船舶用自动控制智能辅助系统设计

肖作明

(大连辽南船厂，辽宁 大连 116041)

随着我国航运事业的发展和计算机信息、网络、集成电路技术上的突破，船舶控制系统也日趋智能化。原有技术采用的PLC(Programmable Logic Controller)等通用控制器在结构简化、实时性、安全性等方面已不能满足日益发展的自动控制智能系统的技术要求。数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)是一种高速专用微处理器，其精度高、可靠性好、实时性强，可以为机舱自动化控制辅助系统提供高效可靠的平台。为了确保船舶的安全与快速通信，高智能化的船舶需要传输快、传送量大的通讯方式及实时监测的嵌入式系统。基于现场总线的控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)技术在实时监测具备较强的优势[1-3]。

本文应用的系统主要由两部分组成：基于DSP/F28335设计的下位机控制系统和上位机控制系统。其中，在下位机系统的DSP控制器中，使用变论域模糊PID控制优化控制效果，并将DSP与CAN总线相结合，实现控制系统的实时通讯和控制，使船舶机舱自动化系统的可靠性及实时性能够得到较大地提高。

1 系统总体结构及算法

1.1 总体结构

本文针对船舶用自动控制智能辅助系统设计了一种网络构架——基于以太网-CAN总线的控制网络，如图1所示。在此，将主柴油机子系统作为系统结构的被控对象，同时提供接口以便其他控制系统使用。柴油机子系统与船舶其他子系统的输入量有DSP/F28335控制器的PWM控制量信号和上位机操作界面设置的控制量，分别由DSP控制器的CAN接口和AnyCAN节点的DO接口送入。输出量有柴油机子系统和其他子系统的过程参数与给上位机反馈设备的控制量，分别通过AnyCAN节点的DI接口和DSP控制器的CAN接口传送到CAN总线。CAN总线再通过CANET网关传输到船舶集控系统，集控室工作人员可以在上位机操作界面对传送回来的参数进行实时监测[4-6]。上位机对柴油机子系统的转速控制通过DSP控制器实现，设定的转速也通过上位机操作界面完成。DSP根据控制算法计算出控制量并输出，来驱动PWM作动器及电机，最终实现柴油机转速控制。整个CAN网络以CANNET为主站，AnyCAN和DSP为从站。

1.2 算法实现

柴油机子系统的正常工作主要是通过压气机、中冷器和扫气箱控制子系统的进气量，等到气缸内的燃油燃烧做功而发出扭矩。柴油机的排气管中具有能量趋势的涡轮做功，带动压气机工作。本文基于柴油机子系统的原理，设计了仿真实验平台，柴油机子系统的各个系统进行了数学模型的简化处理，去掉了繁琐复杂的计算，只考虑输入输出的效果和过程的状态变量。

表1 柴油机子系统特性和环境参数

2 系统实现结果

图4是在设定柴油机转速为60 rad·min-1的前提下，分别采用常规PID、变论域PID跟踪阶跃转速信号得到的转速控制仿真曲线。图5为供油量变化曲线，图6和图7为变论域PID输入输出论域伸缩因子变化曲线。在3 s左右，变论域PID控制下的柴油机转速到稳定值，而常规PID控制下的转速直到4 s后在稳定。转速稳定后，在6 s时输入供油端加入幅值为0.025 kg，脉宽为0.2 s的脉冲信号作为外部干扰。

通过仿真分析可以看出，相比常规PID控制器的控制效果，对于同一个被控对象而言，变论域模糊PID控制的控制性能明显更优。通过对输入变量加入基于函数模型的伸缩因子的方式，得到响应速度更快、超调更小、鲁棒性也更强的控制效果。新设计的系统尤其在自适应力和抗干扰方面有着明显的优越性。

3 结束语

本文在了解当前船舶机舱自动化智能辅助系统的研究现状后，以实时性强、传输量大的CAN总线技术为通讯手段，开发了基于DSP/F28335控制芯片的船舶用自动化智能辅助系统。并在系统的实时混合仿真平台上进行相关的干扰实验，对比了基于传统PID控制器系统的控制效果。实验结果表明，使用变论域模糊PID控制算法的DSP 控制器，大幅提高了船舶用自动智能控制辅助系统的实时性、抗干扰性和自适应性。