基于TMS320C6713的船舶航向模糊PID融合控制器及控制方法

摘要

本发明提供的是一种基于TMS320C6713的船舶航向模糊PID融合控制器及控制方法。以TMS320C6713(U3)为核心数据处理器，以TPS75733（U1）为为核心数据处理器提供3.3V工作电压，以TPS54310（U2）为为核心数据处理器提供1.4V工作电压，以MAX706最为复位电路，为核心数据处理器以SST39VF1601（U7）FLASH存储器进行数据存储，TL16C752B（U9）的数据线与TMS320C6713(U3)直连、地址线通过SN74F32（U18）选取，TL16C752B（U9）通过两片MAX3160（U10、U11）实现双串口通信。本发明通过对上位机航向设定值、当前航向角及舵伺服系统反馈舵角值予以采集并在模糊-PID融合控制算法的基础上对舵伺服系统进行控制，具有精度高、可靠性好、结构简单等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种船舶航向自动控制装置，特别涉及一种基于DSP的船舶航向控制装置。本发明也涉及一种船舶航向自动控制方法。

背景技术

船舶航向控制技术作为船舶自动控制领域的重要组成部分，其研究与应用在近几十年来取得了长足进步。其中采用PID控制算法的自动舵系统，因其设计简单、可靠性强等特点而得到了较为广泛的应用。但由于船舶运动模型的设计过程中存在不可避免的误差与偏差。这不仅影响了PID参数的设计与确定，也降低了其控制精度。目前，采用模糊控制算法的新型控制舵系统能较为有效地实现非线性运动状态下的船舶航向控制。然而由于常用的模糊控制算法存在不可消除的偏差且控制规则有限，使得其在实际应用过程中存在一定缺陷。模糊-PID算法作为一种改良型的智能控制算法，其机理是通过模糊规则优化PID参数，此法在一定程度上弥补了传统模糊算法及传统PID算法的不足，但其本身的参数选取与设计准确性难以保证。

目前比较常见的船舶航向控制系统主要由上位机、航向控制器、舵伺服系统等部分组成。其中上位机作为数据参数的发送端，主要实现航向控制值的设定及当前船舶所受扰动量的输入；航向控制器则在结合相关数据的基础上经过智能算法运算实现控制舵角值的输出；最后由舵伺服系统实现舵机控制及当前舵角反馈，以此实现船舶航向智能控制。故其硬件核心为数据处理模块和数据传输模块。由于航行船舶受到风、浪、流干扰而时刻处于不稳定状态，故须在航行过程中进行航向适当的校正与调节。同时传统的航向控制器因其运算速度慢、数据传输方式单一等缺点，使得控制算法的应用受到了一定限制，同时也在一定程度上影响了航向控制效果。

因此选择适合的控制算法并对相关数据进行实时采集及快速运算成为设计船舶航向控制器所应着重考虑的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精度高、可靠性好、结构简单的基于TMS320C6713的船舶航向模糊PID融合控制器。本发明的目的还在于提供一种船舶航向控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于TMS320C6713的船舶航向模糊PID融合控制器的组成包括：以TMS320C6713U3为核心数据处理器，以TPS75733U1为为核心数据处理器提供3.3V工作电压，以TPS54310U2为为核心数据处理器提供1.4V工作电压，以MAX706最为复位电路，为核心数据处理器以SST39VF1601 U7 FLASH存储器进行数据存储，TL16C752B U9的数据线与TMS320C6713 U3直连、地址线通过SN74F32 U18选取，TL16C752B U9通过两片MAX3160 U10、U11实现双串口通信。

本发明的船舶航向控制方法为：

步骤1.系统初始化，通过自举程序调用存储于FLASH中的程序；

步骤2.通过与第一MAX3160芯片U10间通信，对上位机航向偏差值Δψ进行采集；

步骤3.根据当前航向偏差Δψ，进行船舶航向PID控制运算求得航向PID控制输出舵角δ_α；

步骤4.根据当前航向偏差Δψ及其变化率进行船舶航向模糊控制运算求得航向模糊控制输出舵角δ_β；

步骤5.伸缩因子求取，根据各控制分量输出舵角值δ_α及δ_β，依照公式：α＝1-exp(-|δ_α|/|δ_α|+|δ_β|)、β＝1-exp(-|δ_β|/|δ_α|+|δ_β|)求取α、β；

步骤6.计算输出控制舵角，采用融合算法输出的控制舵角值为δ＝α×δ_α+β×δ_β；

步骤7.控制舵伺服系统，将舵角指令通过第二MAX3160芯片（U11）发送至所伺服系统实现船舶舵控制；

步骤8，通过与第二MAX3160芯片U11间通信，对舵伺服系统当前舵角值进行采集，并判断，若舵角值存在问题转至步骤9，无问题转至步骤2，准备再次采样；

步骤9，通过与第一MAX3160芯片U10间通信，将故障报告发至上位机。

本发明的航向控制装置是由TMS320C6713数据处理器、TL16C752B异步串行通信协议芯片和MAX3160多协议收发器等组成。可采用RS232或RS485传输协议进行数据处理器与上位机及舵伺服系统之间的数据通信，以实现航向控制。在控制算法的选择上本发明采用一种模糊-PID融合控制算法实现船舶航向的精确控制。

本发明还有这样一些特点：

1.在于将TMS320C6713数据处理器和由TL16C752B异步串行通信协议芯片和MAX3160多协议收发器组成的数据传输模块引入航向控制器设计之中。

2.采用模糊-PID融合控制算法实现船舶航向控制。

本发明通过对上位机航向设定值、当前航向角及舵伺服系统反馈舵角值予以采集并在模糊-PID融合控制算法的基础上对舵伺服系统进行控制，具有精度高、可靠性好、结构简单等特点。系统硬件选用TL16C752B异步串行通信协议芯片和MAX3160多协议收发器使得航向控制器满足双通信协议数据传输，也因此具有更强的适用性，同时系统结构简单造价低廉。

附图说明

图1航向控制器器工作原理图；

图2船舶航向控制器的结构框图

图3航向控制器电源模块原理图；

图4航向控制器数据通信模块原理图；

图5船舶航向模糊-PID融合算法控制原理框图；

图6航向控制器程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述，需要说明的是该系统的数据处理模块、数据存储模块、复位电路及时钟模块的电路连接均为典型电路连接故不再对其原理图进行描述：

结合图1，图1所示为船舶航向控制器工作原理图，航向控制器通过从上位机获取当前航向偏差数据并对其进行智能控制算法运算，以得到控制舵角，并将控制舵角指令发送给舵伺服系统。舵伺服系统则根据这一指令对船舶舵进行控制，以实现船舶航向控制。航向控制器亦从舵伺服系统出获取当前船舶舵角，并进行分析。若当前舵角异常，则航向控制器将当前故障舵角信息发送给上位机进行进一步的处理。

结合图2，图2所体现的是该船舶航向控制器的结构框图。该系统采用双串口通信以实现航向控制器对当前航向偏差的采集及舵伺服系统的控制。采用TPS75733 U1产生3.3V工作电压、TPS54310 U2产生1.4V工作电压，使用TMS320C6713QFP U3作为核心数据处理器，选取MAX706 U4实现复位电路设计，采用SST39VF1601 U7 FLASH存储器进行数据存储。在数据通信模块设计上，选取TL16C752B U9配合两片MAX3160 U10、U11实现双串口通信设计，其数据线与U3直连、地址线通过SN74F32 U18选取。

结合图3，图3所示为该航向控制器电源模块原理图。由于系统需要3.3V及1.4V工作电压，装置输入电压为5V。本发明选取TPS75733 U1产生3.3V工作电压，选取TPS54310 U2产生1.4V工作电压。电感L1两端分别与装置电压输入端J1正极（+5V）与U1管脚2连接。电容CT1(100uf)与电容C3（1uF）并联接于+5V与GND之间，电容CT2(10uf)与电容C120（1uF）并联接于U1管脚2与GND之间，U1管脚1与三极管Q1发射极连接，电阻R35(10kΩ)两端分别与U1管脚4、管脚5连接。U1管脚4生成3.3V工作电压，电容CT3(100uf)与电容C119（1uF）并联接于U1管脚4与GND之间。U1管脚3接GND。U2管脚1接GND。电阻R31(732Ω)与电容C121(2700pF)串联，其组成的支路与电阻R30(10kΩ)并联。电阻R30两端分别与U2管脚2及电阻R39(49.9Ω)一端连接，R39另一端即产生1.4V工作电压。电阻R32(17.5kΩ)一端与U2管脚2连接，另一端接GND。电容C122(100pF)两端分别与U2管脚2及管脚3连接。电阻R33(37.4kΩ)与电容C124(3900pF)串联，其组成的支路两端分别与U2管脚2及管脚3连接。电阻R36(1kΩ)两端分别与U2管脚4及三极管Q1基极连接。电阻R38(510Ω)两端分别与U2管脚4及+5V电源端口连接。C126(0.047uF)两端与U2管脚5、管脚6连接。U2管脚6、管脚7、管脚8、管脚9与管脚10相互连接。电感L2(47uH)一端与U2管脚10连接，另一端与R39产生1.4V电压端连接。电容C16(100uf)与电容C130（1000pF）并联接于+1.4V与GND之间。U2管脚11、管脚12、管脚13均接GND。电感L3两端分别与+5V电源端口及U2管脚14连接。U2管脚14、管脚15、管脚16相互连接。电容CT7(10uf)与电容C128（10uF）并联接于U2管脚14与GND之间。电容C125(0.1uF)两端分别与U2管脚17及GND连接。电容C123(0.047uF)两端分别与U2管脚18及GND连接。电阻R34(71.5KΩ)两端分别与U2管脚20及GND连接。

结合图4，图4所示为该航向控制器数据通信模块原理图。U9为异步串行接口协议芯片TL16C752B，U10、U11为MAX3160。石英晶振3.072MHz(Y1)的两个2管脚分别U9的管脚13、14连接。电容C1(30pF)、C2(30pF)的一端分别接在Y1两端，另一端均接地。电阻Rp(1MΩ)两端分别与Y1两端连接。U9的管脚44与U3管脚132连接、U9的管脚45与U3管脚131连接、U9的管脚46与U3管脚130连接、U9的管脚47与U3管脚129连接、U9的管脚48与U3管脚127连接、U9的管脚1与U3管脚128连接、U9的管脚2与U3管脚121连接、U9的管脚3与U3管脚122连接、U9的管脚28与U3管脚109连接、U9的管脚27与U3管脚101连接、U9的管脚26与U3管脚100连接、U9的管脚19与U3管脚75连接、U9的管脚15与U3管脚79连接。电阻R111（10KΩ）的两端分别与U9的管脚36及GND连接，按键JP11的两端分别与U9的管脚36及+3.3V连接。U18为或门芯片，U18管脚1与U3管脚57连接，U18管脚2与U3管脚64连接，U18管脚,4与U3管脚57连接，U18管脚,5与U3管脚63连接。U18的管脚3与U9的管脚10连接，U18的管脚6与U9的管脚11连接。U18的管脚7接GND，U18的管脚14接+3.3V。U10管脚2接+3.3V，管脚1与管脚3间接电容C163(0.1uF)，管脚4接GND，管脚18与管脚19间接电容C164(0.1uF)。电容C161(0.1uF)两端分别接U10管脚20与GND，电容C162(0.1uF)两端分别接U10管脚17与GND。电阻R95（4.7KΩ）的两端分别与U10的管脚9及+3.3V连接。U10管脚5与管脚6间接电阻R78（120Ω），U10管脚13与管脚14间接电阻R79（120Ω）。电阻46（10KΩ）的两端分别与U10的管脚11及+3.3V连接，按键JP7的两端分别与U10的管脚11及GND连接。电阻47（10KΩ）的两端分别与U10的管脚12及+3.3V连接，按键JP8的两端分别与U10的管脚12及GND连接。8针端口J9为上位机通信端口。J9接口1与U10管脚5连接，J9接口4与U10管脚14连接，J9接口5与U10管脚13连接，J9接口6与U10管脚6连接，J9接口3接GND，J9接口7与8连接。U10管脚16与U9管脚7连接，U10管脚15与U9管脚33连接，U10管脚8与U9管脚5连接，U10管脚7与U9管脚38连接，U10管脚10与U9管脚34连接。U11管脚2接+3.3V，管脚1与管脚3间接电容C167(0.1uF)，管脚4接GND，管脚18与管脚19间接电容C168(0.1uF)。电容C165(0.1uF)两端分别接U11管脚20与GND，电容C166(0.1uF)两端分别接U11管脚17与GND。电阻R96（4.7KΩ）的两端分别与U11的管脚9及+3.3V连接。U11管脚5与管脚6间接电阻R80（120Ω），U11管脚13与管脚14间接电阻R81（120Ω）。电阻48（10KΩ）的两端分别与U11的管脚11及+3.3V连接，按键JP5的两端分别与U11的管脚11及GND连接。电阻449（10KΩ）的两端分别与U11的管脚12及+3.3V连接，按键JP6的两端分别与U11的管脚12及GND连接。8针端口J8为上位机通信端口。J8接口1与U11管脚5连接，J8接口4与U11管脚14连接，J8接口5与U11管脚13连接，J8接口6与U11管脚6连接，J8接口3接GND，J8接口7与8连接。U11管脚16与U9管脚8连接，U11管脚15与U9管脚22连接，U11管脚8与U9管脚4连接，U11管脚7与U9管脚23连接，U11管脚10与U9管脚25连接。

结合图5，对模糊-PID融合控制算法原理进行阐述：图中ψr为航向设定量，ψ为当前航向角，Δψ为航向偏差，δ_α为PID控制输出控制量，α为其对应的融合因子，δ_β为模糊控制输出控制量，β为其对应的融合因子，故可知该控制器的控制输出量为：δ＝α×δ_α+β×δ_β。本发明所述的模糊-PID融合控制算法即为通过将两个独立的控制算法对同一航向偏差Δψ进行运算得到的控制舵角δ_α、δ_β按比例叠加在一起实现一种并联的融合控制效果。α、β即为实现比例叠加的“融合因子”。本发明所采用的融合因子分别为：

α＝1-exp(-|δ_α|/|δ_α|+|δ_β|)、β＝1-exp(-|δ_β|/|δ_α|+|δ_β|)

结合图5，该航向控制器程序流程如下：

步骤1，系统初始化，通过自举程序调用存储于FLASH中的程序，调用结束后程序开始运行，进入步骤2；

步骤2.通过与U10间通信，对上位机航向偏差值Δψ进行采集，采集结束后，进入步骤3；

步骤3，根据当前航向偏差Δψ，进行船舶航向PID控制运算求得航向PID控制输出舵角δ_α，计算完成后进入步骤4；

步骤4，根据当前航向偏差Δψ及其变化率进行船舶航向模糊控制运算求得航向模糊控制输出舵角δ_β，计算完成后进入步骤5；

步骤5，伸缩因子求取，根据各控制分量输出舵角值δ_α及δ_β，依照本专利所设计的公式：α＝1-exp(-|δ_α|/|δ_α|+|δ_β|)、β＝1-exp(-|δ_β|/|δ_α|+|δ_β|)。求取α、β，计算完成后进入步骤6；

步骤6，计算输出控制舵角。本专利所采用的融合算法输出的控制舵角值为δ＝α×δ_α+β×δ_β，计算完成后转至步骤7；

步骤7,控制舵伺服系统。将舵角指令通过U11发送至所伺服系统实现船舶舵控制，完成后转至步骤8；

步骤8，通过与U11间通信，对舵伺服系统当前舵角值进行采集，并判断。若舵角值存在问题转至步骤9，无问题转至步骤2，准备再次采样；

步骤9，通过与U10间通信，将故障报告发至上位机。