动力定位独立操纵杆终端功能半实物仿真研究

论文摘要

独立手操杆系统在动力定位系统中占据着很重要的地位，它是计算机控制系统的辅助装置，同时可以辅助主控系统在不同的地方操控船舶。手操盒因为具有体积较小、移动方便、操控简单等优势，在船舶控制系统研用中正逐步受到重视。本文主要根据操作终端系统性能的需要，设计操作终端控制单元的电路结构，并完成硬件和软件的接口驱动；在Matlab平台上，建立基于船舶的三自由度模型，进行仿真实验，验证设计的操作终端性能。主要工作如下：首先以AVR单片机为中心，设计了操作终端信息采样电路、CAN总线网络电路、系统通讯电路、操控按键扫描电路、艏向轮信息采集电路、船舶航行信息显示电路和航行信息存储器扩展电路，在此基础上，完成系统的相应接口的程序设计，最后为多个手操盒和主机建立一个网络，完成各个手操盒之间、多个手操盒和主机之间的信息传递。其次，搭建仿真研究环境，为了验证设计的操作终端系统的性能，建立船舶的三自由度仿真模型，在外界环境干扰方面，选择风、浪、流作为干扰模型，并建立相应的数学模型。第三，研究模糊PID算法，制定控制器的规则，并把操作终端系统的输出按照制定的规则进行模糊化处理和模糊推理，然后对模糊推理产生的结果进行反模糊化处理；再依据PID控制器原理，设置模糊控制器。最后，完成操作终端系统半实物仿真研究平台。通过PC机和手操盒实物，在PC机上运行三自由度数学模型，把操作终端系统的输出作为仿真模型的输入，再把仿真平台的输出和手操盒输入进行对比，然后对PID参数进行调整，得出最好的PID参数。仿真结果证明，本文设计的操作终端控制系统性能十分稳定，超调量也比较小，并且系统反应时间快，符合系统设计的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 动力定位手操盒的发展
• 1.3 控制方法
• 1.4 基于独立手操杆系统的控制器
• 1.5 本文的主要内容
• 第2章 独立操纵杆操作终端的功能与实现
• 2.1 系统概述
• 2.2 处理器的选择
• 2.2.1 操纵杆信息采样电路
• 2.2.2 操纵杆 CAN 总线网络电路
• 2.2.3 手操盒系统通讯电路
• 2.2.4 JTAG 调试电路
• 2.2.5 操控按键扫描电路
• 2.2.6 艏向轮信息采集电路
• 2.2.7 船舶航行信息显示电路
• 2.2.8 航行信息存储器扩展电路
• 2.3 印刷电路板的设计
• 2.3.1 地线设计
• 2.3.2 电源线布置
• 2.3.3 去藕电容配置
• 2.3.4 器件配置
• 2.3.5 其它原则
• 2.4 本章小结
• 第3章 手操盒驱动程序设计
• 3.1 系统开发工具
• 3.2 手操盒通信电路驱动
• 3.2.1 USART 寄存器
• 3.2.2 USART 初始化
• 3.2.3 USART 数据传输
• 3.2.4 数据接收
• 3.3 操控按键扫描电路驱动
• 3.3.1 串行接口
• 3.4 CAN 总线组网驱动程序
• 3.4.1 内置 CAN 控制器概述
• 3.4.2 初始化部分
• 3.4.3 发送部分
• 3.4.4 消息的接收部分
• 3.5 航行信息存储电路驱动
• 3.6 定时器
• 3.7 手操杆信息采集电路驱动
• 3.8 艏向轮信息采集电路驱动
• 3.9. 船舶航行信息显示驱动
• 3.10. 本章小结
• 第4章 动力定位系统中船舶模型的建立
• 4.1 船舶的运动模型
• 4.1.1 运动坐标系
• 4.1.2 两坐标系之间的转换关系
• 4.2 船舶模型的建立
• 4.2.1 风参考模型
• 4.2.2 海浪参考模型
• 4.2.3 海流模型
• 4.3 船舶模型的验证
• 4.4 本章小结
• 第5章 模糊 PID 控制与仿真试验
• 5.1. 模糊理论
• 5.1.1 模糊子集的表示方法
• 5.1.2 常用的隶属函数
• 5.1.3 模糊关系
• 5.1.4 模糊推理和模糊规则
• 5.1.4.1 模糊假言推理
• 5.1.4.2 模糊条件推理
• 5.1.4.3 多输入模糊推理
• 5.1.4.4 多规则模糊推理
• 5.1.5 常见模糊控制器
• 5.2 模糊控制系统的组成
• 5.3 模糊控制器的组成部分
• 5.4 模糊控制器的设计
• 5.5 基于模糊 PID 控制
• 5.6 手操盒的半实物仿真试验
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢