船舶用风帆自动控制系统研究

摘要

随着经济全球化的快速发展,航运业进入了快速发展阶段。由于燃油价格上涨和国际海事组织对船舶节能减排提出严格要求,使得风能成为航运界寻求的主要新能源,风帆船舶也成为了国内外航运业研究的热点。目前,国内外主要致力于帆的空气动力性能和机帆配合研究,对帆船自动控制系统的研究较少。因此,本文对船舶风帆自动控制系统进行研究。
　　 为使风帆船舶能在最优状态(节能、高效、智能)下运行,本文设计并制作了风帆船舶模拟实验平台,并基于此平台对风帆船舶的自动控制系统进行了研究。首先,本文对系统控制模型进行研究,即通过对帆翼的空气动力性能分析设计出本系统风帆的具体参数;通过对帆船运动力学原理分析得出最佳操帆数学模型;为实现船舶航向自动保持,引入模糊PID控制策略设计出自适应模糊PID控制系统。其次,对船舶风帆船舶模拟实验平台进行设计与制作。在平台设计过程中,本文采用理论分析、三维建模后实物制作的论证设计方法,完成了转帆和升降帆机构的设计与制作、帆的制作以及舵机的设计与制作。最后,本文对风帆船舶自动控制系统的硬件电路模块和软件控制模块进行了设计。硬件电路模块设计包括控制器电路设计,电机驱动电路设计,风速、风向、航向、帆角、舵角和升降帆限位检测电路设计,无线通信电路设计和触摸显示终端的人机交互电路设计。软件控制模块设计主要是建立系统主机和从机控制模型,完成主、从机主程序和子程序的设计。通过上述研究工作的开展,本系统最终实现了风帆自动升降和最佳帆角的智能操控,以及自动操舵以保持船舶航向稳定等设计目标。
　　 综上所述,本文尝试通过系统控制模型研究、平台制作、硬件电路模块和软件控制模块设计等相结合的方法,对实验室条件下船舶风帆自动控制系统的设计进行了探讨和研究,实现了系统风帆自动升降和最佳帆角的智能操控以及船舶航向的保持,并利用无线通信和触摸显示终端优化了传统通信和人机交互方式,为船舶风帆自动控制系统的研究与应用奠定了基础。