船舶用自動控制智能輔助系統(tǒng)設計

靳輝

【摘??要】隨著我國航運事業(yè)的發(fā)展和計算機信息、網(wǎng)絡、集成電路技術上的突破，船舶控制系統(tǒng)也日趨智能化。原有技術采用的PLC等通用控制器在結構簡化、實時性、安全性等方面已不能滿足日益發(fā)展的自動控制智能系統(tǒng)的技術要求。數(shù)字信號處理器DSP是一種高速專用微處理器，其精度高、可靠性好、實時性強，可以為機艙自動化控制輔助系統(tǒng)提供高效、可靠的平臺。為了確保船舶的安全與快速通信，高智能化的船舶需要傳輸快、傳送量大的通訊方式及實時監(jiān)測的嵌入式系統(tǒng)?；诂F(xiàn)場總線的CAN技術在實時監(jiān)測具備較強的優(yōu)勢。

【關鍵詞】船舶;自動化控制;智能輔助

本文應用的系統(tǒng)主要由兩部分組成：基于DSP/F28335設計的下位機控制系統(tǒng)和上位機控制系統(tǒng)。其中，在下位機系統(tǒng)的DSP控制器中，使用變論域模糊PID控制優(yōu)化控制效果，并將DSP與CAN總線相結合，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的實時通訊和控制，使船舶機艙自動化系統(tǒng)的可靠性、實時性能夠得到較大的提高。

1?系統(tǒng)總體結構及算法

1.1?總體結構

本文針對船舶用自動控制智能輔助系統(tǒng)設計了一種網(wǎng)絡構架——基于以太網(wǎng)-CAN總線的控制網(wǎng)絡。在此，將主柴油機子系統(tǒng)作為系統(tǒng)結構的被控對象，同時提供其他接口以便其他控制系統(tǒng)使用。柴油機子系統(tǒng)與船舶其他子系統(tǒng)的輸入量有：DSP/F28335控制器的PWM控制量信號和上位機操作界面設置的控制量，他們分別由DSP控制器的CAN接口和Any?CAN節(jié)點的DO接口送入。而輸出量有：柴油機子系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)的過程參數(shù)與給上位機反饋設備控制量，他們分別通過Any?CAN節(jié)點的DI接口和DSP控制器的CAN接口傳送到CAN總線。CAN總線再通過CANET網(wǎng)關傳輸?shù)酱凹叵到y(tǒng)，集控室工作人員可以在上位機操作界面對傳送回來的參數(shù)進行實時監(jiān)測。上位機對柴油機子系統(tǒng)的轉速控制通過DSP控制器實現(xiàn)，設定的轉速也通過上位機操作界面完成。DSP根據(jù)控制算法計算出控制量，并輸出，來驅動PWM作動器及電機，最終實現(xiàn)柴油機轉速控制。整個CAN網(wǎng)絡以CANNET為主站，Any?CAN和DSP為從站。

1.2?算法實現(xiàn)

柴油機子系統(tǒng)的正常工作主要是通過壓氣機、中冷器和掃氣箱控制子系統(tǒng)的進氣量，等到氣缸內的燃油燃燒做功而發(fā)出扭矩;柴油機的排氣管中具有能量趨勢的渦輪做功，帶動壓氣機工作。本文基于柴油機子系統(tǒng)的原理，設計了仿真實驗平臺，其特點為：柴油機子系統(tǒng)的各個系統(tǒng)進行數(shù)學模型的簡化處理，去掉繁瑣復雜的計算，只考慮輸入輸出的效果和過程的狀態(tài)變量。

柴油機子系統(tǒng)仿真框圖，如圖1所示。其中，mac?為流入掃氣箱的空氣流量;Tac為流入掃氣箱的氣體溫度;ma?為掃氣流量;Ts為掃氣箱內溫度;ms為掃氣箱內氣體質量;Ps為掃氣壓力;mf?為流入氣缸燃油平均質量流量;Mc為壓氣機產(chǎn)生的負載扭矩;mm為渦輪氣體質量;MT?為渦輪工作時的扭矩;Tc為壓氣機輸出端溫度;Pc為壓氣機輸出端壓力;T?n?為渦輪轉速;TI?為增壓器轉子當量慣性轉矩;mg為排氣管內氣體質量。壓氣機特性參數(shù)、渦輪特性曲線和熱效率，均使用最小二乘法擬合得到。在仿真中，柴油機的轉速通過變論域模糊PID控制，實質上是控制柴油機的噴油量便可達到控制柴油機子系統(tǒng)正常工作時的動作，即控制柴油機的轉速。柴油機子系統(tǒng)的相關參數(shù)。

基于DSP/28335控制芯片，本文采用變論域模糊PID控制原理實現(xiàn)PID控制器參數(shù)的自適應優(yōu)化，進一步完善了控制系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)使用的是對被控對象進行在線辨識，根據(jù)相應的性能指標對PID控制器3個控制量（kp，ki，kd）進行實時調整，使用MATLAB/Simulink自帶模糊控制系列工具實現(xiàn)。

2?系統(tǒng)實現(xiàn)結果

圖1干擾下柴油機轉速曲線

圖2?干擾下變論域PID輸入論域伸縮因子曲線

圖3干擾下變論域PID輸出論域伸縮因子變化曲線

圖1是在設定柴油機轉速為60?RPM的前提下，分別采用常規(guī)PID、變論域PID跟蹤階躍轉速信號得到的轉速控制仿真曲線。圖2和圖3為變論域PID輸入輸出論域伸縮因子變化曲線。在3 s左右，變論域PID控制下的柴油機轉速到穩(wěn)定值，而常規(guī)PID控制下的轉速直到4?s后在穩(wěn)定。轉速穩(wěn)定后，在6?s時輸入供油端加入幅值為0.025?kg，脈寬為0.2?s的脈沖信號作為外部干擾。

整體上看，通過仿真分析得到，對比常規(guī)PID控制器的控制效果，對同一個被控對象：船舶柴油機子系統(tǒng)，使變論域模糊PID控制的控制性能明顯地體現(xiàn)出來。通過對輸入變量加入基于函數(shù)模型的伸縮因子的方式，得到的控制效果是響應速度更快、超調更小、魯棒性也更強，取得了較好的效果。尤其是相對于常規(guī)PID控制，在自適應力和抗干擾方面均有著明顯優(yōu)越性。

3?結束語

本文在了解當前船舶機艙自動化智能輔助系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀后，以實時性強、傳輸量大的?CAN?總線技術為通訊手段，開發(fā)了基于?DSP/F28335?控制芯片的船舶用自動化智能輔助系統(tǒng)。并在系統(tǒng)的實時混合仿真平臺上進行相關的干擾實驗，對比了基于傳統(tǒng)PID?控制器系統(tǒng)的控制效果。實驗表明，使用變論域模糊?PID?控制算法的?DSP?控制器，大幅度提高了船舶用自動智能控制輔助系統(tǒng)的實時性、抗干擾性和自適應性。

參考文獻：

[1]柳晨光，初秀民，謝朔，等.船舶智能化研究現(xiàn)狀與展望[J].船舶工程，2016（3）：77-84.

[2]馮發(fā)旗，鄒穎霄.基于物聯(lián)網(wǎng)的海關三位一體船舶監(jiān)管體系研究與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2014（6）：83-87.

[3]黃鵬.基于DSP的船舶機艙自動化系統(tǒng)控制器研究[D].重慶：重慶大學，2010.

[4]陳和洲.船舶嵌入式?CAN?總線控制系統(tǒng)設計[J].艦船科學技術，2016（18）：70-72.

（作者單位：天津市斯萊頓電子有限公司）