第6卷第3期 智能系统学报 Vol.6 No.3 2011年6月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Jun.2011 doi:10.3969/i.issn.1673-4785.2011.03.012 基于工控机的船舶航向/横摇控制 信息处理系统 刘胜，孔琳12 (1.哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001；2.北京航天自动控制研究所，北京100854) 摘要：船舶航向/横摇控制信息处理系统是基于工控机设计的软硬件系统.为解决船舶航行时复杂多变的运动信 息处理问题，在船舶舵/翼舵鳍/翼鳍联合控制系统模型的基础上，设计出一种以工控机为实现基础，利用数据采集 卡进行A/D、D/A转换的信息处理系统.在VC++环境下进行系统软件开发，利用模块化编程思想设计了系统的软 件结构.实验结果表明，采用智能算法的信息处理系统能够对船舶航向/横摇进行综合控制，操作界面友好. 关键词：航向/横摇控制；信息处理系统；工控机 中图分类号：1P14文献标识码：A文章编号：16734785(2011)03026804 An information processing system of ship course/roll control based on an industrial computer LIU Sheng',KONG Lin'2 (1.College of Automation,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854,China) Abstract:An information processing system of ship course/roll control was designed based on an industrial comput- er.The system was designed to settle complex information processing problems during navigation based on ship main/flap rudder angles and the combined control system model.It realized A/D and D/A conversion using a data acquisition card and used an industrial computer as an implementation base.Software was exploited in the circum- stance of VC++and its construction was designed according to modular programming methods.Results show that ship course/roll can be controlled by making use of the information intelligent processing systems and also that the operation interface is user-friendly. Keywords:course/roll control;information processing system;industrial computer 在当前计算机和信息应用时代，各行业均尽可 1船舶运动模型及参数 能运用计算机进行信息处理，以提高信息处理系统 的智能性和实时性.近年来，信息处理技术被广泛地 船舶航向/横摇控制信息处理系统的船舶运动 应用到交通、船舶等领域，针对控制量复杂多变的实 模型是船舶横荡/艏摇/横摇三自由度运动非线性模 时系统，取得了良好的效果山 型.在Matlab环境下采用遗传算法对该模型进行仿 由于船舶行驶时航行工况和海洋情况复杂多 真试验，得到了良好的控制效果例 变，使得船舶运动信息的处理十分繁琐，如何实时、 根据质心运动定理和相对于质心运动的动量矩定 准确、方便地对船舶进行运动控制和信息处理，成为 理，建立船舶横荡/艏摇/横摇三自由度运动模型为： 船舶控制系统需要解决的关键性问题24].针对上 m(i+r）=Ys, 述问题，本文研究设计了船舶航向/横摇控制信息处 Ii=Ns, 理系统，为实现复杂的控制算法和简洁的操作界面 Ip =Kz. 等目标进行了系统的软硬件设计. 式中：m为船舶质量，u为纵荡速度，L,为船舶对：轴 收稿日期：20090306. 的转动惯量，I为船舶对x轴的转动惯量，v为横荡速 通信作者：孔琳.E-mail:konglin310@yahoo.com.cn. 度，r为艏摇角速度，p为横摇角速度，YΣ、N三、KΣ为船
第3期 刘胜，等：基于工控机的船舶航向/横摇控制信息处理系统 ·269· 舶受到的横荡力、艏摇力矩和横摇力矩，分别为： 摇控制信息处理系统的硬件组成主要是由运算及存 Ys =-m,i-mgur Yv Yr +Ydl+ 储单元、外部设备、过程输人输出设备等组成，其系 Yanrl rl+yv'r+Yur2 统结构如图1所示. Y,(a,B)+Y(ar,B）+Ya, 信息智能处理系统 Ns =-Al i +Nw +N,r +Nadol vl+Nanrl rl+ 外部设备 Nv'r Nmor'Neo+Nadull+ Nierl +N,(a,B,)+N(arB)Na, 信号 运算单元 Ks =-Al p 2Np -Who -z8(-m,i m,ur +Y.v+ 传感器 信号输出 服系窥 人通道 你储单元 Yr +Yanol vl +Yarl rl Yv'r Ymr2)+K,(,B,）+K(cy,）+Kd 式中：m为纵荡附加质量，m为横荡附加质量，△ 视景仿真系统 为船舶对：轴的附加转动惯量，△1，为船舶对x轴的 图1船舶航向/横摇控制信息处理系统结构 附加转动惯量，2N,为每单位横摇角速度的船舶阻尼 Fig.1 The structure of information processing system 力矩，W为船舶排水量，h为横稳心高，H为船舶横向 of ship course/roll control 力的作用点至重心的垂向距离，p为横摇角，Y.、N.为 本文实现的信息处理系统对参数采集要求频率 船舶粘性水动力系数，a,为舵角，B为翼舵角，Y,(α， 高且精确，系统工作一次连续采集的数据量须达到 B)、N,(a,B,)、K,(a,B,)为舵/冀舵产生的横荡力、 12MB以上，为了方便测量并实现多个部位、多个参 艏摇力矩和横摇力矩，g为鳍角，B为翼鳍角，Y(cg, 数值的同时自动采集，要求系统具有大容量的数据 B)、N(ag,B)、K(g,B)为鳍/翼鳍产生的横荡力、 缓冲区.故采用PCA-6007工业主板处理数字信号， 艏摇力矩和横摇力矩，Y、Va、K:为船舶受到的横荡 其可靠性强、稳定性高、测试准确、使用方便且人机 干扰力、艏摇干扰力矩和横摇干扰力矩， 界面友好，同时采用PCI-1716和PCI-1723型数据采 根据上述分析，得到船舶横荡/艏摇/横摇三自 集卡进行数据输入输出。 由度运动非线性模型为： 采用PCA6007作为核心主板后，可将主要精力 m(i+ur)=-m,i-mgur +Yv +Yr+ 放在软件和接口的设计上，而且PCA6O07的开发、 Yaaol ol Yanrl rl+yv'r+y or2+ 维护和扩展都非常方便，它兼容性好，可以很快掌握 Y,(a,B)+Y(cg,B）+Ya, 其软、硬件的使用，为系统应用提供了标准的平台. Ii =-Ali N,o +Nr Ninvl vl+Nnr l rl+ 2.2输入输出通道设计 Nv'r +Nor2 Noo Nadull+ 选用PCI-1716型数据采集卡作为传感器与工控机 Nidrl l+N,(a,,B,)+N,(ar,B)Na, 间A/D转换的硬件设备.数据采集卡是外界电信号与 I p =-Al p +2Np Who zn(-m,i-m,ur +Y.v+ 计算机之间联系的桥梁，它不仅具有数据采集的功能， Yr +Yadvl vl Ydrl rl+Yv'r +Yur2)+ 还具有信号控制和输出的功能.它能把模拟电信号转 K,(a,B）+K(a,Br)+Ka 化为数字信号传递给计算机，也可直接读取数字信号， 本文所用船舶数据以某船为研究对象，其主要 接受计算机传来的数据或控制信号，将模拟或数字信 参数为：船长105m、船宽37m、船舶吨位2180t、吃 号传递给外部设备？8].过程如图2所示. 水为9m、恒稳心高1m、船速18kn. 采集的模拟 外界电信号 或数字信号 数字信号 数据采集 工控机 2系统硬件设计 数字或控制信号 PC发出的信号 2.1系统硬件总体设计 图2数字采集卡转换和传递信号的过程 信息处理系统是船舶航向/横摇控制的核心部 Fig.2 The process of tranfering and delivering signal 分，担负着初始信号的接收、传感器信号的采集、控 in digital acquisition card 制算法的实现、控制指令的智能分配和输出及视景 P℃I-1716是一款功能强大的高分辨率多功能 仿真信号的输出等任务，系统外部的物理参数大部 P℃I数据采集卡，可实现各类电信号的采集、控制和 分是模拟信号，而工控机6采用的信号是数字信 输出，非常适合于以工控机为开发平台的自动控制 号，因此在整个控制过程中要采用A/D和D/A转 领域.同时还具有很完善的软件支持，可以在 换，以实现2种信号之间的互相转换.船舶航向/横 Visual C++6.0及多种开发语言环境下进行开发
·270 智能系统学报 第6卷 PCI-1716具有即插即用的功能，卡上还带有1KB的 律的优化设计，完成舵角、翼舵角、鳍角、翼鳍角的分 采样FIF0缓冲器，且具有16路数字输入和16路数 配，从而达到改善船舶航向/横摇控制效果、提高可 字输出、高达250KB/s采样速率等主要特点，能够满 靠性的目的.信息处理系统输人量为k时刻的航向 足信息处理系统的要求. 角和横摇角，输出量为舵角、翼舵角、鳍角、翼鳍角及 选用PCI-1723型模拟量输出卡作为信息处理 k+1时刻的航向角和横摇角. 系统中工控机与伺服系统之间的D/A转换设备. 信息处理系统处理的信息包括与船舶运动模型 PCL-1723每个模拟量输出通道都带有一个16bits的 和环境干扰模型有关的数据和运行过程中的测试结 双缓冲DAC,能够满足信息处理系统多路模拟量输 果数据等四.具体包括：1)船舶运动模型的参数；2) 出的要求[].PCI-1723在系统热重启动时能够保持 风、浪、流等环境于扰的参数：3)船舶运动模型的初始 上一次的模拟量输出值，或者返回到默认配置.这种 运动状态；4)船舶运动过程中的各种变量参数。 特有的功能能够避免在系统意外重启动过程中的误 系统软件设计的最终形式是实现船舶运动的智 操作给系统带来的影响 能信息处理，即接受数字仿真传感器测得的船舶运 3 系统软件设计 动信息，经算法控制器运算进行智能分配，给出舵 角、翼舵角、鳍角、翼鳍角指令信号，从而使船舶的航 3.1软件模块设计 向和横摇运动稳定保持在期望的姿态.系统软件运 信息处理系统的软件设计是在VC++环境 行流程图如图4所示. 下Ioi,以C+语言为编程语言实现的.根据Matlab 开始 环境下已搭建模型，根据C++语言编程模块对控制 系统模型进行简化，如图3所示。 进行板卡初始参数设置 航向角 智能处理 幅值 舵角、翼舵角 横摇角 算法控制器 调整 鳍角、翼鳍角 采集船舶运动信息 力矩 干扰 计算 加载 调川算法模块 图3控制系统简化模型 Fig.3 Simplified model of control system 向视景仿真系统 椅出摸拟量控制舵鳍运动 信息处理系统软件设计主要分为以下几个模块。 输出数据 1)智能控制算法模块.采用遗传算法对舵角、 翼舵角、鳍角、翼鳍角进行优化，其编程的依据是 关闭板卡 Matlab环境下搭建的系统模型，将船舶航向/横摇控 制的驱动能量方程以适应度函数的形式来表示，经 计算对舵角/翼舵角和鳍角/翼鳍角进行实时的智能 退出系统 决策分配， 图4智能信息处理系统软件运行流程 2)通信模块.信息处理系统的应用程序需要与 Fig.4 Software flow diagram of information processing 驱动程序进行通信，以控制输入输出数据的读取，同 system 时还需要设计中断程序使系统顺利完成信息的采集 4 和计算。 系统测试 3)人机界面模块.由于Visual C++可实现友好 系统初始输入可由程序设定，但由于计算机无 的人机界面，本系统采用对话框方式输人设定的初 法模拟复杂波形的输人，采用程序编制导人一组反 始参数，运行智能控制算法模块后即可查看相关参 馈数据，将其与初始信号循环叠加，并用示波器查看 数的曲线图，并可将数据保存为文本方式，可随时更 其输出结果.图5、图6是系统以0.18为采样周期， 新查看，方便与仿真结果进行对照分析， 经200s后得出的航向角与横摇角控制效果，在波峰 3.2软件设计流程 波谷处虽有毛刺出现，且整体控制效果与仿真结果 系统软件设计依据已有模型，针对船舶舵/翼 呈现的稳定性有所差距，但是仍然能够达到控制效 舵、鳍/翼鳍联合控制，在设计的海情下，通过控制规 果21.究其原因可能是由于硬件干扰或程序仿真未
第3期 刘胜等：基于工控机的船舶航向/横摇控制信息处理系统 271。 能达Matlab计算的精度 系统的研究[].哈尔滨工程大学学报，1999,20(4)： 20-26. 动作 存图像】 LIU Sheng,CHEN Shengzhong,SUN Jingchuan.Study of joint control system of main/flapped fin stabilizer[J].Jour- 八关于 nal of Harbin Engineering University,1999,20(4),::20- 存图像 26. 选择 文件夹 [6)孙廷才，王杰，孙中健.工业控制计算机组成原理[M 储存 北惊：清华大学出版社，2001：3234 ⑦金超多路信号数据采集系统D]成都：电子科技大学，， 2002::55-56. 图5系统航向角测试结果 8]袁赣南，董景均，卢志忠.雷达信号采集系统的设计与实 Fig.5 The results of course angle testing 现[].应用科技，2010,37(4))：255 上几每文中Ma 动作 YUAN Gannan,DONG Jingjun,LU Zhizhong.The design 存图像 格式 and implementation of radar signal acquisition system[J]. Applied Science and Technology,2010,37(4)::52-55 存图 [9张华力，郭庆祝，王宏智，等.可编程逻辑控制器在船舶主机 先择 文件夹 遥控系统中的应用[].船电技术，2006(1)：36-39. 储存 ZHANG Huali,GUO Qingzhu,WANG Hongzhi,et al.Appli- 物23东1：a.物2 cation of PLC in remote control of main engine on the ship[J]. 4-r15：41 Marine Electric Electronic Engineering,2006(1).::33 图6系统横摇角测试结果 10]KRUGLINSKI DJ..Visual C+6.0技术内幕[M].4版.： Fig.6 The results of roll angle testing 潘爱民，王国印，译.北京：清华大学出版社，2009：：9 42. 5结束语 山黄永华.机器人语言编程系统的设计与实现[D].南京： 基于工控机的船舶信息处理系统的设计，使船 东南大学，2004：930 12]LYONS RG.Understanding digital signal processing[M].. 舶航向/横摇控制系统的仿真结果可以应用于实际. 北凉：机械工业出版社，2005：：78-79. 系统测试表明，提出的设计方法能够使系统对船舶 作者简介： 航向角、横摇角等运动信息实现比较有效的控制，同 刘胜，男，1957年生，教授，博士生 时开发的软件界面操作简单，便于对系统运行结果 导师，黑龙江省教学名师.兼任教育 进行保存和察看：但这种方法目前未进行传感器模 部工程研究中心“船舶控制工程研究 拟量输入测试，下一步的工作将结合船舶航向/横摇 中心”主任，中国造船学会仪器仪表学术 控制系统的其他组成部分，展开更深入的研究. 委员会副主任，黑龙江省自动化学会副 理事长.主要研究方向为智能控制、鲁 参考文献： 棒控制、船舶航行与姿态控制.目前承担国家"973"计划项 目、国防基础研究基金项目、国防预研项目4项，省部级科 廉清云，黄涌忠港口船舶监控与信息管理系统：中国， 研项目6项.曾获省部级科学技术奖7项，省教学成果奖一等 CN1909015[P].2007-02-07. 奖2项、二等奖2项，省教育科学研究成果一等奖4项，省 阅]杨盐生.船舶运动控制研究中存在的问题与对策[C]// 部级自然科学技术学术成果奖8项.发表学术论文150余篇 2001航海技术现状与发展趋势论文集.[S.1.],2001: ,被SCI、EI、ISTP检索70余篇，出版学术著作3部. 193-201. 圆郭远星，施一明，叶莹.船舶综合控制系统研究与设计 [0.中国造船，2010,52(3))：191-198 GUO Yuaning,SHI Yiming,YE Ying.Investigation and design of the integrated ship control system[J].Shipbuild- 孔琳，女，1983年生，助理工程师， ing of China,2010,52(3):191-198. 硕士，主要研究方向为船舶运动控制、 4]引刘彦文，刘胜，王毅.船舶舵减摇的H.控制设计[J门.电！ 系统软件测试 机与控制学报，2009,13(1)：133-137. LIU Yanwen,LIU Sheng,WANG Yi.H.design for rudder roll stabilization of ships[J]].Electric Machines and Con- trol,2009,13(1):133-137. 同]刘胜，陈胜仲，孙静川.主鳍/襟翼鳍船舶减摇联合控制
e k 文件夹 [1] 廉清云,黄涌忠.港口船舶监控与信息管理系统: 中国, CN1909015[P]. 2007-02-07. YUAN Gannan,DONG Jingjun,LU Zhizhong. The design and implementation of radar signal acquisition system[J]. Applied Science and Technology,2010,37(4) : 52-55. e k .7项0s 蚪V_任E snEHET 参考文献: 271。 储 存 ER的d7,BMP M25Ds Fig.5 The results of course angle testing 4-Mar-9 15: 4 1 超 : [3] 郭远星,施一明,叶莹.船舶综合控制系统研究与设计 [J] .中国造船,2010,52(3) : 191-198. 图6系统横摇角测试结果 格式 -Mar-09 16: 1 0 储存 图5系统航向角测试结果 4 ] 刘彦文,刘胜,王毅.船舶舵减摇的H.控制设计[J].电 机与控制学报,2009,13(1) :133-137. 10] KRUGLINSKI DJ. Visual C++6.0技术内幕[M].4版. 潘爱民,王国印,译.北京: 清华大学出版社,2009: 39- 42. [11] 黄永华.机器人语言编程系统的设计与实现[D].南京: 东南大学,2004: 29-30. LIU Sheng,CHEN Shengzhong,SUN Jingchuan. Study of joint control system of main/flapped fin stabilizer[J]. Journal of Harbin Engineering University,1999,20(4) : 20- 26. 12] LYONS R G. Understanding digital signal processing[ M]. 北京: 机械工业出版社,2005: 78-79. LIU Yanwen,LIU Sheng,WANG Yi. H.design for rudder roll stabilization of ships[J] . Electric Machines and Control,2009,13(1) : 133-137. 格式 孔琳,女,1983年生,助理工程师, 硕士,主要研究方向为船舶运动控制、 系统软件测试. 8] 袁赣南,董景均,卢志忠.雷达信号采集系统的设计与实 现[J].应用科技,2010,37(4) :52-55. [2] 杨盐生.船舶运动控制研究中存在的问题与对策[C] // 2001航海技术现状与发展趋势论文集.[S.1.] ,2001: 193-201. 系统的研究[J] .哈尔滨工程大学学报,1999,20(4) : 20-26. 5结束语 关于 [5] 刘胜,陈胜仲,孙静川.主鳍/襟翼鳍船舶减摇联合控制 动 作 先 择 M250s BMF 基于工控机的船舶信息处理系统的设计,使船 舶航向/横摇控制系统的仿真结果可以应用于实际. 系统测试表明,提出的设计方法能够使系统对船舶 航向角、横摇角等运动信息实现比较有效的控制,同 时开发的软件界面操作简单,便于对系统运行结果 进行保存和察看;但这种方法目前未进行传感器模 拟量输入测试,下一步的工作将结合船舶航向/横摇 控制系统的其他组成部分,展开更深入的研究. [6] 孙廷才,王杰,孙中健.工业控制计算机组成原理[M]. 北京: 清华大学出版社,2001: 32-34. 理事长.主要研究方向为智能控制、鲁 棒控制、船舶航行与姿态控制.目前承担国家"973"计划项 目、国防基础研究基金项目、国防预研项目4项,省部级科 研项目6项.曾获省部级科学技术奖7项,省教学成果奖一等 奖2项、二等奖2项,省教育科学研究成果一等奖4项,省 部级自然科学技术学术成果奖8项.发表学术论文150余篇 ,被 SCI、EI、 刘胜,男,1957年生,教授,博士生 导师,黑龙江省教学名师.兼任教育 部工程研究中心“船舶控制工程研究 中心"主任,中国造船学会仪器仪表学术 委员会副主任,黑龙江省自动化学会副 ISTP检索70余篇,出版学术著作3部. 第3期 动 作 GUO Yuaning,SHI Yiming,YE Ying. Investigation and design of the integrated ship control system[J]. Shipbuilding of China,2010,52(3) : 191-198. 6.品0Ds 存图像 存图像 刘胜,等: 基于工控机的船舶航向/横摇控制信息处理系统 E 器文中 [9] 张华力,郭庆祝,王宏智,等.可编程逻辑控制器在船舶主机 遥控系统中的应用[J] .船电技术,2006(1) :36-39. ZHANG Huali,GUO Qingzhu,WANG Hongzhi,et al. Application of PLC in remote control of main engine on the ship[J] . Marine Electric & Electronic Engineering,2006(1) : 36-39. 能达到Matlab计算的精度. 作者简介: M Pos 关 存图像 文件夹 TFHMnn1;BP [7] 金超.多路信号数据采集系统[D] .成都:电子科技大学, 2002: 55-56. 选 择 存图像 Fig.6 The results of roll angle testing n 学