摘 要

联合操纵控制系统基于陀螺罗经信息和船舶气象仪信息，自动控制船舶艏向，同时允许操作员通过操纵杆手动控制船舶按预期方向运动。此举为船舶操纵带来了极大的便利，增了船舶机动性，提高了船舶离靠泊的高效性和船舶对位时的准确性。

本文以500吨级近岸环境监测船联合操纵系统设计和试验课题为背景进行初步研究。在运用MMG船舶运动建模方法，对裸船体、主推进螺旋桨、舵、艏侧推器以及风、浪等环境干扰力建立了数学模型后，利用Simulink动力学仿真软件，通过对500吨级环境监测船进行回转试验和Z形操纵试验的计算机仿真，了解船舶操纵运动特性。在此基础上，将非线性船舶运动数学模型简化为线性控制模型，为500吨级环境监测船的联合操纵系统设计非线性无源滤波器进行高低频运动信号的分离和估计，设计LQG最优控制器进行低频运动控制。接着，基于嵌入式实时操作系统VX Works，进行系统设计、硬件前期选型和软件初步设计，并通过在workbench开发平台中通过C语言编程实现硬件间的串口通信、网口通信和基础的任务调度算法。最后，对全文研究结果进行总结，对后续的研究工作进行预期。

关键词： 联合操纵；船舶运动控制；最优控制；非线性无源滤波；VxWorks

Abstract

Polar control system based on a gyro compass and ship meteorological instrument information controls heading of vessel automatically and allows an operator to manually using a joystick to control the ship in the expected direction, which brings great convenience to ship maneuvering, enhances ship maneuverability, and improves the efficiency of berthing and the accuracy of ship positioning.

This paper firstly introduces the 500-ton Environmental monitoring ship’s fundamental state, and establishes mathematical models of the hull, the propellers, the rudders, the bow thruster and environmental disturbance force such as wind and wave with the modeling approach from MMG.

And then, the rotary manipulation test and the Z-maneuvering test are conducted for the ship’s maneuvering characteristics by means of computer emulation using Simulink, a simulation software typically for dynamics system.

On this basis, the nonlinear model for ship motion mathematical model is simplified to linear one for control. And then, the paper introduces a nonlinear passive filter which separates low frequency ship motion signal from high frequency ship motion signal, and gives a estimation of ship’s high frequency motion. Besides, optimal LQG controller is designed for low-frequency motion control.

Then, based on the embedded real-time operating system VxWorks, early system design, hardware selection and software design have finished. What’s more, through the Workbench, a hardware development platform with the c language programming, serial communication, Internet communication and basic task scheduling algorithm. Finally, it is summary and outlook to the paper.

Key words: Joystick；Ship motion control；Optimal control；nonlinear passive filter；VxWorks

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 船舶运动数学模型的研究现状 2

1.2.2 船舶运动控制算法的研究现状 2

1.3 论文主要研究内容 5

第2章 船舶运动数学模型 7

2.1 船舶概况 7

2.2 船舶运动坐标系与船舶运动方程 9

2.2.1 船舶运动坐标系 9

2.2.2 船舶运动方程的建立 9

2.2.3 船舶运动参数的无量纲化 11

2.3 裸船体上的流体动力及力矩模型 11

2.3.1 惯性类流体动力及力矩模型 11

2.3.2 粘性类流体动力及力矩模型 12

2.4 主推进螺旋桨推力及转矩模型 17

2.4.1 螺旋桨的纵向力 17

2.4.2 螺旋桨的横向力和转首力矩 20

2.5 舵特性模型 20

2.5.1 作用于舵上的流体动力及力矩模型 20

2.5.2 舵机模型 24

2.6 侧推器模型 25

第3章 船舶操纵性仿真预报和评估 26

3.1 回转试验 26

3.2 Z形操纵试验 29

第4章 基于非线性无源滤波的LQG控制器设计 33

4.1 船舶运动综合数学模型 33

4.2 LQG控制理论基础 35

4.3 联合操纵系统的最优LQG设计 38

4.3.1 控制器的设计模型 38

4.3.2 控制器的LQG控制规律 38

4.4 非线性无源滤波器设计 42

4.5 推力分配 45

第5章 JC控制器初步设计 46

5.1 系统功能及组成 46

5.1.1 系统功能 46

5.1.2 工况分析 46

5.1.3 系统组成 47

5.2 硬件选型 48

5.3 软件设计 50

5.1.1 软件运行与开发环境 50

5.1.2 软件功能 50

5.1.3 软件结构 50

5.1.4 软件流程 51

5.4 基于VxWorks的系统控制初步探索 54

5.4.1 VxWorks操作系统简介 54

5.4.2 VxWorks操作系统进行控制的原理 54

5.4.3 VxWorks通信和调度算法的实现 56

第6章 总结与展望 61

6.1 全文总结 61

6.2 后期展望 61

参考文献 62

致谢 63

第1章 绪论

研究背景及意义

随着世界航运业的发展和人类探索海洋脚步的加快,船舶的数量总吨位不断攀升,港口通航密度相对提高,水域相对变浅、变窄,进出港口航道、系泊操纵异常艰难。海上交通日益密集,处于保证航行安全的考虑,人们对船舶的运动控制的要求也不断提高。另外,一些在作业时对定位精度要求较高的工程船如工作艇、铺缆船、钻探船、环境监测船、航天测量船,或卸货作业时要求航向保持不变的供给船、大型油船、滚装船等,也对船舶的操纵性能提出了更高的要求^[1]。

与此同时，随着控制学科在船舶运动领域的深入发展，船舶运动控制已经从手动发展到自动，从单个系统自动化提高到船舶综合自动化，从简单的控制装置发展成计算机化、网络化的体系结构。这时，对船舶进行操纵运动控制的操作对象不再是舵这单一的操纵装置，要依靠各种操纵装置共同发挥作用。人工操纵的难度大大加大，如何协调、充分地发挥众多操纵装置的性能，来达到预期的操纵效果变得格外重要也充满挑战。