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船舶自动舵系统半实物仿真平台研究

作　者: 李建立
导　师: 石为人
学　校: 重庆大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 船用机舱自动化自动舵模糊滑模控制 CAN总线半实物仿真
分类号: U664.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目前,国内对船舶自动舵系统半实物仿真平台的研究不是十分广泛。半实物仿真是介于实物仿真与纯数学仿真之间的一种平台,它具有实时性好、运行速度快等特点,与此同时,半实物仿真又可以接近甚至达到实物仿真的效果。因此,搭建船舶自动舵系统的半实物仿真平台对于工程应用具有非常重要的意义。船舶自动舵系统主要包括舵机的控制、系统的通信、以及上位机监控三大核心部分。本文从这三方面对自动舵系统进行了研究,具体研究内容如下:①国内对于舵机控制大多还停留在PID控制阶段,但由于舵机系统是一个非线性系统,PID控制很难达到很好的控制效果。本文引入了模糊变结构控制方法,设计了基于指数趋近律的模糊滑模控制器,它具有鲁棒性强、结构简单、易于实现的特点。在MATLAB/Simulink中对滑模变结构控制、模糊滑模控制这两种控制算法进行了仿真研究和对比分析。仿真结果表明,基于指数趋近律的模糊滑模控制在有较强鲁棒性的同时有效地消除了抖动现象,对于船舶舵机有较好的控制效果。②船舶工作环境相对恶劣,同时对设备性能及可靠性的要求也比较高。根据这个特性以及船舶机舱自动化的发展趋势,本文设计了工业以太网与CAN总线相结合通信平台。CAN总线面向控制,能在恶劣环境下工作,能耐很强的电磁干扰,是国际船用标准。仿真结果表明,此通信平台数据传输有较好的实时性和可靠性。③只有解决了上位机监控软件与通信平台的数据实时传输问题,才能够实现上位机对舵机的实时监控功能。因此,平台用到了OPC server,ifix组态软件,ifix组态软件具有配置方便、实时性好等特点。仿真结果表明,ifix组态软件实现了上位机对自动舵的实时监控功能。最后,利用工控机、数据采集卡、模拟输出卡、DSP控制器等硬件搭建了船舶自动舵系统半实物仿真平台。在半实物仿真平台上实现了自动舵系统的整体运行及实时监控。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-12
  1.1 论文研究背景及意义  8-9
  1.2 船舶自动舵系统发展概述  9-10
  1.3 国内外自动舵的研究概况  10
  1.4 自动舵的发展趋势  10-11
  1.5 论文主要研究内容  11
  1.6 本章小结  11-12
2 自动舵控制的理论基础  12-21
  2.1 滑模变结构控制的基本理论  12-17
    2.1.1 基本思想  12-14
    2.1.2 滑模变结构控制的定义及特性  14
    2.1.3 滑模变结构控制系统的抖振及其削弱问题  14-17
    2.1.4 滑模控制器的设计  17
  2.2 模糊控制的基本理论  17-20
    2.2.1 模糊控制的基本思想  17-18
    2.2.2 模糊控制器  18-20
  2.3 本章小结  20-21
3 自动舵的模糊滑模控制  21-34
  3.1 引言  21
  3.2 船舶航向控制系统结构及数学模型  21-22
  3.3 反馈线性化  22-24
  3.4 模糊趋近律滑模控制器  24-26
    3.4.1 滑模控制器设计  24
    3.4.2 模糊控制器设计  24-26
  3.5 仿真研究  26-33
    3.5.1 航向控制跟踪性能研究  27-31
    3.5.2 航向控制鲁棒性研究  31-33
  3.6 本章小结  33-34
4 机舱自动化通信平台的设计  34-49
  4.1 机舱自动化网络模型设计思想  34-36
  4.2 网络选定的原因及其CAN 总线特点  36-37
    4.2.1 网络选定的原因  36
    4.2.2 CAN 现场总线及其特点  36-37
  4.3 通信系统的硬件设计  37-43
    4.3.1 CANET-100 以太网-CAN 转换器  38-39
    4.3.2 ARM7 微处理器LPC2294  39-40
    4.3.3 AnyCAN5000 系列嵌入式节点  40-42
    4.3.4 分布式I/O 模块iCAN-4210  42-43
  4.4 通信系统的软件结构  43-47
    4.4.1 主程序  43-44
    4.4.2 数据采集模块  44
    4.4.3 CAN 通信设计  44-47
  4.5 本章小结  47-49
5 上位机实现及系统半实物仿真  49-62
  5.1 船舱自动化系统上位机软件的实现  49-52
  5.2 半实物仿真  52-58
    5.2.1 MATLAB/RTW 分析及安装  53
    5.2.2 Real-Time Windows Target 目标环境  53-54
    5.2.3 实时性分析  54-55
    5.2.4 船舱自动化系统的半实物仿真平台  55-58
  5.3 系统实际运行  58-61
  5.4 本章小结  61-62
6 全文总结  62-63
致谢  63-64
参考文献  64-67
附录  67
  A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  67
  B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录  67

船舶自动舵系统半实物仿真平台研究

内容摘要

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