肖作明

(大連遼南船廠，遼寧 大連 116041)

隨著我國航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)信息、網(wǎng)絡(luò)、集成電路技術(shù)上的突破，船舶控制系統(tǒng)也日趨智能化。原有技術(shù)采用的PLC(Programmable Logic Controller)等通用控制器在結(jié)構(gòu)簡化、實(shí)時(shí)性、安全性等方面已不能滿足日益發(fā)展的自動(dòng)控制智能系統(tǒng)的技術(shù)要求。數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)是一種高速專用微處理器，其精度高、可靠性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以為機(jī)艙自動(dòng)化控制輔助系統(tǒng)提供高效可靠的平臺。為了確保船舶的安全與快速通信，高智能化的船舶需要傳輸快、傳送量大的通訊方式及實(shí)時(shí)監(jiān)測的嵌入式系統(tǒng)。基于現(xiàn)場總線的控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network,CAN)技術(shù)在實(shí)時(shí)監(jiān)測具備較強(qiáng)的優(yōu)勢[1-3]。

本文應(yīng)用的系統(tǒng)主要由兩部分組成：基于DSP/F28335設(shè)計(jì)的下位機(jī)控制系統(tǒng)和上位機(jī)控制系統(tǒng)。其中，在下位機(jī)系統(tǒng)的DSP控制器中，使用變論域模糊PID控制優(yōu)化控制效果，并將DSP與CAN總線相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通訊和控制，使船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性及實(shí)時(shí)性能夠得到較大地提高。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及算法

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本文針對船舶用自動(dòng)控制智能輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架——基于以太網(wǎng)-CAN總線的控制網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。在此，將主柴油機(jī)子系統(tǒng)作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的被控對象，同時(shí)提供接口以便其他控制系統(tǒng)使用。柴油機(jī)子系統(tǒng)與船舶其他子系統(tǒng)的輸入量有DSP/F28335控制器的PWM控制量信號和上位機(jī)操作界面設(shè)置的控制量，分別由DSP控制器的CAN接口和AnyCAN節(jié)點(diǎn)的DO接口送入。輸出量有柴油機(jī)子系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)的過程參數(shù)與給上位機(jī)反饋設(shè)備的控制量，分別通過AnyCAN節(jié)點(diǎn)的DI接口和DSP控制器的CAN接口傳送到CAN總線。CAN總線再通過CANET網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)酱凹叵到y(tǒng)，集控室工作人員可以在上位機(jī)操作界面對傳送回來的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[4-6]。上位機(jī)對柴油機(jī)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制通過DSP控制器實(shí)現(xiàn)，設(shè)定的轉(zhuǎn)速也通過上位機(jī)操作界面完成。DSP根據(jù)控制算法計(jì)算出控制量并輸出，來驅(qū)動(dòng)PWM作動(dòng)器及電機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制。整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)以CANNET為主站，AnyCAN和DSP為從站。

1.2 算法實(shí)現(xiàn)

柴油機(jī)子系統(tǒng)的正常工作主要是通過壓氣機(jī)、中冷器和掃氣箱控制子系統(tǒng)的進(jìn)氣量，等到氣缸內(nèi)的燃油燃燒做功而發(fā)出扭矩。柴油機(jī)的排氣管中具有能量趨勢的渦輪做功，帶動(dòng)壓氣機(jī)工作。本文基于柴油機(jī)子系統(tǒng)的原理，設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn)平臺，柴油機(jī)子系統(tǒng)的各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的簡化處理，去掉了繁瑣復(fù)雜的計(jì)算，只考慮輸入輸出的效果和過程的狀態(tài)變量。

表1 柴油機(jī)子系統(tǒng)特性和環(huán)境參數(shù)

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

圖4是在設(shè)定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為60 rad·min-1的前提下，分別采用常規(guī)PID、變論域PID跟蹤階躍轉(zhuǎn)速信號得到的轉(zhuǎn)速控制仿真曲線。圖5為供油量變化曲線，圖6和圖7為變論域PID輸入輸出論域伸縮因子變化曲線。在3 s左右，變論域PID控制下的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速到穩(wěn)定值，而常規(guī)PID控制下的轉(zhuǎn)速直到4 s后在穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，在6 s時(shí)輸入供油端加入幅值為0.025 kg，脈寬為0.2 s的脈沖信號作為外部干擾。

通過仿真分析可以看出，相比常規(guī)PID控制器的控制效果，對于同一個(gè)被控對象而言，變論域模糊PID控制的控制性能明顯更優(yōu)。通過對輸入變量加入基于函數(shù)模型的伸縮因子的方式，得到響應(yīng)速度更快、超調(diào)更小、魯棒性也更強(qiáng)的控制效果。新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)尤其在自適應(yīng)力和抗干擾方面有著明顯的優(yōu)越性。

3 結(jié)束語

本文在了解當(dāng)前船舶機(jī)艙自動(dòng)化智能輔助系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀后，以實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸量大的CAN總線技術(shù)為通訊手段，開發(fā)了基于DSP/F28335控制芯片的船舶用自動(dòng)化智能輔助系統(tǒng)。并在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)混合仿真平臺上進(jìn)行相關(guān)的干擾實(shí)驗(yàn)，對比了基于傳統(tǒng)PID控制器系統(tǒng)的控制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用變論域模糊PID控制算法的DSP 控制器，大幅提高了船舶用自動(dòng)智能控制輔助系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、抗干擾性和自適應(yīng)性。