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船舶舵/翼舵—鳍/翼鳍数字控制系统设计与实现

余辰光  
【摘要】:由水动力实验所知,在一定范围、同一角度下,舵(鳍)所能达到的升力值会随拱度增大而增大,升阻比也会有一定的改善。利用这一特性,人们设计出了船舶的襟翼舵及襟翼鳍,用以改善舵、鳍的水动力性能。但目前大多数工程中主舵/襟翼舵、主鳍/襟翼鳍之间的转角比确定,并不能真正发挥出翼舵、翼鳍的全部性能。 本文参考刘胜教授在“船舶舵/鳍联合减摇鲁棒控制研究”一文中提出的舵/翼舵-鳍/翼鳍鲁棒综合协调控制方法,通过舵/翼舵-鳍/翼鳍的联合运动,在尽可能减小主舵、主鳍的运动幅度的同时,由小控制面翼舵、翼鳍运动提供所需扶正力矩,以达到降低能耗,提高系统可靠性的效果。利用3片TMS320C6713芯片,依据消耗能量最小原则设计并行遗传算法,分配舵角/翼舵角、鳍角/翼鳍角。与传统串行遗传算法相比,并行遗传算法在运算时间上节约了44.6%,解决了传统遗传算法实时性不强,无法用于实时控制的问题。同时,本文采用鲁棒控制算法使自动舵控制系统和减摇鳍控制系统正常工作,改善航向/横摇控制效果,提高系统的适航性。具体工作如下: 首先,对带有舵/翼舵-鳍/翼鳍的船舶航向/横摇数字控制系统和控制器的整体结构进行设计,并提出控制器在硬件、软件方面的整体设计方案。最后给出控制器设计所需的鲁棒调节器、舵角/翼舵角-鳍角/翼鳍角分配规则以及最小能量方程。 其次,对控制器硬件进行设计。设计TMS320C6713最小系统板,其中包含了对电源模块、复位模块、时钟模块设计、异步串行通信(UART)模块、多通道缓冲串口(McBSP)模块,测试访问端口和边界扫描结构标准(JTAG)接口模块及闪存(FLASH)模块电路的设计,并制作PCB板。 然后,详细设计控制器软件部分,给出具体设计流程。控制器程序主要由初始化程序、串口通信程序、并行遗传算法、鲁棒调节器程序以及McBSP通信模块程序五部分组成。 最后,把所设计的控制器集成到船舶舵/翼舵-鳍/翼鳍航向/横摇数字控制系统中,对控制器的硬件、软件进行调试,并进行系统试验。在不同海情、浪向下,将控制器效果与MATLAB仿真结果相对比。试验结果表明,控制器得到的试验数据与仿真数据基本一致,取得了预期的船舶航向/横摇控制效果。


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