狀態(tài)，則根據(jù)主機(jī)的當(dāng)前負(fù)荷狀 況，進(jìn)行加速操作(增加燃油給定值)，必要時可在短時段內(nèi)超負(fù)荷10%運行，在不損壞主 機(jī)的前提下完成船舶的快速機(jī)動性操縱；(ii)當(dāng)現(xiàn)有主機(jī)負(fù)荷較高，航速較高時，船舶具有較好的航速儲備，便于進(jìn)行航向 控制，此時若有大舵角操縱指令時，可適當(dāng)減少燃油給定值，改進(jìn)主機(jī)的工作狀況，進(jìn)而減 少有害氣體排放，達(dá)到推進(jìn)主機(jī)和航向的優(yōu)化協(xié)調(diào)一體化控制的目標(biāo)；D、根據(jù)船舶指令，建立切換選擇上述⑴、(ii)兩個程序的智能判斷模塊，執(zhí)行雙 模態(tài)控制，完成船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制方法。3、船舶操舵與主機(jī)控制臺3上有操舵儀、主機(jī)車鐘、顯示儀表和指示燈等。船舶運 行最主要的兩個參數(shù)為船舶航向與航速，船舶航向通過操舵來控制，同時通過主機(jī)車鐘手 柄改變給油量控制主機(jī)轉(zhuǎn)速，從而間接控制航速。車鐘的輸出信號實際上是位于車鐘內(nèi)部 一個電位器的輸出電壓信號，車鐘上的操縱手柄帶動電位器上的滑塊，從而通過電位器的 輸出反映車鐘的實際位置，即為給油量信號。操舵儀輸出信號實際上是位于操舵儀內(nèi)部的 一個電位器的輸出電壓信號，操舵儀的操縱舵輪帶動電位器上的滑塊，通過電位器的輸出 反映操舵儀的實際位置，即為舵角信號。船舶操舵與主機(jī)控制臺3上儀表分別顯示船舶船 速、船舶航向、船舶舵角、主機(jī)轉(zhuǎn)速、主機(jī)功率和給油量等船舶狀態(tài)參數(shù)，并有隨動操作和自 動操作兩個狀態(tài)指示燈。在自動操作狀態(tài)時，船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器2將其計算得到的船舶舵 角和給油量信號輸出到船舶操舵與主機(jī)控制臺3的儀表上，同時通過以太網(wǎng)6接收虛擬船 舶運動仿真系統(tǒng)1計算輸出的船舶船速，船舶航向，主機(jī)轉(zhuǎn)速，主機(jī)功率等參數(shù)，并顯示在 船舶操舵與主機(jī)控制臺3的儀表上。
在隨動操作狀態(tài)時，船舶操舵與主機(jī)控制臺3通過操舵儀的操縱舵輪直接輸出舵 角信號，通過車鐘上的操縱手柄直接輸出給油量信號，并作為船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化 控制器2的控制量輸出，由以太網(wǎng)6輸出到其它系統(tǒng)。4、船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)4可以設(shè)置船舶操縱方式，分為自動和隨動操縱兩種狀態(tài)。 在自動操縱狀態(tài)下，用戶可通過設(shè)定期望航向和航速，由船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制 器2實現(xiàn)船舶的自動航行，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)；在隨動操縱狀態(tài)下，可以通過船舶操舵與主機(jī)控 制臺3上的操舵儀和車鐘手柄直接改變船舶運動的航向和航速，構(gòu)成開環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括視頻監(jiān)視系統(tǒng)和船舶狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。在視頻監(jiān)控現(xiàn)場有兩個攝像頭，一臺用于監(jiān)控機(jī)艙、另一臺用于監(jiān)控駕駛室。視頻 監(jiān)視系統(tǒng)由一個配置較好的計算機(jī)作為基本監(jiān)控中樞，內(nèi)含視頻服務(wù)軟件，它對機(jī)艙和駕 駛室監(jiān)控現(xiàn)場的視頻圖像進(jìn)行實時采集、實時播放及實時存儲，同時還要通過以太網(wǎng)6向 其他系統(tǒng)傳輸實時圖像。采用基于IP組播的視頻通訊技術(shù)，利用一個IP地址將數(shù)據(jù)報文 發(fā)送到用戶組。IP組播采用了特殊定義的目的IP地址和目的MAC地址。IGMPdnternet 組管理協(xié)議)為客戶端提供加入和離開組播組的方式。CGMP (Cisco組管理協(xié)議)使路由器 為交換機(jī)配置組播轉(zhuǎn)發(fā)表，并告訴交換機(jī)當(dāng)前的組播成員。指派路由器根據(jù)對網(wǎng)絡(luò)中組播 成員的分布和使用的不同采用密集模式DM或稀疏模式SM組播路由協(xié)議來構(gòu)造組播的分布 樹，而這個分布樹將在源子網(wǎng)和組播組之間確定一條唯一路徑以提高數(shù)據(jù)傳輸效率。系統(tǒng) 采用基于H. 264標(biāo)準(zhǔn)的視頻采集壓縮卡，該采集卡配套提供了視頻采集與網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)认嚓P(guān) 的動態(tài)連接庫。船舶狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)可以設(shè)置船舶操縱方式，當(dāng)設(shè)定為自動操縱狀態(tài)時，能向 船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器2發(fā)送航向和航速命令，還能對船型參數(shù)和海況參數(shù)進(jìn) 行設(shè)置，如船舶長度、吃水深度、方形系數(shù)、風(fēng)浪強(qiáng)度、風(fēng)浪方向等；同時對船舶運行的詳細(xì) 情況進(jìn)行實時監(jiān)測，如航向、航速、舵角、轉(zhuǎn)艏角速率、主機(jī)轉(zhuǎn)速、主機(jī)功率等，并畫出航向、 舵角和船速變化的監(jiān)測曲線。5、系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器5負(fù)責(zé)對虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)1、船舶主動力與操縱綜合優(yōu) 化控制器2和船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)4進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，實現(xiàn)各仿真子系統(tǒng)加入、仿真啟動，仿真 運行、仿真結(jié)束等控制。為確定仿真中各子系統(tǒng)的時序關(guān)系，本發(fā)明引入邏輯時間和邏輯時間戳機(jī)制，并 在此基礎(chǔ)上提出一種同步啟動調(diào)度策略。邏輯時間是用于記錄和表示仿真數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時序關(guān)系及時間間隔的邏輯量度，邏 輯時間的計時單位用仿真周期表示。在單速率仿真系統(tǒng)中，一個仿真周期的長度為一個邏 輯時間單位；在多速率仿真系統(tǒng)中，為了能夠準(zhǔn)確分辨所有仿真數(shù)據(jù)產(chǎn)生的先后順序，選取 最小的仿真周期的長度作為一個邏輯時間單位。在局域網(wǎng)分布式仿真中，所有的交互數(shù)據(jù) 必須與特定的時間相關(guān)聯(lián)才具有實際意義。為了有限地確定交互數(shù)據(jù)時序和測量仿真中各 種形式的時間延遲，在交互數(shù)據(jù)中引入時間信息，即時間戳。由于計算機(jī)仿真中的交互數(shù)據(jù) 時序關(guān)系可以由邏輯時間唯一確定，因此可以用邏輯時間表示時間戳，稱為邏輯時間戳。在 仿真系統(tǒng)的運行過程中，各仿真子系統(tǒng)在仿真調(diào)度策略的管理下推進(jìn)自己的邏輯時間，仿 真子系統(tǒng)在發(fā)送交互數(shù)據(jù)之前將自己的邏輯時間加入交互數(shù)據(jù)中，從而實現(xiàn)了交互數(shù)據(jù)的 邏輯時間戳機(jī)制。
本發(fā)明提出的同步啟動調(diào)度策略的核心思想是在整套仿真系統(tǒng)中，用一臺時鐘 主機(jī)控制仿真系統(tǒng)中所有仿真主機(jī)的同步啟動運行，最大限度地增加各仿真主機(jī)運算的并 行性。同步啟動調(diào)度策略工作過程如下A1、以仿真系統(tǒng)中一臺計算機(jī)或時鐘主機(jī)的時鐘控制所有仿真主機(jī)的同步啟動運 行；A2、對于單速率仿真系統(tǒng)，以仿真系統(tǒng)的仿真周期作為一個邏輯時間單位；對于多 速率仿真系統(tǒng)，以仿真系統(tǒng)中各仿真主機(jī)的最小仿真周期作為一個邏輯時間單位；A3、所有仿真主機(jī)均以0為邏輯時間初值；A4、時鐘主機(jī)創(chuàng)建時鐘周期為一個邏輯時間單位的定時器，以1為邏輯時間初值， 采用網(wǎng)絡(luò)廣播傳輸方式周期性地向所有仿真主機(jī)發(fā)送帶有邏輯時間戳的同步啟動指令，推 動整個仿真系統(tǒng)的周期運行；每發(fā)送一次同步啟動指令，邏輯時間加1 ；A5、仿真主機(jī)接收到同步啟動指令后，如果同步指令的時間戳大于自己的邏輯時 間，且為自己仿真周期比的整數(shù)倍時，仿真主機(jī)將自己的邏輯時間推進(jìn)到同步啟動指令的 邏輯時間戳，啟動仿真運算，并以網(wǎng)絡(luò)多點傳輸方式發(fā)送仿真結(jié)果；如果上述條件不滿足， 則不作任何處理。同步啟動調(diào)度策略具有以下主要特點B1、所有仿真主機(jī)在時鐘主機(jī)的統(tǒng)一控制下同步運行。當(dāng)仿真主機(jī)以其它仿真主 機(jī)的數(shù)字量輸出為輸入時，都將引入仿真調(diào)度延遲；B2、同步啟動指令采用網(wǎng)絡(luò)廣播傳輸方式發(fā)送，仿真主機(jī)間的交互數(shù)據(jù)可采用網(wǎng) 絡(luò)多點傳輸方式發(fā)送；B3、最大限度地實現(xiàn)了所有仿真主機(jī)的并行運行，包括交互數(shù)據(jù)的并行發(fā)送和并 行接收以及仿真算法的并行運算；B4、時鐘主機(jī)間的時鐘同步可以保證各仿真子系統(tǒng)間的時鐘同步；B5、調(diào)度策略引入的時間延遲可通過邏輯時間戳測量，并可以進(jìn)行延遲補償；B6、調(diào)度策略控制簡單，便于實現(xiàn)。本發(fā)明提出的主動力與操縱綜合優(yōu)化控制方案，有利于從理論上研究船舶運動和 柴油機(jī)的綜合控制方法，提高船舶運動控制效果；有利于船舶航行安全；有利于防止柴油 機(jī)過載和提高動力裝置可靠性和經(jīng)濟(jì)性；有利于建立航海和輪機(jī)綜合模擬器，提高模擬器 的精度和船員的訓(xùn)練水平。本發(fā)明對于實現(xiàn)船舶的綜合節(jié)能優(yōu)化控制，提高船舶系統(tǒng)的整 體經(jīng)濟(jì)性，延長主動力裝置工作壽命將具有重要意義。目前我國國產(chǎn)船用設(shè)備裝船率不足 40%，一些關(guān)鍵船用設(shè)備完全依賴進(jìn)口，成為制約我國船舶工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”，本發(fā)明對于 開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、高技術(shù)含量，高附加值的國產(chǎn)關(guān)鍵船舶控制系統(tǒng)，特別是船舶 集成駕駛臺系統(tǒng)具有積極推動作用，從而提高我國國產(chǎn)船用設(shè)備的裝船率。本發(fā)明成果既 可適應(yīng)用于集裝箱船、油船、滾裝船等海洋運輸船舶控制系統(tǒng)，也可推廣應(yīng)用于大中型水面 艦船，將能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
權(quán)利要求
一種船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，其特征在于包括虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)(1)、船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器(2)、船舶操舵與主機(jī)控制臺(3)、船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)(4)、系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器(5)和以太網(wǎng)(6)，所述的虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)(1)、船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器(2)、船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)(4)、系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器(5)分別通過以太網(wǎng)(6)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互交換，船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器(2)和船舶操舵與主機(jī)控制臺(3)間直接通過模擬電平連接；所述的虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)(1)包括船舶運動數(shù)學(xué)模型和船舶柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型，運行時，通過以太網(wǎng)(6)接收船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器(2)輸出的船舶舵角和主機(jī)給油量兩個控制量，并根據(jù)接收到的船舶舵角和主機(jī)給油量，由船舶運動數(shù)學(xué)模型和船舶柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型計算得到船舶船速、船舶航向、主機(jī)轉(zhuǎn)速、主機(jī)功率等參數(shù)，且通過以太網(wǎng)(6)輸出到其它系統(tǒng)；所述的船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器(2)裝載船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制算法，根據(jù)給定的船舶航向、航速車令，協(xié)調(diào)船舶操縱性、主機(jī)工作特性、船舶裝載、海洋環(huán)境擾動、航行安全、經(jīng)濟(jì)航行等因素，實現(xiàn)對船舶主動力與操縱的一體化綜合優(yōu)化控制；所述的船舶操舵與主機(jī)控制臺(3)包括操舵儀、主機(jī)車鐘、顯示儀表和指示燈；所述的船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)(4)包括視頻監(jiān)視系統(tǒng)和船舶狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對機(jī)艙和駕駛室監(jiān)控現(xiàn)場的視頻圖像進(jìn)行實時采集、實時播放及實時存儲，并采用IP組播技術(shù)向其他系統(tǒng)傳輸實時圖像；所述的系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器(5)負(fù)責(zé)對虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)(1)、船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器(2)、船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)(4)進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，其 特征在于所述的虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)(1)的軟件采用Visual C++和Vega混合編程實 現(xiàn)，所述的虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)(1)、船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)(4)和系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器(5)的軟 件采用Visual C++語言開發(fā)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，其特 征在于所述的系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器(5)利用邏輯時間和邏輯時間戳機(jī)制，采用一種同步啟動調(diào) 度策略對虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)(1)、船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器(2)和船舶監(jiān)控仿 真系統(tǒng)(4)進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，實現(xiàn)各仿真子系統(tǒng)加入、仿真啟動，仿真運行、仿真結(jié)束等控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，其 特征在于所述的船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器(2)裝載有船舶主動力與操縱綜合優(yōu) 化控制算法軟件，并執(zhí)行以下程序A、當(dāng)船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)(4)設(shè)置船舶控制方式為自動狀態(tài)時，船舶主動力與操縱綜合 優(yōu)化控制器(2)接收船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)(4)發(fā)送的期望航向、航速以及控制參數(shù)，利用其中 裝載的綜合優(yōu)化控制算法得到船舶舵角和給油量，并對虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)(1)進(jìn)行閉 環(huán)控制；B、當(dāng)船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)(4)設(shè)置船舶控制方式為隨動狀態(tài)時，船舶操舵與主機(jī)控制臺 (3)通過操舵儀的操縱舵輪直接輸出舵角信號，通過車鐘上的操縱手柄直接輸出給油量信 號，并作為船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器(2)的控制量輸出，對虛擬船舶運動仿真系 統(tǒng)(1)進(jìn)行開環(huán)控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，包括虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)、船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器、船舶操舵與主機(jī)控制臺、船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)、系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器和以太網(wǎng)，所述的虛擬船舶運動仿真系統(tǒng)、船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器、船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)、系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器分別通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互交換，船舶主動力與操縱綜合優(yōu)化控制器和船舶操舵與主機(jī)控制臺間直接通過模擬電平連接；由于本發(fā)明用戶可根據(jù)需要在船舶監(jiān)控仿真系統(tǒng)中提供的用戶界面上設(shè)置不同船舶參數(shù)如船舶長度、吃水、方形系數(shù)及海況參數(shù)如風(fēng)浪強(qiáng)度、方向等，因而可以模擬不同類型船舶在各種海況下的控制仿真效果。
文檔編號G05B23/02GK101819441SQ20101014912
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者楊楊, 沈智鵬, 郭晨 申請人:大連海事大學(xué)