專利名稱：船舶自動舵動態負載模擬系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種負載模擬系統，尤其是一種船舶自動舵動態模擬系統的設計方法。
背景技術：
目前，船舶是借助螺旋槳的推力和舵力來改變或保持航速和航向，實現從某港出發按計劃的航線到達預定的目的港。由此可見，操舵系統是一個重要控制系統，其性能直接影響著船舶航行的操縱性、經濟性和安全性。因此，船舶操縱系統的性能，引起人們的關注， 并吸引著世界各國的工程技術人員圍繞著進一步改善該系統的性能這一課題而不斷地進行研究和探索。該課題的研究伴隨著自動控制理論和技術的提高而發展。開發出自動舵產品，為航運業的發展作出了巨大的貢獻。自動操舵儀是總結了人的操舵規律而設計的裝置。系統的調節對象是船，被調節量是航向。自動舵是一個閉環系統，它包括航向給定環節；航向檢測環節；給定航向與實際航向比較環節；航向偏差與舵角反饋比較環節；控制器；執行機構；舵；調節對象-船；舵角反饋機構等。本課題是結合科研項目“XX航向/航跡控制技術研究”開展的。在該科研項目中， 通過一套舵/翼舵原理樣機對相應的控制理論進行驗證，為了更加真實的模擬原理樣機實際的工作狀態，因此需要對樣機進行加載，以模擬其在水中工作時的實際狀態。
發明內容
為了能夠模擬在各種海情下船舶自動舵的負載變化情況。本發明提出一種基于飛思卡爾單片機及磁粉制動器組成的船舶自動舵動態模擬系統。該系統選用以飛思卡爾單片機為主的嵌入式系統對模擬信號進行處理，并控制磁粉制動器對自動舵電機進行力矩模仿。該發明可以將各種海情下的海浪等負載信號作為船舶自動舵負載信號進行模擬，使磁粉制動器產生相對應的力矩，對船舶自動舵的電機動態加載，從而解決了大功率船舶自動舵運行時加載調試困難，測量精度低等問題。
圖1是系統功能描述圖。圖2是系統結構框圖。圖3是磁粉制動器特征曲線圖。圖4是壓控電流源電路圖。圖5是壓控電流源測試曲線圖。圖6是船舶自動舵動態負載模擬系統整體測試結果圖。其中圖1為系統功能描述圖，啟動系統后，首先進入等待上位機指令狀態；之后由上位機給出數據指令，通過串口通信傳輸給單片機，單片機將得到的數據根據內部編寫的程序進行計算，并將得出的數據傳輸給D/A模塊，D/A模塊再將數據轉換成電壓值，傳輸給壓控電流源，從而轉換成相對應的電流值傳輸給磁粉制動器，產生與之相對應的制動力對自動舵電機加載。圖2為系統結構框圖，其中控制模塊是整個系統的核心部分，控制著整個船舶自動舵動態負載模擬系統的運行和數據的讀取、處理、傳輸；D/A模塊部分實現了數字信號到電壓信號的轉換；壓控電流源部分，實現電壓信號到電流信號的轉換；通信部分，負責實現系統與上位機之間的數據通信。圖3為磁粉制動器特征曲線圖，反映了磁粉制動器在電流變化下的轉矩變化情況。圖4是壓控電流源電路圖。由于本系統要求輸出電流精度比較高，要求電流和功率比較大。因此，壓控電流源采用深度負反饋功放電路。圖5為壓控電流源測試曲線圖。由于壓控電流源是在動態變化的情況下轉換電流輸出因此要求輸出電流必須和輸入電壓一一對應，將誤差降至最低。圖6是船舶自動舵動態負載模擬系統整體測試結果圖。系統經過調試后，做到輸入數據和磁粉制動器輸出的轉矩一一對應，時時對應。因此在上位機輸入動態曲線時，磁粉制動器相應產生動態的負載轉矩。
具體實施例方式結合附圖，詳細說明本發明的實現步驟。上位機指令通過串口以半雙工的方式傳輸給控制模塊，并由單片機進行數據處理，本系統所選用的單片機型號是飛思卡爾系列MC9S08DZ60單片機，它是一款 40-MHzHCS08的CPU (20-MHz總線)，具有HC08指令集，帶附加的BGND指令，支持最多32個中斷/復位源。在單片機中，我們要實現利用算法將上位機的線性輸入數據轉換為符合磁粉制動器特性曲線的非線性數據進行輸出，因此我們要對磁粉制動器的特性曲線進行函數化，磁粉制動器特性曲線如圖3所示。函數化結果如下上升階段Y= 60X 0 < = X < = 0. 3 ；Y = 110Χ-150. 3<=Χ<=0. 6；Y = 120Χ-210. 6<=Χ<=0. 9；Y = 320X/3-90. 9 <= X <= 1. 2 ；下降階段Y= 260Χ/3+15 0. 9 <= X <= 1. 2 ；Y = 380Χ/3-210. 6<=Χ<=0. 9；Y = 320Χ/3-90. 3<=Χ<=0. 6；Y = 230X/30<=X<=0. 3；將函數取反，進行算法編程，之后上位機數據就會通過算法轉換成相對應的新數據，再由D/A模塊轉換成相對應的電壓，傳輸給壓控電流源模塊。由于本系統要求輸出電流精度比較高，要求電流和功率比較大。因此，壓控電流源采用深度負反饋功放電路。電路原理圖如圖4所示，輸入電壓Vi經電阻R1和&分壓后加到運算放大器τγ的同相輸入端，該端電壓
權利要求
1.一種船舶自動舵動態模擬系統的設計方法，其特征是步驟1 系統初始化后接受上位機指令，單片機將接受的數據進行數據處理后傳輸給N/A 模。步驟2 :N/A模將數據信號轉換成電壓值。 步驟3 壓控電流源將電壓值轉換為電流值。 步驟4 制動器產生相應的制動力對自動舵加載。
2.如權利要求1所述的一種船舶自動舵動態模擬系統的設計方法，其特征是所述的單片機對模擬信號處理的具體步驟為上位機指令通過串口以半雙工的方式傳輸給控制模塊，并由單片機進行數據處理；利用算法將上位機的線性輸入數據轉換為符合制動器特性曲線的非線性數據進行輸出，對磁粉制動器的特性曲線進行函數化。 函數化結果如下上升階段γ =60Χ0<=Χ<=0. 3；Y = 110Χ-150..3 < = X < = 0.,6Y = 120Χ-210..6 < = X < = 0.,9Y = 320Χ/3-90..9 <= X <= 1.,2下降階段Υ =260Χ/3+150.9 <= X <= 1.2 Y = 380Χ/3-210..6 < = X < = 0.,9Y = 320Χ/3-90..3 < = X < = 0.,6Y = 230Χ/30< =X < = 0. 3 將函數取反，進行算法編程，上位機數據通過算法轉換成相對應的新數據。
3.如權利要求1所述的一種船舶自動舵動態模擬系統的設計方法，其特征是所述的壓控電流源將電壓值轉換為電流值具體操作步驟為輸入電壓Vi經電阻R1和&分壓后加到運算放大器\的同相輸入端，該端電壓V+I=^^^=—V1Ri+R2 10( ι )Z1的輸出電壓Vtjl作為同相功率放大器的輸入信號，運算放大器4接成電壓跟隨器組態，它把輸出電壓傳V。送給運算放大器&的反相輸入端，Z3的同相輸入端電壓取自功率放大器的輸出電壓，A接成差動比例放大形式，其差模輸入信號就是取樣電阻R兩端電壓Vr = V0-V0 = I0R (2)Z3的輸出電壓RRV03 = ^(V0-V0)=I0R=IOI0RK3K3(3 )Z3的輸出直接加到τγ的反相輸入端，即 V03 = V^1 (4)Z1、功率放大器、z2、A組成了一個深度負反饋的閉環系統，根據運算放大器的工作原理得:Z+1 = ，即 VlO = IOI0R,Io=^-V1100R( 5)當選定R后，輸出電流I。與輸入電壓Vi成正比例關系，并且I。的極性可由Vi來控制， 當\為直流電壓時，I0為直流電流；當Vi為交流電壓時，I0為交流電流。輸出電流I0的大小還可以由R和Vi來控制。
4.如權利要求1所述的一種船舶自動舵動態模擬系統的設計方法，其特征是所述的制動器產生相應的制動力對自動舵加載具體操作步驟為壓控電流源產生與之相對應的電流傳輸給磁粉制動器，磁粉制動器則產生與之相對應的轉矩。
全文摘要
為了能夠模擬在各種海情下船舶自動舵的負載變化情況。本發明提出一種基于飛思卡爾單片機及磁粉制動器組成的船舶自動舵動態模擬系統。該系統選用以飛思卡爾單片機為主的嵌入式系統對模擬信號進行處理，并控制磁粉制動器對自動舵電機進行力矩模仿。該發明可以將各種海情下的海浪等負載信號作為船舶自動舵負載信號進行模擬，使磁粉制動器產生相對應的力矩，對船舶自動舵的電機動態加載，從而解決了大功率船舶自動舵運行時加載調試困難，測量精度低等問題。
文檔編號G05B19/042GK102426434SQ20111035773
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月14日 優先權日2011年11月14日
發明者孫艷波, 智鵬飛 申請人:哈爾濱功成科技創業投資有限公司