專利名稱：船舶自動舵動態(tài)負(fù)載模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種負(fù)載模擬系統(tǒng)，尤其是一種船舶自動舵動態(tài)模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
目前，船舶是借助螺旋槳的推力和舵力來改變或保持航速和航向，實現(xiàn)從某港出發(fā)按計劃的航線到達(dá)預(yù)定的目的港。由此可見，操舵系統(tǒng)是一個重要控制系統(tǒng)，其性能直接影響著船舶航行的操縱性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。因此，船舶操縱系統(tǒng)的性能，引起人們的關(guān)注， 并吸引著世界各國的工程技術(shù)人員圍繞著進(jìn)一步改善該系統(tǒng)的性能這一課題而不斷地進(jìn)行研究和探索。該課題的研究伴隨著自動控制理論和技術(shù)的提高而發(fā)展。開發(fā)出自動舵產(chǎn)品，為航運業(yè)的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。自動操舵儀是總結(jié)了人的操舵規(guī)律而設(shè)計的裝置。系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對象是船，被調(diào)節(jié)量是航向。自動舵是一個閉環(huán)系統(tǒng)，它包括航向給定環(huán)節(jié)；航向檢測環(huán)節(jié)；給定航向與實際航向比較環(huán)節(jié)；航向偏差與舵角反饋比較環(huán)節(jié)；控制器；執(zhí)行機構(gòu)；舵；調(diào)節(jié)對象-船；舵角反饋機構(gòu)等。本課題是結(jié)合科研項目“XX航向/航跡控制技術(shù)研究”開展的。在該科研項目中， 通過一套舵/翼舵原理樣機對相應(yīng)的控制理論進(jìn)行驗證，為了更加真實的模擬原理樣機實際的工作狀態(tài)，因此需要對樣機進(jìn)行加載，以模擬其在水中工作時的實際狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
為了能夠模擬在各種海情下船舶自動舵的負(fù)載變化情況。本發(fā)明提出一種基于飛思卡爾單片機及磁粉制動器組成的船舶自動舵動態(tài)模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用以飛思卡爾單片機為主的嵌入式系統(tǒng)對模擬信號進(jìn)行處理，并控制磁粉制動器對自動舵電機進(jìn)行力矩模仿。該發(fā)明可以將各種海情下的海浪等負(fù)載信號作為船舶自動舵負(fù)載信號進(jìn)行模擬，使磁粉制動器產(chǎn)生相對應(yīng)的力矩，對船舶自動舵的電機動態(tài)加載，從而解決了大功率船舶自動舵運行時加載調(diào)試?yán)щy，測量精度低等問題。


圖1是系統(tǒng)功能描述圖。圖2是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖3是磁粉制動器特征曲線圖。圖4是壓控電流源電路圖。圖5是壓控電流源測試曲線圖。圖6是船舶自動舵動態(tài)負(fù)載模擬系統(tǒng)整體測試結(jié)果圖。其中圖1為系統(tǒng)功能描述圖，啟動系統(tǒng)后，首先進(jìn)入等待上位機指令狀態(tài)；之后由上位機給出數(shù)據(jù)指令，通過串口通信傳輸給單片機，單片機將得到的數(shù)據(jù)根據(jù)內(nèi)部編寫的程序進(jìn)行計算，并將得出的數(shù)據(jù)傳輸給D/A模塊，D/A模塊再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓值，傳輸給壓控電流源，從而轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的電流值傳輸給磁粉制動器，產(chǎn)生與之相對應(yīng)的制動力對自動舵電機加載。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，其中控制模塊是整個系統(tǒng)的核心部分，控制著整個船舶自動舵動態(tài)負(fù)載模擬系統(tǒng)的運行和數(shù)據(jù)的讀取、處理、傳輸；D/A模塊部分實現(xiàn)了數(shù)字信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換；壓控電流源部分，實現(xiàn)電壓信號到電流信號的轉(zhuǎn)換；通信部分，負(fù)責(zé)實現(xiàn)系統(tǒng)與上位機之間的數(shù)據(jù)通信。圖3為磁粉制動器特征曲線圖，反映了磁粉制動器在電流變化下的轉(zhuǎn)矩變化情況。圖4是壓控電流源電路圖。由于本系統(tǒng)要求輸出電流精度比較高，要求電流和功率比較大。因此，壓控電流源采用深度負(fù)反饋功放電路。圖5為壓控電流源測試曲線圖。由于壓控電流源是在動態(tài)變化的情況下轉(zhuǎn)換電流輸出因此要求輸出電流必須和輸入電壓一一對應(yīng)，將誤差降至最低。圖6是船舶自動舵動態(tài)負(fù)載模擬系統(tǒng)整體測試結(jié)果圖。系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試后，做到輸入數(shù)據(jù)和磁粉制動器輸出的轉(zhuǎn)矩一一對應(yīng)，時時對應(yīng)。因此在上位機輸入動態(tài)曲線時，磁粉制動器相應(yīng)產(chǎn)生動態(tài)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
具體實施例方式結(jié)合附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的實現(xiàn)步驟。上位機指令通過串口以半雙工的方式傳輸給控制模塊，并由單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，本系統(tǒng)所選用的單片機型號是飛思卡爾系列MC9S08DZ60單片機，它是一款 40-MHzHCS08的CPU (20-MHz總線)，具有HC08指令集，帶附加的BGND指令，支持最多32個中斷/復(fù)位源。在單片機中，我們要實現(xiàn)利用算法將上位機的線性輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合磁粉制動器特性曲線的非線性數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，因此我們要對磁粉制動器的特性曲線進(jìn)行函數(shù)化，磁粉制動器特性曲線如圖3所示。函數(shù)化結(jié)果如下上升階段Y= 60X 0 < = X < = 0. 3 ；Y = 110Χ-150. 3<=Χ<=0. 6；Y = 120Χ-210. 6<=Χ<=0. 9；Y = 320X/3-90. 9 <= X <= 1. 2 ；下降階段Y= 260Χ/3+15 0. 9 <= X <= 1. 2 ；Y = 380Χ/3-210. 6<=Χ<=0. 9；Y = 320Χ/3-90. 3<=Χ<=0. 6；Y = 230X/30<=X<=0. 3；將函數(shù)取反，進(jìn)行算法編程，之后上位機數(shù)據(jù)就會通過算法轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的新數(shù)據(jù)，再由D/A模塊轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的電壓，傳輸給壓控電流源模塊。由于本系統(tǒng)要求輸出電流精度比較高，要求電流和功率比較大。因此，壓控電流源采用深度負(fù)反饋功放電路。電路原理圖如圖4所示，輸入電壓Vi經(jīng)電阻R1和&分壓后加到運算放大器τγ的同相輸入端，該端電壓

權(quán)利要求
1.一種船舶自動舵動態(tài)模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征是步驟1 系統(tǒng)初始化后接受上位機指令，單片機將接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后傳輸給N/A 模。步驟2 :N/A模將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成電壓值。 步驟3 壓控電流源將電壓值轉(zhuǎn)換為電流值。 步驟4 制動器產(chǎn)生相應(yīng)的制動力對自動舵加載。
2.如權(quán)利要求1所述的一種船舶自動舵動態(tài)模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征是所述的單片機對模擬信號處理的具體步驟為上位機指令通過串口以半雙工的方式傳輸給控制模塊，并由單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；利用算法將上位機的線性輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合制動器特性曲線的非線性數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，對磁粉制動器的特性曲線進(jìn)行函數(shù)化。 函數(shù)化結(jié)果如下上升階段γ =60Χ0<=Χ<=0. 3；Y = 110Χ-150..3 < = X < = 0.,6Y = 120Χ-210..6 < = X < = 0.,9Y = 320Χ/3-90..9 <= X <= 1.,2下降階段Υ =260Χ/3+150.9 <= X <= 1.2 Y = 380Χ/3-210..6 < = X < = 0.,9Y = 320Χ/3-90..3 < = X < = 0.,6Y = 230Χ/30< =X < = 0. 3 將函數(shù)取反，進(jìn)行算法編程，上位機數(shù)據(jù)通過算法轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的新數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種船舶自動舵動態(tài)模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征是所述的壓控電流源將電壓值轉(zhuǎn)換為電流值具體操作步驟為輸入電壓Vi經(jīng)電阻R1和&分壓后加到運算放大器\的同相輸入端，該端電壓V+I=^^^=—V1Ri+R2 10( ι )Z1的輸出電壓Vtjl作為同相功率放大器的輸入信號，運算放大器4接成電壓跟隨器組態(tài)，它把輸出電壓傳V。送給運算放大器&的反相輸入端，Z3的同相輸入端電壓取自功率放大器的輸出電壓，A接成差動比例放大形式，其差模輸入信號就是取樣電阻R兩端電壓Vr = V0-V0 = I0R (2)Z3的輸出電壓RRV03 = ^(V0-V0)=I0R=IOI0RK3K3(3 )Z3的輸出直接加到τγ的反相輸入端，即 V03 = V^1 (4)Z1、功率放大器、z2、A組成了一個深度負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)運算放大器的工作原理得:Z+1 = ，即 VlO = IOI0R,Io=^-V1100R( 5)當(dāng)選定R后，輸出電流I。與輸入電壓Vi成正比例關(guān)系，并且I。的極性可由Vi來控制， 當(dāng)\為直流電壓時，I0為直流電流；當(dāng)Vi為交流電壓時，I0為交流電流。輸出電流I0的大小還可以由R和Vi來控制。
4.如權(quán)利要求1所述的一種船舶自動舵動態(tài)模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征是所述的制動器產(chǎn)生相應(yīng)的制動力對自動舵加載具體操作步驟為壓控電流源產(chǎn)生與之相對應(yīng)的電流傳輸給磁粉制動器，磁粉制動器則產(chǎn)生與之相對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。
全文摘要
為了能夠模擬在各種海情下船舶自動舵的負(fù)載變化情況。本發(fā)明提出一種基于飛思卡爾單片機及磁粉制動器組成的船舶自動舵動態(tài)模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用以飛思卡爾單片機為主的嵌入式系統(tǒng)對模擬信號進(jìn)行處理，并控制磁粉制動器對自動舵電機進(jìn)行力矩模仿。該發(fā)明可以將各種海情下的海浪等負(fù)載信號作為船舶自動舵負(fù)載信號進(jìn)行模擬，使磁粉制動器產(chǎn)生相對應(yīng)的力矩，對船舶自動舵的電機動態(tài)加載，從而解決了大功率船舶自動舵運行時加載調(diào)試?yán)щy，測量精度低等問題。
文檔編號G05B19/042GK102426434SQ20111035773
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者孫艷波, 智鵬飛 申請人:哈爾濱功成科技創(chuàng)業(yè)投資有限公司