專利名稱：船舶自控系統及其控制方法
技術領域：
本發明屬于自動控制技術領域，船用新型可控系統裝置，旨在通過該可控系統安
裝在不同高性能船型上以便獲得自控自航效果，從而完成預期的方案或應用于民用及軍事打擊等任務。
背景技術：
自控自航船舶在當今世界上扮演著越來越重要的角色。從小的方面說可以完成預計的實驗，從而得出船舶的各種性能。從大的方面說如現在各國都在積極研制的水面無人艇，被視為未來海上決定成敗的重要工具，是彰顯一個國家強盛的重要標志。在民用領域的功能也有很多，如清理海上垃圾；清理水面藍藻；監測天氣等。而自控自航運動的關鍵主要取決于其內部的可控系統裝置，這些系統的構成就是整個船模運動的"大腦"。而提供船模自控自航的這個"大腦"是由各種既相互獨立但又互相依賴，緊密聯系的動力裝置及其各類傳感器組成的一個總的自控自航可控系統裝置。國內關于無人艇裝置的專利多是用單片機控制，人們通過反饋信號控制船舶運動，屬于半人工半自動狀態。

發明內容
本發明目的是針對現有技術存在的缺陷提供一種船舶自控系統及其控制方法。
本發明為實現上述目的，采用如下技術方案 本發明船舶自控系統，其特征在于包括工業控制器、傳感器和顯示器，其中，傳感器包括GPS接收機、三維電子羅盤和MTI慣性測量系統；GPS接收機輸出端接工業控制器的標準RS485接口 ，三維電子羅盤輸出端接工業控制器的標準RS232接口 ，MTI慣性測量系統輸出端與工業控制器的USB接口相連；顯示器的輸入端與工業控制器的輸出端相連。
所述的船舶自控系統，其特征在于所述工業控制器采用可編程工業控制器PAC。
所述的船舶自控系統的控制方法，其特征在于包括如下步驟
(1)工業控制器系統設置 a.系統的初始化，對采樣通道進行參數設置并對采樣通道進行計算機自動清零，所述參數包括采樣通道數、通道的輸入量程、設置采樣時間、頻率；
b.設定試驗數據保存路徑； (2)將GPS接收機、三維電子羅盤采集的信號經過信號放大器進行轉換和放大到可檢測范圍內，然后輸入的信號經過編譯和轉換保存在工業控制器的CF卡中；MTI慣性測量系統采集的信號直接保存在工業控制器的CF卡中； (3)結束程序，包括常規結束和緊急結束常規結束即按照試驗方案設定的時間自動進行數據采集之后自動關閉船舶自控系統；緊急結束是為了防止試驗中發生的意外對系統造成破壞而采取的緊急中斷，在工業控制器的模擬量輸入模塊配置若干端口 ，所述端口接報警器輸出端或者遙控器接收機輸出端，當試驗中發生的意外對系統造成破壞時，通過報警器或者遙控器接收機報警和關閉船舶自控系統。
所述的船舶自控系統的控制方法，其特征在于所述傳感器與工業控制器之間的控 制方法如下 1)開啟GPS，根據GPS實時反映出的當前坐標傳送到工業控制器中，通過坐標轉換 得出當前實時坐標和規劃航跡坐標之間的距離差，通過事先自己制定的模糊控制查表法來 確定當前船舶主機的轉速；工業控制器把當前對應主機轉速的命令的程序傳送到主機控制 器中，從而控制船舶主機當前的速度； 2)根據三維電子羅盤測得的船舶航行方向與規劃航跡之間的夾角，通過事先自己 制定的模糊控制查表法來確定當前舵機打舵的方向和度數；工業控制器把當前對舵機命令 的程序傳送到舵機控制器中，從而控制舵機打舵的方向和度數； 3)MTI慣性測量系統實時測得船舶航行的狀態，并記錄船舶航行過程中的三個軸 的角速度和加速度；通過積分可以求出航行的角度，通過船舶自控系統辨識辨識出結果。
本發明以PAC為主導，串連其他傳感器裝置，通過數據采集并反饋出的信號在PAC 中自主識別并運行，不需人工操作，屬于完全自航狀態。本系統的發明相當于一個中間試驗 的可控裝置平臺，可以應用于任何高性能船舶上，有著靈活性強，實用性強等特點。
PAC具有以下特點(l)多功能性，在一個平臺上有邏輯、運動、PID控制、驅動和 處理中的至少兩種以上功能。(2)單一的多規程開發平臺使用通用標簽和單一的數據庫來 訪問所有的參數和功能。(3)通過結合IEC61131-3，用戶向導和數據管理，軟件工具能設 計出在跨越多個機器和處理單元的處理流程。(4)開放的模塊化構架能解決的工業應用可 從控制分布于工廠機器到加工車間的操作單元。(5)采用已有的網絡接口標準，語言等，如 TCPIP，0PC&XML和SQL查詢語言。基于以上特點，PAC比一般的控制器更易控制和操作。PAC 有著多樣的接口連接方式更容易各種傳感設備的連接，多樣性的編程語言能更準確的控制 整套系統的精確運轉。而且其所需岸基設備少，方案設計靈活，適合各種高性能船的要求。 結果表明系統運行穩定，方案設定方便，結果令人滿意。 本文采用了系統辨識技術來解決數據采集系統采集的原始數據處理問題，進行系 統辨識所用的數學方法進行選擇當今比較熱門的遺傳算法(Genetic Algorithms,簡稱GA) 作為本系統辨識程序的優化方法，以VB6. 0作為開發語言編制出了快速性辯識程序。


圖l為系統構成圖。 圖2為自控系統控制流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明 本系統的硬件構成由工業控制器PAC、GPS接收機、三維電子羅盤、MTI慣性測量系 統和顯示器構成。以PAC為中心，GPS接收機、三維電子羅盤、MTI慣性測量系統圍繞PAC 建立連接。GPS自身帶有數據線標準RS485接口，與PAC中標準RS485接口連接；三維電子 羅盤接一個標準的RS232接口 ，與PAC中標準RS232接口相連；MTI慣性測量系統本身自帶 USB接口 ，與PAC中USB接口相連；顯示器15針接口與PAC相連；系統得到的原始數據保存 在PAC的CF卡里，試驗結束后將CF卡中的數據轉存在計算機中，利用試驗數據分析軟件，可以獲得所需要的后期數據并繪出相應的曲線。本系統可以直接采集的信號包括模擬量信 號和數字量信號(包括RS232和RS485)，輸入的信號經過編譯和轉換被保存在PAC的CF卡 中。作為自控船舶動力和操縱組成的電機和舵機及其他設備，可以通過事先設定好的程序 控制變量的值進行轉速的自動調節和舵角的自動調節等，也可以通過遙控設備根據試驗人 員的需求進行控制。這樣就避免了傳統試驗中人工調節試驗點的煩瑣過程，真正實現自控 船舶的自動化。得到的原始數據用系統辨識的方法，采用遺傳算法進行優化工具，在數據分 析系統中進行處理，最終得到結果。 —種基于上述船舶自控控制系統的控制方法，主要包括如下步驟
(l)PAC系統設置 a.打開PAC主程序后首先進行系統的初始化，對采樣通道進行參數設置并對采 樣通道進行計算機自動清零。這里參數主要包括采樣通道數、通道的輸入量程、設置采樣時 間、頻率等，使系統達到準備狀態。 b.設定數據保存路徑。即開機啟動的程序，保證開啟PAC時系統自動完成該程序 的內容。 (2)將PAC不可直接采集的信號經過信號放大器進行轉換和放大到可檢測范圍 內，本系統可以直接采集的信號包括模擬量信號和數字量信號(包括RS232和RS485)，然 后輸入的信號經過編譯和轉換被保存在PAC的CF卡中。傳感器與PAC之間的控制方法如 下 1)開啟GPS，根據GPS實時反映出的當前坐標傳送到PAC中，得出當前實時坐標和 規劃航跡坐標之間的距離差(通過坐標轉換)，通過事先自己制定的模糊控制查表法來確 定當前主機的轉速。PAC把當前對應主機轉速的命令的程序傳送到主機控制器中，從而控制 主機當前的速度。 2)根據三維電子羅盤測得的船舶航行方向與規劃航跡之間的夾角，通過事先自己 制定的模糊控制查表法來確定當前舵機打舵的方向和度數。PAC把當前對舵機命令的程序 傳送到舵機控制器中，從而可以控制舵機打舵的方向和度數。 3)MTI慣性測量系統實時測得船舶航行的狀態，并記錄船舶航行過程中的三個軸 的角速度和加速度。通過積分可以求出航行的角度，通過船舶自控系統辨識辨識出結果。 (3)結束程序，包括常規結束和緊急結束。常規結束就是按照設定的時間自動進行數據采集 之后自動關閉程序。緊急結束是為了防止試驗中發生的意外對系統造成破壞而采取的緊急 中斷，本系統在模擬量輸入模塊配置好若干端口 ，可以接報警器輸出端或者遙控器接收機 輸出端等。自控船舶數據采集系統采集的原始數據必須經過相應處理才能成為體現船舶性 能的最后結果。
權利要求
一種船舶自控系統，其特征在于包括工業控制器、傳感器和顯示器，其中，傳感器包括GPS接收機、三維電子羅盤和MTI慣性測量系統；GPS接收機輸出端接工業控制器的標準RS485接口，三維電子羅盤輸出端接工業控制器的標準RS232接口，MTI慣性測量系統輸出端與工業控制器的USB接口相連；顯示器的輸入端與工業控制器的輸出端相連。
2. 根據權利要求1所述的船舶自控系統，其特征在于所述工業控制器采用可編程工業控制器PAC。
3. —種基于權利要求1所述的船舶自控系統的控制方法，其特征在于包括如下步驟(1) 工業控制器系統設置a. 系統的初始化，對采樣通道進行參數設置并對采樣通道進行計算機自動清零，所述參數包括采樣通道數、通道的輸入量程、設置采樣時間、頻率；b. 設定試驗數據保存路徑；(2) 將GPS接收機、三維電子羅盤采集的信號經過信號放大器進行轉換和放大到可檢測范圍內，然后輸入的信號經過編譯和轉換保存在工業控制器的CF卡中；MTI慣性測量系統采集的信號直接保存在工業控制器的CF卡中；(3) 結束程序，包括常規結束和緊急結束常規結束即按照試驗方案設定的時間自動進行數據采集之后自動關閉船舶自控系統；緊急結束是為了防止試驗中發生的意外對系統造成破壞而采取的緊急中斷，在工業控制器的模擬量輸入模塊配置若干端口 ，所述端口接報警器輸出端或者遙控器接收機輸出端，當試驗中發生的意外對系統造成破壞時，通過報警器或者遙控器接收機報警和關閉船舶自控系統。
4. 一種基于權利要求1所述的船舶自控系統的控制方法，其特征在于所述傳感器與工業控制器之間的控制方法如下1) 開啟GPS，根據GPS實時反映出的當前坐標傳送到工業控制器中，通過坐標轉換得出當前實時坐標和規劃航跡坐標之間的距離差，通過事先自己制定的模糊控制查表法來確定當前船舶主機的轉速；工業控制器把當前對應主機轉速的命令的程序傳送到主機控制器中，從而控制船舶主機當前的速度；2) 根據三維電子羅盤測得的船舶航行方向與規劃航跡之間的夾角，通過事先自己制定的模糊控制查表法來確定當前舵機打舵的方向和度數；工業控制器把當前對舵機命令的程序傳送到舵機控制器中，從而控制舵機打舵的方向和度數；3) MTI慣性測量系統實時測得船舶航行的狀態，并記錄船舶航行過程中的三個軸的角速度和加速度；通過積分可以求出航行的角度，通過船舶自控系統辨識辨識出結果。
全文摘要
本發明公布了一種船舶自控系統及其控制方法，本發明系統包括工業控制器、傳感器和顯示器，其中，傳感器包括GPS接收機、三維電子羅盤和MTI慣性測量系統。本發明方法包括如下步驟(1)工業控制器系統設置，(2)將GPS接收機、三維電子羅盤采集的信號經過信號放大器進行轉換和放大到可檢測范圍內，然后輸入的信號經過編譯和轉換保存在工業控制器的CF卡中；MTI慣性測量系統采集的信號直接保存在工業控制器的CF卡中；(3)結束程序。本發明系統運行穩定，方案設定方便。
文檔編號G05D1/02GK101739029SQ20091023261
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月3日 優先權日2009年12月3日
發明者崔健, 楊松林, 王勇, 程海邊, 范凱, 馬連祥 申請人:江蘇科技大學