專利名稱：船舶航向變論域模糊控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種自動控制領(lǐng)域的船舶控制方法
背景技術(shù)：
船舶航向控制系統(tǒng)作為船舶自動化的重要組成部分，其研究與應(yīng)用在近幾十年來取得了長足進步。目前以專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制算法為核心的第四代自動舵系統(tǒng)，因其控制精度高、適應(yīng)性強等特點，正被廣泛應(yīng)用在船舶航向控制系統(tǒng)之中。目前比較常見的船舶航向控制系統(tǒng)主要由上位機、航向控制器、舵伺服系統(tǒng)等部分組成。其中上位機作為數(shù)據(jù)參數(shù)的發(fā)送端，主要實現(xiàn)航向控制值的設(shè)定及當前船舶所受擾動量的輸入；航向控制器則在結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上經(jīng)過智能算法運算實現(xiàn)控制舵角值的輸出；最后由舵伺服系統(tǒng)實現(xiàn)舵機控制及當前舵角反饋，以此實現(xiàn)船舶航向智能控制。故其硬件核心為數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。由于航行船舶受到風、浪、流干擾而時刻處于不穩(wěn)定狀態(tài)，故須在航行過程中進行航向適當?shù)男Ｕc調(diào)節(jié)。同時傳統(tǒng)的航向控制器因其運算速度慢、數(shù)據(jù)傳輸方式單一等缺點，使得控制算法的應(yīng)用受到了一定限制，同時也在一定程度上影響了航向控制效果。因此選擇適合的控制算法并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時采集及快速運算成為設(shè)計船舶航向控制器所應(yīng)著重考慮的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供采用變論域模糊控制算法實現(xiàn)船舶航向控制的船舶航向變論域模糊控制方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明船舶航向變論域模糊控制方法，其特征是(I)采集當前航向偏差值e ；(2)計算輸入伸縮因子，根據(jù)當前航向偏差e及航向偏差變化率ec對變論域伸縮因子進行求解航向偏差伸縮因子為a (e) = (|e|/30)°_6、航向偏差變化率伸縮因子為a (ec) = (|ec |/0. 4)0.6 ;(3)計算變論域模糊控制輸入量模糊控制航向偏差輸入量Ke = a (e) Xe，航向偏差變化率Kec = a (ec) X ec ；(4)以偏差輸入量Ke及航向偏差變化率Kec作為模糊算法的輸入量，利用常規(guī)模糊運算過程，求得模糊控制輸出量u ;(5)計算輸出控制舵角輸出伸縮因子為P (U) = |e|，故輸出控制舵角5 =
3(u) Xu.(6)將步驟(5)獲得的舵角指令發(fā)送至所伺服系統(tǒng)實現(xiàn)船舶舵控制；(7)采集當前舵角值，并進行判斷若舵角值存在故障則將故障報告發(fā)至上位機，停止程序；無故障轉(zhuǎn)至步驟(I)，準備再次采樣。本發(fā)明的優(yōu)勢在于本發(fā)明通過對上位機航向設(shè)定值、航行干擾量及舵伺服系統(tǒng)反饋舵角值予以采集并在變論域模糊控制運算的基礎(chǔ)上對舵伺服系統(tǒng)進行控制，具有精度高、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單等特點，此具有更強的適用性，同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單造價低廉。


圖I為航向控制器結(jié)構(gòu)框圖；圖2為航向控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖3為航向控制器系統(tǒng)硬件原理圖；圖4為本發(fā)明流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述結(jié)合圖I 4，結(jié)合圖1，圖I所體現(xiàn)的是本發(fā)明方法中船舶航向控制器結(jié)構(gòu)示意圖，其中航向控制器作為船舶航向控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心，通過實時采集上位機發(fā)送的航向指令及海浪干擾值并將其與當前航向值進行變論域模糊算法運算，將運算所得的控制舵角值發(fā)送至舵伺服系統(tǒng)，同時通過采集當前舵角值并通過船舶數(shù)學模型運算獲取當前航向值以實現(xiàn)船舶航向閉環(huán)控制。結(jié)合圖2，圖2所體現(xiàn)的是該船舶航向控制器的結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)采用雙串口通信以實現(xiàn)航向控制器對當前船舶姿態(tài)、風浪流干擾值的采集及舵伺服系統(tǒng)的控制。采用以TMS320C6713為核心的數(shù)據(jù)處理器實現(xiàn)船舶航向的智能控制。通過JTAG接口電路實現(xiàn)程序的下載與調(diào)試，并將程序固化數(shù)據(jù)存儲模塊中以實現(xiàn)程序的上電自啟動。同時，為實現(xiàn)航向控制器的正常數(shù)據(jù)處理與運算，該系統(tǒng)還應(yīng)包括可提供3. 3V、1. 4V直流電壓的電源模塊及能實現(xiàn)Watch Dog功能的復(fù)位電路以及能產(chǎn)生較高工頻的時鐘模塊。結(jié)合圖3，如圖3所示為該船舶航向控制器系統(tǒng)硬件原理圖。船舶航向控制器采用以TMS320C6713作為核心處理器，由于其內(nèi)部集成化較高，在電路設(shè)計上可進行很大程度的簡化。其中為實現(xiàn)信號緩沖驅(qū)動、電路過壓保護，系統(tǒng)采用74CBTD4總線開關(guān)實現(xiàn)JATG 口的順暢通信。同時為實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的存儲，系統(tǒng)采用SST39VF1601FLASH芯片作為外存儲芯片，其使能端與TMS320C6713的CEl端連接，以實現(xiàn)該存儲器的引導(dǎo)與裝載。在復(fù)位芯片的選擇上系統(tǒng)采用MAX706實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位功能。在電源模塊的設(shè)計上由于DSP處理器的特殊構(gòu)造，故在電源設(shè)計上應(yīng)實現(xiàn)雙電源供電及合理的上電順序配置。即滿足3.3VI/0 口供電及I. 4V內(nèi)核供電，同時應(yīng)保證內(nèi)核電源率先供電。為此電源模塊采用TPS75733電源轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生3. 3V電壓、采用TPS54310穩(wěn)壓降壓器芯片實現(xiàn)I. 4V內(nèi)核電壓供給。當TPS54310產(chǎn)生I. 4V電壓時，三極管Tl B集產(chǎn)生導(dǎo)通電流致使三極管導(dǎo)通。為此與三極管E集相連的TPS75733使能端電位降低，產(chǎn)生3. 3V電壓以此實現(xiàn)系統(tǒng)所需的電源電壓級其合理的上電順序由于船舶航向控制器在工作過程中須與上位機及舵伺服系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，故在數(shù)據(jù)通信模塊的設(shè)計上須設(shè)置兩個數(shù)據(jù)傳輸通道。同時為了增強航向控制器的適用性，其通信協(xié)議滿足當前常見舵伺服系統(tǒng)的配置?；谏鲜鲈蛟摂?shù)據(jù)通信模塊采用支持雙串口通信的TL16C752B異步串行通信協(xié)議芯片和能滿足RS232/RS485雙串口通信的MAX3160多協(xié)議收發(fā)器相配合設(shè)計以實現(xiàn)設(shè)計要求。
為滿足雙串口通信的應(yīng)用要求在系統(tǒng)設(shè)計上還須將不同通道數(shù)據(jù)映射于相應(yīng)的地址以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在通信過程中的中轉(zhuǎn)存儲。故系統(tǒng)采用CE3與ADDRESS19及ADDRESS20經(jīng)SN74F32或門芯片實現(xiàn)不同通道芯片的使能選擇及存儲地址的確定。同時系統(tǒng)通過改變MAX3160第8管腳的電位以實現(xiàn)通信協(xié)議的選擇。結(jié)合圖4，該航向控制器程序流程如下步驟I，系統(tǒng)初始化，通過自舉程序調(diào)用存儲于FLASH中的程序，調(diào)用結(jié)束后程序開始運行，進入步驟2;步驟2.從上位機采集當前航向偏差值e，采集結(jié)束后，進入步驟3 ；步驟3，計算輸入伸縮因子。根據(jù)當前航向偏差e及航向偏差變化率ec對變論域伸縮因子進行求解。本專利所采用的航向偏差伸縮因子為a (e) = (|e|/30)°_6、航向偏差ec伸縮因子為a (ec) = (I ec I/0. 4) °_6，計算完成后進入步驟4 ;步驟4，計算變論域模糊控制輸入量。通過伸縮因子的選取，將模糊控制的輸入量進行一定的修改，以實現(xiàn)更好的控制效果，新的模糊控制航向偏差輸入量Ke= a (e)Xe及航向偏差變化率Kec = a (ec) X ec，計算完成后進入步驟5 ;步驟5，常規(guī)模糊運算過程。以偏差輸入量Ke及航向偏差變化率Kec作為模糊算法的輸入量，以此求得模糊控制輸出量U，計算完成后，進入步驟6 ;步驟6，計算輸出控制舵角。本專利所采用的輸出伸縮因子為@ (u) = |e|，故該控制算法的輸出控制舵角S = ^ (u) XU，計算完成后轉(zhuǎn)至步驟7 ;步驟7，控制舵伺服系統(tǒng)。將舵角指令通過串口發(fā)送至所伺服系統(tǒng)實現(xiàn)船舶舵控制，完成后轉(zhuǎn)至步驟8;步驟8，采集當前舵角值，并進行判斷。若舵角值存在故障轉(zhuǎn)至步驟9，無故障轉(zhuǎn)至步驟2，準備再次采樣；
步驟9，將故障報告發(fā)至上位機，停止程序。
權(quán)利要求
1.船舶航向變論域模糊控制方法，其特征是 (1)采集當前航向偏差值e; (2)計算輸入伸縮因子，根據(jù)當前航向偏差e及航向偏差變化率ec對變論域伸縮因子進行求解航向偏差伸縮因子為a (e) = (|e|/30)°_6、航向偏差變化率伸縮因子為a (ec)=(|ec|/0. 4)0.6 ； (3)計算變論域模糊控制輸入量模糊控制航向偏差輸入量Ke= a (e) Xe，航向偏差變化率 Kec = a (ec) Xec ； (4)以偏差輸入量Ke及航向偏差變化率Kec作為模糊算法的輸入量，利用常規(guī)模糊運算過程，求得模糊控制輸出量u ; (5)計算輸出控制舵角輸出伸縮因子為P(U)= |e|，故輸出控制舵角S =3 (u) Xu ; (6)將步驟(5)獲得的舵角指令發(fā)送至所伺服系統(tǒng)實現(xiàn)船舶舵控制； (7)采集當前舵角值，并進行判斷若舵角值存在故障則將故障報告發(fā)至上位機，停止程序；無故障轉(zhuǎn)至步驟(I)，準備再次采樣。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供船舶航向變論域模糊控制方法，包括以下步驟采集當前航向偏差值；計算輸入伸縮因子，計算變論域模糊控制輸入量；以偏差輸入量及航向偏差變化率作為模糊算法的輸入量，利用常規(guī)模糊運算過程，求得模糊控制輸出量；計算輸出控制舵角，將獲得的舵角指令發(fā)送至所伺服系統(tǒng)實現(xiàn)船舶舵控制；采集當前舵角值，并進行判斷若舵角值存在故障則將故障報告發(fā)至上位機，停止程序；無故障轉(zhuǎn)至最初步驟，準備再次采樣。本發(fā)明通過對上位機航向設(shè)定值、航行干擾量及舵伺服系統(tǒng)反饋舵角值予以采集并在變論域模糊控制運算的基礎(chǔ)上對舵伺服系統(tǒng)進行控制，具有精度高、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單等特點，同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單造價低廉。
文檔編號G05B13/04GK102645893SQ20121011538
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者劉勝, 李冰, 邢博聞 申請人:哈爾濱工程大學