基于DSP6713的船舶航向控制器設計實現

陳 瀟（中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海，200031）

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基于DSP6713的船舶航向控制器設計實現

陳 瀟
（中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海，200031）

摘要：船舶航向控制器作為船舶自動化的組成部分之一，為了使航行船舶能在受擾情況下實現穩定、快捷的航向控制，系統在硬件設計上采用TMS320C6713數字信號處理器（DSP）配合以TL16C752B、MAX3160為核心的數據通信模塊，在算法設計上系統采用變論域模糊控制通過實時控制舵角輸出實現船舶航向的精確控制。測試結果表明， 系統能實現船舶航向的智能控制，其控制精度指標符合船舶航向控制系統的應用要求。

關鍵詞：船舶航向控制； TMS320C6713；變論域模糊控制

隨著造船技術的日漸成熟，新建船舶正向著高速化、巨型化方向發展，其控制難度逐漸增大。船舶航向控制技術作為船舶自動控制領域的重要組成部分，其研究與應用在近幾十年來取得了長足進步。目前以專家系統、模糊控制、神經網絡等控制算法為核心的第四代自動舵系統，因其控制精度高、適應性強等特點，正被廣泛應用在船舶航向控制系統之中。然而傳統的航向控制器因其運算速度慢、數據傳輸方式單一等缺點，使得控制算法的應用受到了一定限制，為此，本文通過采用以TI公司生產的高速浮點型數字信號處理器TMS320C6713為核心的航向控制器，配合以TL16C752B、MAX3160為核心的數據通信模塊實現支持多通信協議的航向控制器設計。該航向控制器采用變論域模糊控制實現船舶航向智能控制，與傳統航向控制器相比，該系統具有運算速度快、適用性強等特點。

1 船舶航向控制系統結構

目前比較常見的船舶航向控制系統主要由上位機、航向控制器、舵伺服系統等部分組成。其中上位機作為數據參數的發送端，主要實現航向控制值的設定及當前船舶所受擾動量的輸入；航向控制器則在結合相關數據的基礎上經過智能算法運算實現控制舵角值的輸出；最后由舵伺服系統實現舵機控制及當前舵角反饋，以此實現船舶航向智能控制。

2 船舶航向控制器系統概述

航向控制器作為船舶航向控制系統的數據處理核心，通過實時采集上位機發送的航向指令及海浪干擾值并將其與當前航向值進行智能控制算法運算，將運算所得的控制舵角值發送至舵伺服系統，同時通過采集當前舵角值并通過船舶數學模型運算獲取當前航向值以實現船舶航向閉環控制。其工作原理圖如圖1所示。

3 航向控制器設計實現

圖1 船舶航向控制器框圖

由于該航向控制器采用高頻工作設計，故在電路設計上應遵守相應的設計規范和準則。其硬件電路主要由數據處理模塊、數據通信模塊及電源模塊三部分組成。

3.1 數據處理模塊

該船舶航向控制器數據處理模塊采用以TMS320C6713作為核心處理器，由于其內部集成化較高，在電路設計上可進行很大程度的簡化。因此在該DSP芯片的基礎上僅需配置復位電路、時鐘模塊、外部存儲器及JTAG接口即可實現數據處理模塊的設計。為實現信號緩沖驅動、電路過壓保護，系統采用74CBTD4總線開關實現JATG口的順暢通信。同時為實現程序和數據的存儲，系統采用SST39VF1601 FLASH芯片作為外存儲芯片，其使能端與TMS320C6713的CE1端連接，以實現該存儲器的引導與裝載。在復位芯片的選擇上系統采用MAX706實現系統復位功能。

3.2 數據通信模塊設計

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進行數據通信，故在數據通信模塊的設計上須設置兩個數據傳輸通道。同時為了增強航向控制器的適用性，其通信協議滿足當前常見舵伺服系統的配置。基于上述原因該數據通信模塊采用支持雙串口通信的TL16C752B異步串行通信協議芯片和能滿足RS232/RS485雙串口通信的MAX3160多協議收發器相配合設計以實現設計要求。

為滿足雙串口通信的應用要求在系統設計上還須將不同通道數據映射于相應的地址以實現數據在通信過程中的中轉存儲。故系統采用CE3與ADDRESS19及ADDRESS20經SN74F32或門芯片實現不同通道芯片的使能選擇及存儲地址的確定。同時系統通過改變MAX3160第8管腳的電位以實現通信協議的選擇。

4 系統測試及結果分析

可通過將該航向控制器搭載于航向控制系統之中并對其軟件參數進行校驗以實現較為精準的航向控制。在測試過程中假設舵伺服系統能實現舵角值的準確控制，即假設舵伺服系統反饋舵角值與其控制值相等，以此簡化測試流程。

圖2所示分別為無控制狀態（曲線A）、傳統模糊控制算法（曲線B）及變論域模糊算法（曲線C）狀態下經該航向控制器運算得出的零度維穩航向變化曲線。如圖可知，較傳統的模糊算法相比變論域模糊算法能較好的實現干擾狀態下船舶航向的穩定控制。

圖2 不同控制算法下船舶零度維穩曲線

由于該航向控制器需實際應用于船舶航向控制系統，故其在程序設計上還應考慮舵伺服系統的客觀性能指標，故在程序設計上，應時刻保證輸出舵角在之間，且舵角變化率小于等于。為此在程序設計過程中，仍須添加限幅子程序，以最終實現應用于船舶航向控制的智能算法設計。

5 結束語

本文闡述了以DSP TMS320C6713為核心的船舶航向變論域模糊控制器的原理、功能以及測試結果， 總的來說此船舶航向控制器性能具有以下特點: ①其硬件結構可以基本實現船舶航向控制期的應用要求；②所采用的變論域模糊算法可實現船舶航向的智能控制；③經過仿真測試，該船舶航向控制器能實現船舶航向的智能控制，其控制效果與仿真結果較為吻合。

參考文獻

［1］王立軍，王思思，畢修穎，變論域自適應模糊PID混合控制自動舵設計［J］. 交通信息與安全，2010.6

［2］黃鵬，基于DSP的船舶機艙自動化系統控制器研究［D］.重慶：重慶大學碩士學位論文，2010.

The Design and Implementation of Ship Course Controller Based on DSP6713

Chen Xiao
（No. 704 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation（CSIC），Shanghai，200031）

Abstract：The ship heading controller was one part of ship automation.In order to control the sailing ship stably，the system used TMS320C6713 digital signal processor（DSP）and data communication module which was made by TL16C752B and MAX3160.The system used RS232/RS485 data transmission to achieve the data transmission，and output the rudder angle value which was computed by variable universe control.The test results indicated，this system could realize the intelligent control of heading，and the precision of this system met with the demand of navigation requirements.

Keywords：heading control；TMS320C6713；variable universe fuzzy control