专利名称：船舶翼鳍、翼舵综合协调控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及船舶航行姿态控制领域，特别涉及船舶航行姿态控制中翼鳍、翼舵综合协调控制领域。
背景技术：
在舰船姿态控制中，航向控制是最基本的，不论何种船舶，为完成各种使命，必须进行航向控制。舰船航向控制主要是靠操舵运动控制来实现。此外，横摇运动对船舶安全航行、船员舒适感和武备系统的命中率均有严重的影响，为了有效地减小横摇运动，船舶工程师们设计了各种各样的减摇装置。船舶减摇的一种有效措施是采用主动式减摇鳍系统。
为了提高船舶的操纵性，通常增加鳍(舵)的拱度，翼鳍-翼舵就是通过在鳍(舵)上增加一个相对独立运动的小控制面—翼鳍(翼舵)，使主鳍(舵)与翼鳍(舵)之间产生一个夹角，因而实际上是将一个一般的流线型鳍(舵)变为一个具有一定拱度的鳍(舵)来明显改善鳍(舵)流体动力性能，从而改善减摇鳍系统减摇性能和自动舵系统航向控制性能。
现有的对翼鳍、翼舵的控制是采用两套相互独立，之间没有任何联系的控制系统，两个相互独立的控制系统没有考虑舰船横摇与航向之间的耦合影响，这样使得高速船舶或是在激流、狭窄航道中的船舶的操纵性大为降低。
发明内容本发明的目的在于提供一种可有效地减小舰船横摇和艏摇(航向)运动、提高船舶的适航性的船舶翼鳍/翼舵综合协调控制装置。
本发明的目的是这样实现的它包括智能信息处理单元U1、连接主鳍U3的伺服机构U2、连接翼鳍U5的伺服机构U4、连接主舵U7的伺服机构U6、连接翼舵U9的伺服机构U8、设置在船体上并连接智能信息处理单元U1的横摇信息检测传感器U11、航向信息检测传感器U10、连接智能信息处理单元U1与主鳍U3、翼鳍U5、主舵U7、翼舵U9的信息采集单元U12和连接信息采集单元U12的信息显示单元U13，智能信息处理单元U1分别连接伺服机构U2、U4、U6和U8。
本发明还有这样一些结构特征1、所述的伺服机构U2包括连接智能信息处理单元U1的控制器、连接控制器的D/A转换器、连接D/A转换器的主鳍伺服机构、连接主鳍伺服机构的传感器和连接传感器的A/D转换器，A/D转换器连接控制器，主鳍伺服机构连接主鳍U3；2、所述的伺服机构U4包括连接智能信息处理单元U1的控制器、连接控制器的D/A转换器、连接D/A转换器的翼鳍伺服机构、连接翼鳍伺服机构的传感器和连接传感器的A/D转换器，A/D转换器连接控制器，翼鳍伺服机构连接翼鳍U5；3、所述的伺服机构U6包括连接智能信息处理单元U1的控制器、连接控制器的D/A转换器、连接D/A转换器的舵伺服机构、连接舵伺服机构的传感器和连接传感器的A/D转换器，A/D转换器连接控制器，舵伺服机构连接主舵U7；4、所述的伺服机构U8包括连接智能信息处理单元U1的控制器、连接控制器的D/A转换器、连接D/A转换器的翼舵伺服机构、连接翼舵伺服机构的传感器和连接传感器的A/D转换器，A/D转换器连接控制器，翼舵伺服机构连接翼舵U9；5、所述的智能信息处理单元包括综合协调控制器、连接综合协调控制器的智能分配器和航速、浪级自动增益调整单元，信息采集单元U12电信号连接航速、浪级自动增益调整单元，横摇信息检测传感器U11、艏摇信息检测传感器U10和航速、浪级自动增益调整单元电信号连接综合协调控制器，综合协调控制器电信号连接智能分配器，智能分配器电信号连接伺服机构U2、U4、U6和U8。
本发明所提出的船舶翼鳍、翼舵综合协调控制装置有如下特点(1)装置利用了翼、舵运动对船舶横摇有影响的特性。翼舵不仅会产生艏摇控制力矩，同时还会产生可观的横摇扶正力矩，使得舵减横摇成为可能。事实上，舵产生的横摇力矩是相当可观的，舵转过一定角度产生的横摇力矩可达到鳍转过同样角度产生的横摇扶正力矩70％，充分发挥舵的减摇能力，能有效提高减摇效果，降低成本。
(2)装置利用了翼、鳍运动对船舶艏摇影响小的特性。减摇鳍主要是为了产生横摇扶正力矩，与翼舵上产生的艏摇力矩、横荡力相比，鳍转过一定角度产生的艏摇力矩和横荡力矩相当于翼舵转过同样角度产生的艏摇力矩的6％，横荡力的58％，因此，鳍对舰船艏摇运动控制作用收效甚微。
(3)装置考虑到了横摇与航向之间的耦合关系，利用统一的信息处理单元对翼鳍、翼舵进行综合协调控制。对于航向的控制，利用翼、舵的低频控制信号进行；对于横摇的控制，利用翼鳍控制信号和翼、舵高频控制信号同时进行。
本发明把原来独立控制的鳍或翼鳍、舵或翼舵协调起来，采用一个统一的信息处理单元进行综合控制，能够有效地减小舰船横摇和艏摇(航向)运动，提高船舶的适航性。
图1为本发明的原理结构图；图2为本发明实施例伺服机构控制器原理图；图3为本发明实施例伺服机构控制器可编程逻辑器件的系统保护电路图。
(五)
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明如下实施例结合图1，本实施例包括智能信息处理单元U1、连接主鳍U3的伺服机构U2、连接翼鳍U5的伺服机构U4、连接主舵U7的伺服机构U6、连接翼舵U9的伺服机构U8、设置在船体上并连接智能信息处理单元U1的横摇信息检测传感器U11、航向信息检测传感器U10、连接智能信息处理单元U1与主鳍U3、翼鳍U5、主舵U7、翼舵U9的信息采集单元U12和连接信息采集单元U12的信息显示单元U13，智能信息处理单元U1分别连接伺服机构U2、U4、U6和U8。其中U2、U4、U6、U8结构相同，所述的伺服机构U2包括连接智能信息处理单元U1的控制器、连接控制器的D/A转换器、连接D/A转换器的主鳍伺服机构、连接主鳍伺服机构的传感器和连接传感器的A/D转换器，A/D转换器连接控制器，主鳍伺服机构连接主鳍U3；所述的伺服机构U4包括连接智能信息处理单元U1的控制器、连接控制器的D/A转换器、连接D/A转换器的翼鳍伺服机构、连接翼鳍伺服机构的传感器和连接传感器的A/D转换器，A/D转换器连接控制器，翼鳍伺服机构连接翼鳍U5；所述的伺服机构U6包括连接智能信息处理单元U1的控制器、连接控制器的D/A转换器、连接D/A转换器的舵伺服机构、连接舵伺服机构的传感器和连接传感器的A/D转换器，A/D转换器连接控制器，舵伺服机构连接主舵U7；所述的伺服机构U8包括连接智能信息处理单元U1的控制器、连接控制器的D/A转换器、连接D/A转换器的翼舵伺服机构、连接翼舵伺服机构的传感器和连接传感器的A/D转换器，A/D转换器连接控制器，翼舵伺服机构连接翼舵U9；智能信息处理单元具有横摇或航向综合协调控制器、鳍角或翼鳍角、舵角或翼舵角智能分配器、航速、浪级自动增益调整等功能。船舶在海浪干扰和鳍或翼鳍、舵或翼舵控制作用下做横摇和航向运动。不同海情、海浪条件下船舶在海上的横摇和艏摇随机摇摆运动。横摇信息检测传感器U11、艏摇(航向)信息检测传感器U10将测得的船舶摇摆信息送入智能信息处理单元，经综合协调控制器结合航速、浪级增益进行运算，运算后给出鳍角、翼鳍角、舵角、翼舵角指令信号，再由鳍角或翼鳍角、舵角或翼舵角智能分配器将信号送入主鳍伺服机构U2、翼鳍伺服机构U4、舵角伺服机构U6、翼舵角伺服机构U8，驱动主鳍U3、翼鳍U5、主舵U7和翼舵U9。控制过程中的所有信息由信息采集单元U12采集后送入信息显示单元U13显示。
结合图2，基于TMS320F2812伺服电机控制器的整体设计以TMS320F2812为核心，所有复杂的控制算法及控制策略都是通过该控制器来实现的，本机构涉及到DSP的大部分集成外设，如事件管理器EV、异步串行通讯接口SCI、模数转换器ADC、PWM发生模块以及JTAG仿真接口等。其硬件电路主要由主电路、控制电路及外围电路组成。
为了避免相电流过高对DSP的冲击损坏，利用FO用来检测是否又电流过高的故障信号，如果FO被置位，故障信号通过CPLD送给DSP，则所有的PWM输出立即被置成高组态。
电机的转速通过脉冲编码器测量，电机的码盘信号A、B通过DSP控制器的CAP1、CAP2端口进行捕捉。捕捉到的数据存放到寄存器中，通过比较捕捉到的A、B两相脉冲值可以确定当前电机转子的速度和方向。
逆变部分采用的是智能功率模块(IPM)。IPM是七单元的智能功率模块(三相全桥加1个泄放管)内含栅极驱动、短路保护、过流保护、过热保护和欠压锁定电路。它具有可靠性高，体积小，使用方便等一系列特点，缩短了开发时间，简化了开发步骤。
结合图3，控制器中可编程逻辑器件采用CPLD的XC9536XL芯片，设置有机构保护电路，机构保护电路中输入信号母线电压IPMP连接电阻R81、R82到运放U8A和运放U8B，连接电阻R83、电容C35到P_GND，运放U8A连接电阻R74、电容C11到P_GND、电阻R32到VCC+15V，运放U8A的输出连接电阻R32到VCC+15V、电阻R71到三极管Q5基电极，三极管Q5共射级到P_GND、集电极输出连接电阻R53到O1单元，O1单元连接电阻R14到VCC+5V、输出连接过压报警信号HV_S，运放U8B连接电阻R55、电容C12到P_GND、电阻R90到VCC+15V，运放U8B的输出连接电阻R75到VCC+15V、电阻R72到三极管Q6基电极，三极管Q6共射级到P_GND、集电极输出连接电阻R54到O2单元，O2单元连接电阻R16到VCC+5V、输出连接欠压报警信号LV_S。
图3中，母线电压IPMP通过电阻R81、R82及R83的分压得到电压实际检测电压Ud，Ud接LM339的5脚。高压报警的基准电压通过+15V电压由电阻R32和R74分压得到，高压基准电压接LM339的4脚。当检测电压Ud高于高压基准电压时，比较器翻转，LM339的2脚输出高压使Q5导通，O1中通过电流，使HV_S过压报警信号置高，输出报警信号。低压检测Ud接LM339的6脚。低压基准电压+15V电压由电阻R90和R55分压得到，低压检测接LM339的7脚。当检测电压Ud低于低压基准电压时，LM39的1角输出高压，使Q6导通。O2通有电流使LV_S欠压报警信号置高，输出报警信号。
权利要求
1.一种船舶翼鳍、翼舵综合协调控制装置，它包括智能信息处理单元U1，其特征在于它还包括连接主鳍U3的伺服机构U2、连接翼鳍U5的伺服机构U4、连接主舵U7的伺服机构U6、连接翼舵U9的伺服机构U8、设置在船体上并连接智能信息处理单元U1的横摇信息检测传感器U11、航向信息检测传感器U10、连接智能信息处理单元U1与主鳍U3、翼鳍U5、主舵U7、翼舵U9的信息采集单元U12和连接信息采集单元U12的信息显示单元U13，智能信息处理单元U1分别连接伺服机构U2、U4、U6和U8。
2.根据权利要求1所述的一种船舶翼鳍、翼舵综合协调控制装置，其特征在于所述的伺服机构U2包括连接智能信息处理单元U1的控制器、连接控制器的D/A转换器、连接D/A转换器的主鳍伺服机构、连接主鳍伺服机构的传感器和连接传感器的A/D转换器，A/D转换器连接控制器，主鳍伺服机构连接主鳍U3。
3.根据权利要求1所述的一种船舶翼鳍、翼舵综合协调控制装置，其特征在于所述的伺服机构U4包括连接智能信息处理单元U1的控制器、连接控制器的D/A转换器、连接D/A转换器的翼鳍伺服机构、连接翼鳍伺服机构的传感器和连接传感器的A/D转换器，A/D转换器连接控制器，翼鳍伺服机构连接翼鳍U5。
4.根据权利要求1所述的一种船舶翼鳍、翼舵综合协调控制装置，其特征在于所述的伺服机构U6包括连接智能信息处理单元U1的控制器、连接控制器的D/A转换器、连接D/A转换器的舵伺服机构、连接舵伺服机构的传感器和连接传感器的A/D转换器，A/D转换器连接控制器，舵伺服机构连接主舵U7。
5.根据权利要求1所述的一种船舶翼鳍、翼舵综合协调控制装置，其特征在于所述的伺服机构U8包括连接智能信息处理单元U1的控制器、连接控制器的D/A转换器、连接D/A转换器的翼舵伺服机构、连接翼舵伺服机构的传感器和连接传感器的A/D转换器，A/D转换器连接控制器，翼舵伺服机构连接翼舵U9。
6.根据权利要求1所述的一种船舶翼鳍、翼舵综合协调控制装置，其特征在于所述的智能信息处理单元包括综合协调控制器、连接综合协调控制器的智能分配器和航速、浪级自动增益调整单元，信息采集单元U12电信号连接航速、浪级自动增益调整单元，横摇信息检测传感器U11、艏摇信息检测传感器U10和航速、浪级自动增益调整单元电信号连接综合协调控制器，综合协调控制器电信号连接智能分配器，智能分配器电信号连接伺服机构U2、U4、U6和U8。
全文摘要
本发明提供了一种可有效地减小舰船横摇和艏摇(航向)运动、提高船舶的适航性的船舶翼鳍/翼舵综合协调控制装置。它包括智能信息处理单元U1、连接主鳍U3的伺服机构U2、连接翼鳍U5的伺服机构U4、连接主舵U7的伺服机构U6、连接翼舵U9的伺服机构U8、设置在船体上并连接智能信息处理单元U1的横摇信息检测传感器U11、航向信息检测传感器U10、连接智能信息处理单元U1与主鳍U3、翼鳍U5、主舵U7、翼舵U9的信息采集单元U12和连接信息采集单元U12的信息显示单元U13，智能信息处理单元U1分别连接伺服机构U2、U4、U6和U8。
文档编号G05D1/08GK101024421SQ20071007166
公开日2007年8月29日 申请日期2007年1月19日 优先权日2007年1月19日
发明者刘胜, 李冰, 张丽珂, 方亮, 郑秀丽 申请人:哈尔滨工程大学