专利名称：船舶自动舵动态负载模拟系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种负载模拟系统，尤其是一种船舶自动舵动态模拟系统的设计方法。
背景技术：
目前，船舶是借助螺旋桨的推力和舵力来改变或保持航速和航向，实现从某港出发按计划的航线到达预定的目的港。由此可见，操舵系统是一个重要控制系统，其性能直接影响着船舶航行的操纵性、经济性和安全性。因此，船舶操纵系统的性能，引起人们的关注， 并吸引着世界各国的工程技术人员围绕着进一步改善该系统的性能这一课题而不断地进行研究和探索。该课题的研究伴随着自动控制理论和技术的提高而发展。开发出自动舵产品，为航运业的发展作出了巨大的贡献。自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置。系统的调节对象是船，被调节量是航向。自动舵是一个闭环系统，它包括航向给定环节；航向检测环节；给定航向与实际航向比较环节；航向偏差与舵角反馈比较环节；控制器；执行机构；舵；调节对象-船；舵角反馈机构等。本课题是结合科研项目“XX航向/航迹控制技术研究”开展的。在该科研项目中， 通过一套舵/翼舵原理样机对相应的控制理论进行验证，为了更加真实的模拟原理样机实际的工作状态，因此需要对样机进行加载，以模拟其在水中工作时的实际状态。
发明内容
为了能够模拟在各种海情下船舶自动舵的负载变化情况。本发明提出一种基于飞思卡尔单片机及磁粉制动器组成的船舶自动舵动态模拟系统。该系统选用以飞思卡尔单片机为主的嵌入式系统对模拟信号进行处理，并控制磁粉制动器对自动舵电机进行力矩模仿。该发明可以将各种海情下的海浪等负载信号作为船舶自动舵负载信号进行模拟，使磁粉制动器产生相对应的力矩，对船舶自动舵的电机动态加载，从而解决了大功率船舶自动舵运行时加载调试困难，测量精度低等问题。
图1是系统功能描述图。图2是系统结构框图。图3是磁粉制动器特征曲线图。图4是压控电流源电路图。图5是压控电流源测试曲线图。图6是船舶自动舵动态负载模拟系统整体测试结果图。其中图1为系统功能描述图，启动系统后，首先进入等待上位机指令状态；之后由上位机给出数据指令，通过串口通信传输给单片机，单片机将得到的数据根据内部编写的程序进行计算，并将得出的数据传输给D/A模块，D/A模块再将数据转换成电压值，传输给压控电流源，从而转换成相对应的电流值传输给磁粉制动器，产生与之相对应的制动力对自动舵电机加载。图2为系统结构框图，其中控制模块是整个系统的核心部分，控制着整个船舶自动舵动态负载模拟系统的运行和数据的读取、处理、传输；D/A模块部分实现了数字信号到电压信号的转换；压控电流源部分，实现电压信号到电流信号的转换；通信部分，负责实现系统与上位机之间的数据通信。图3为磁粉制动器特征曲线图，反映了磁粉制动器在电流变化下的转矩变化情况。图4是压控电流源电路图。由于本系统要求输出电流精度比较高，要求电流和功率比较大。因此，压控电流源采用深度负反馈功放电路。图5为压控电流源测试曲线图。由于压控电流源是在动态变化的情况下转换电流输出因此要求输出电流必须和输入电压一一对应，将误差降至最低。图6是船舶自动舵动态负载模拟系统整体测试结果图。系统经过调试后，做到输入数据和磁粉制动器输出的转矩一一对应，时时对应。因此在上位机输入动态曲线时，磁粉制动器相应产生动态的负载转矩。
具体实施例方式结合附图，详细说明本发明的实现步骤。上位机指令通过串口以半双工的方式传输给控制模块，并由单片机进行数据处理，本系统所选用的单片机型号是飞思卡尔系列MC9S08DZ60单片机，它是一款 40-MHzHCS08的CPU (20-MHz总线)，具有HC08指令集，带附加的BGND指令，支持最多32个中断/复位源。在单片机中，我们要实现利用算法将上位机的线性输入数据转换为符合磁粉制动器特性曲线的非线性数据进行输出，因此我们要对磁粉制动器的特性曲线进行函数化，磁粉制动器特性曲线如图3所示。函数化结果如下上升阶段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 ；下降阶段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；将函数取反，进行算法编程，之后上位机数据就会通过算法转换成相对应的新数据，再由D/A模块转换成相对应的电压，传输给压控电流源模块。由于本系统要求输出电流精度比较高，要求电流和功率比较大。因此，压控电流源采用深度负反馈功放电路。电路原理图如图4所示，输入电压Vi经电阻R1和&分压后加到运算放大器τγ的同相输入端，该端电压
权利要求
1.一种船舶自动舵动态模拟系统的设计方法，其特征是步骤1 系统初始化后接受上位机指令，单片机将接受的数据进行数据处理后传输给N/A 模。步骤2 :N/A模将数据信号转换成电压值。 步骤3 压控电流源将电压值转换为电流值。 步骤4 制动器产生相应的制动力对自动舵加载。
2.如权利要求1所述的一种船舶自动舵动态模拟系统的设计方法，其特征是所述的单片机对模拟信号处理的具体步骤为上位机指令通过串口以半双工的方式传输给控制模块，并由单片机进行数据处理；利用算法将上位机的线性输入数据转换为符合制动器特性曲线的非线性数据进行输出，对磁粉制动器的特性曲线进行函数化。 函数化结果如下上升阶段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下降阶段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 将函数取反，进行算法编程，上位机数据通过算法转换成相对应的新数据。
3.如权利要求1所述的一种船舶自动舵动态模拟系统的设计方法，其特征是所述的压控电流源将电压值转换为电流值具体操作步骤为输入电压Vi经电阻R1和&分压后加到运算放大器\的同相输入端，该端电压V+I=^^^=—V1Ri+R2 10( ι )Z1的输出电压Vtjl作为同相功率放大器的输入信号，运算放大器4接成电压跟随器组态，它把输出电压传V。送给运算放大器&的反相输入端，Z3的同相输入端电压取自功率放大器的输出电压，A接成差动比例放大形式，其差模输入信号就是取样电阻R两端电压Vr = V0-V0 = I0R (2)Z3的输出电压RRV03 = ^(V0-V0)=I0R=IOI0RK3K3(3 )Z3的输出直接加到τγ的反相输入端，即 V03 = V^1 (4)Z1、功率放大器、z2、A组成了一个深度负反馈的闭环系统，根据运算放大器的工作原理得:Z+1 = ，即 VlO = IOI0R,Io=^-V1100R( 5)当选定R后，输出电流I。与输入电压Vi成正比例关系，并且I。的极性可由Vi来控制， 当\为直流电压时，I0为直流电流；当Vi为交流电压时，I0为交流电流。输出电流I0的大小还可以由R和Vi来控制。
4.如权利要求1所述的一种船舶自动舵动态模拟系统的设计方法，其特征是所述的制动器产生相应的制动力对自动舵加载具体操作步骤为压控电流源产生与之相对应的电流传输给磁粉制动器，磁粉制动器则产生与之相对应的转矩。
全文摘要
为了能够模拟在各种海情下船舶自动舵的负载变化情况。本发明提出一种基于飞思卡尔单片机及磁粉制动器组成的船舶自动舵动态模拟系统。该系统选用以飞思卡尔单片机为主的嵌入式系统对模拟信号进行处理，并控制磁粉制动器对自动舵电机进行力矩模仿。该发明可以将各种海情下的海浪等负载信号作为船舶自动舵负载信号进行模拟，使磁粉制动器产生相对应的力矩，对船舶自动舵的电机动态加载，从而解决了大功率船舶自动舵运行时加载调试困难，测量精度低等问题。
文档编号G05B19/042GK102426434SQ20111035773
公开日2012年4月25日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者孙艳波, 智鹏飞 申请人:哈尔滨功成科技创业投资有限公司