船舶自动操舵仪的实现及混合仿真测试

摘要

船舶自动操舵仪是一种典型的船舶自动化系统，研制性能先进具有自主知识产权的船舶自动操舵仪具有重要意义。
　　 本文以研制船舶自动操舵仪为目标，生成基于单片机的操舵仪控制器，组成用于模拟测试操舵仪的混合仿真系统，完成实船试验前对于控制器的参数整定和功能测试，实现缩短研制周期，节约试验经费的目的。在本船舶自动操舵仪半物理仿真系统中，船舶运动被控对象采用数学建模实现数字仿真，而控制器则采用实际的控制器进行数据处理和航向控制。
　　 本课题在进行船舶自动操舵仪及测试系统设计时，被控对象的数学模型采用分离型船舶运动数学模型，即MMG模型。在PC上利用VC++实现了基于MMG模型的船舶运动数学模型，同时根据IEC61162协议利用串口接收舵角信号和反馈船舶航向。并利用VC++可视化与人机交互性强的特点，开发了仿真测试系统，可在其上面更改船舶参数，观察船舶航向及控制指标。
　　 系统的控制器采用实际工程最常用的单片机进行船舶航向控制，系统控制器采用真实的控制器不但可以实现对控制作用，也可以验证控制算法的实际工程可行系和效果。系统控制器在进行航向控制时采用经典的PID控制算法进行控制。
　　 最后对系统功能和各部分分别进行了测试。在测试模型时对其进行了船舶回转试验和船舶运动Z型试验，并分析了其效果。对控制器进行测试时队其船舶航向控制性能进行了测试和观察，并在调试PID参数时分别用了三种不同的方式进行了PID参数整定。最终对整个系统进行了效果测试与分析，达到了预期目标。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．2 研究现状

1．3 课题设计方案

1．4 课题主要工作

第2章 船舶运动数学模型

2．1 船舶运动运动方程

2．1．1 船舶运动坐标系的建立

2．2 MMG模型的各参数计算

2．2．1 船舶的主动力和力矩计算

2．2．2 裸船体上的流体动力的计算

2．2．3 风、浪、流干扰的数学模型

2．3 船舶运动数学模型的程序实现

2．3．1 船舶运动模型的系统功能

2．3．2 船舶运动数学模型的数字设计实现

2．3．3 船舶运动计算机仿真模型的数据通信

第3章 控制器设计

3．1 控制器的系统设计及设计意义

3．1．1 控制器功能描述

3．2 系统通讯与控制器数据处理

3．2．1 系统通讯方式设计

3．2．2 通讯接口设计

3．2．3 通讯协议与数据格式

3．2．4 数据滤波处理

3．3 控制器软件设计及控制算法

3．3．1 控制器软件整体设计与实现

3．3．2 船舶航向数字PID控制算法的设计与实现

3．3．3 PID控制器参数的整定

3．4 控制器硬件设计

第4章 舶操纵控制性能的仿真测试

4．1 系统被控对象的测试

4．1．1 船舶回转测试

4．1．2 船舶Z形实验

4．2 系统控制性能测试

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢