陳 瀟（中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海，200031）

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基于DSP6713的船舶航向控制器設(shè)計實(shí)現(xiàn)

陳 瀟
（中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海，200031）

摘要：船舶航向控制器作為船舶自動化的組成部分之一，為了使航行船舶能在受擾情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、快捷的航向控制，系統(tǒng)在硬件設(shè)計上采用TMS320C6713數(shù)字信號處理器（DSP）配合以TL16C752B、MAX3160為核心的數(shù)據(jù)通信模塊，在算法設(shè)計上系統(tǒng)采用變論域模糊控制通過實(shí)時控制舵角輸出實(shí)現(xiàn)船舶航向的精確控制。測試結(jié)果表明， 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)船舶航向的智能控制，其控制精度指標(biāo)符合船舶航向控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：船舶航向控制； TMS320C6713；變論域模糊控制

隨著造船技術(shù)的日漸成熟，新建船舶正向著高速化、巨型化方向發(fā)展，其控制難度逐漸增大。船舶航向控制技術(shù)作為船舶自動控制領(lǐng)域的重要組成部分，其研究與應(yīng)用在近幾十年來取得了長足進(jìn)步。目前以專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制算法為核心的第四代自動舵系統(tǒng)，因其控制精度高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，正被廣泛應(yīng)用在船舶航向控制系統(tǒng)之中。然而傳統(tǒng)的航向控制器因其運(yùn)算速度慢、數(shù)據(jù)傳輸方式單一等缺點(diǎn)，使得控制算法的應(yīng)用受到了一定限制，為此，本文通過采用以TI公司生產(chǎn)的高速浮點(diǎn)型數(shù)字信號處理器TMS320C6713為核心的航向控制器，配合以TL16C752B、MAX3160為核心的數(shù)據(jù)通信模塊實(shí)現(xiàn)支持多通信協(xié)議的航向控制器設(shè)計。該航向控制器采用變論域模糊控制實(shí)現(xiàn)船舶航向智能控制，與傳統(tǒng)航向控制器相比，該系統(tǒng)具有運(yùn)算速度快、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 船舶航向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前比較常見的船舶航向控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、航向控制器、舵伺服系統(tǒng)等部分組成。其中上位機(jī)作為數(shù)據(jù)參數(shù)的發(fā)送端，主要實(shí)現(xiàn)航向控制值的設(shè)定及當(dāng)前船舶所受擾動量的輸入；航向控制器則在結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上經(jīng)過智能算法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)控制舵角值的輸出；最后由舵伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)舵機(jī)控制及當(dāng)前舵角反饋，以此實(shí)現(xiàn)船舶航向智能控制。

2 船舶航向控制器系統(tǒng)概述

航向控制器作為船舶航向控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心，通過實(shí)時采集上位機(jī)發(fā)送的航向指令及海浪干擾值并將其與當(dāng)前航向值進(jìn)行智能控制算法運(yùn)算，將運(yùn)算所得的控制舵角值發(fā)送至舵伺服系統(tǒng)，同時通過采集當(dāng)前舵角值并通過船舶數(shù)學(xué)模型運(yùn)算獲取當(dāng)前航向值以實(shí)現(xiàn)船舶航向閉環(huán)控制。其工作原理圖如圖1所示。

3 航向控制器設(shè)計實(shí)現(xiàn)

圖1 船舶航向控制器框圖

由于該航向控制器采用高頻工作設(shè)計，故在電路設(shè)計上應(yīng)遵守相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范和準(zhǔn)則。其硬件電路主要由數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊及電源模塊三部分組成。

3.1 數(shù)據(jù)處理模塊

該船舶航向控制器數(shù)據(jù)處理模塊采用以TMS320C6713作為核心處理器，由于其內(nèi)部集成化較高，在電路設(shè)計上可進(jìn)行很大程度的簡化。因此在該DSP芯片的基礎(chǔ)上僅需配置復(fù)位電路、時鐘模塊、外部存儲器及JTAG接口即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計。為實(shí)現(xiàn)信號緩沖驅(qū)動、電路過壓保護(hù)，系統(tǒng)采用74CBTD4總線開關(guān)實(shí)現(xiàn)JATG口的順暢通信。同時為實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的存儲，系統(tǒng)采用SST39VF1601 FLASH芯片作為外存儲芯片，其使能端與TMS320C6713的CE1端連接，以實(shí)現(xiàn)該存儲器的引導(dǎo)與裝載。在復(fù)位芯片的選擇上系統(tǒng)采用MAX706實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位功能。

3.2 數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計

由于船舶航向控制器在工作過程中須與上位機(jī)及舵伺服系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，故在數(shù)據(jù)通信模塊的設(shè)計上須設(shè)置兩個數(shù)據(jù)傳輸通道。同時為了增強(qiáng)航向控制器的適用性，其通信協(xié)議滿足當(dāng)前常見舵伺服系統(tǒng)的配置?；谏鲜鲈蛟摂?shù)據(jù)通信模塊采用支持雙串口通信的TL16C752B異步串行通信協(xié)議芯片和能滿足RS232/RS485雙串口通信的MAX3160多協(xié)議收發(fā)器相配合設(shè)計以實(shí)現(xiàn)設(shè)計要求。

為滿足雙串口通信的應(yīng)用要求在系統(tǒng)設(shè)計上還須將不同通道數(shù)據(jù)映射于相應(yīng)的地址以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在通信過程中的中轉(zhuǎn)存儲。故系統(tǒng)采用CE3與ADDRESS19及ADDRESS20經(jīng)SN74F32或門芯片實(shí)現(xiàn)不同通道芯片的使能選擇及存儲地址的確定。同時系統(tǒng)通過改變MAX3160第8管腳的電位以實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的選擇。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

可通過將該航向控制器搭載于航向控制系統(tǒng)之中并對其軟件參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的航向控制。在測試過程中假設(shè)舵伺服系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)舵角值的準(zhǔn)確控制，即假設(shè)舵伺服系統(tǒng)反饋舵角值與其控制值相等，以此簡化測試流程。

圖2所示分別為無控制狀態(tài)（曲線A）、傳統(tǒng)模糊控制算法（曲線B）及變論域模糊算法（曲線C）狀態(tài)下經(jīng)該航向控制器運(yùn)算得出的零度維穩(wěn)航向變化曲線。如圖可知，較傳統(tǒng)的模糊算法相比變論域模糊算法能較好的實(shí)現(xiàn)干擾狀態(tài)下船舶航向的穩(wěn)定控制。

圖2 不同控制算法下船舶零度維穩(wěn)曲線

由于該航向控制器需實(shí)際應(yīng)用于船舶航向控制系統(tǒng)，故其在程序設(shè)計上還應(yīng)考慮舵伺服系統(tǒng)的客觀性能指標(biāo)，故在程序設(shè)計上，應(yīng)時刻保證輸出舵角在之間，且舵角變化率小于等于。為此在程序設(shè)計過程中，仍須添加限幅子程序，以最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于船舶航向控制的智能算法設(shè)計。

5 結(jié)束語

本文闡述了以DSP TMS320C6713為核心的船舶航向變論域模糊控制器的原理、功能以及測試結(jié)果， 總的來說此船舶航向控制器性能具有以下特點(diǎn): ①其硬件結(jié)構(gòu)可以基本實(shí)現(xiàn)船舶航向控制期的應(yīng)用要求；②所采用的變論域模糊算法可實(shí)現(xiàn)船舶航向的智能控制；③經(jīng)過仿真測試，該船舶航向控制器能實(shí)現(xiàn)船舶航向的智能控制，其控制效果與仿真結(jié)果較為吻合。

參考文獻(xiàn)

［1］王立軍，王思思，畢修穎，變論域自適應(yīng)模糊PID混合控制自動舵設(shè)計［J］. 交通信息與安全，2010.6

［2］黃鵬，基于DSP的船舶機(jī)艙自動化系統(tǒng)控制器研究［D］.重慶：重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

The Design and Implementation of Ship Course Controller Based on DSP6713

Chen Xiao
（No. 704 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation（CSIC），Shanghai，200031）

Abstract：The ship heading controller was one part of ship automation.In order to control the sailing ship stably，the system used TMS320C6713 digital signal processor（DSP）and data communication module which was made by TL16C752B and MAX3160.The system used RS232/RS485 data transmission to achieve the data transmission，and output the rudder angle value which was computed by variable universe control.The test results indicated，this system could realize the intelligent control of heading，and the precision of this system met with the demand of navigation requirements.

Keywords：heading control；TMS320C6713；variable universe fuzzy control