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                        救助穩定平臺控制系統開發(PI控制)

                        添加時間:2018/11/16 來源:大連海事大學 作者:張東升
                        本文主要內容是基于海上應急救助設備的穩定平臺控制器設計,旨在實現穩定平臺的自動控制,從而保證緊急救助系統拋繩器拋射精度,提高撇纜救助成功率。穩定平臺在自動控制過程中,補償外界擾動的精度很大程度上取決于控制系統。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          穩定平臺是利用傳感器采集載體的運動姿態信息并控制調平使穩定對象相對特定空間坐標保持某一方位穩定的裝置,是現代工程應用的重要設各,廣泛地應用于航空,武器火控系統和雷達平臺等。針對海上救援中拋繩器救援成功率低下的問題,提出將穩定平臺應用于救助船緊急救助拋繩系統,W保證拋繩器的拋射精度,進而保證救援成功率。穩定平臺能否有效抵消船體對拋繩器的擾動影響取決于控制系統的性能,因此本文主要開展包括軟件系統和硬件《統的控制系統設計,為研發完菩的救助系統奠定良好的基礎。

                          文中介紹了穩定平臺系統的結構姐成,主要包括平臺的0型串聯機械結構特點、INS/GPS姐合姿態測量系統和對平臺穩定控制精度產生影響的因素。開發穩定平臺軟件控制系統,系統采集船體的運動姿態信息,對采集的數據包進行解碼并換算為實際角度,將實際角度與電機轉速建立應用模型,通過設計PI調節器實現對調平電機的控制,最后使用編程軟件和仿真軟件聯合對程序進行在線實時仿真調試,W得到良好的控制程序。然后,基于主控忍片ATmegal6設計穩定平臺硬件控制系統,包括前向通道接曰電路、后向通道接曰電路、人機交互通道接口認及數據通信接口電路,并使用Protel繪制電路板布線圖,經過曝光、顯影、蝕刻、鉆孔、焊接等處理制作PCB電路板。最后,使用六自由度船舶模擬器為二自由度穩定平臺提供橫搖及縱搖的運動姿態,測試平臺的穩定性能。實驗表明,當船體運動姿態的化動達到7咐,穩定平臺能保持在2.6°范圍內,穩定性能受到機械結構誤差、控制算法的限制。

                          關鍵詞:穩定平臺;單片機;PI控制;軟件系統;硬件系統

                        ABSTRACT

                          Stable platform is a kind of device which is used to keep an object stabilhy relative to a specific space coordinate. It can adjust the balance by collecting the motion information about vector and controlling the mol;or. It is important for modem engineering equipment,widely used in aviation, fire control systhms of weapons and radar platfbrms Aiming at the problem of low success rate of throwing rope isescue in marine rescue, this paper prstents the application of stable platfbrm th the emergency rescue rope-thrower system 0n rescue ship, to ensure the accuracy of projectile and 1;he success rate of rescue. Stable platform can effectively offset the movement of the hull depends 0n the performsnce of the COntrol system when the line-thrower laimch. Therefbise,this paper design control system, including software and hardware sysbms, which lay a good foundation for the development of a sound rescue systhm.

                          In the paper, the mechanical strucUire of s1:able platform is introduced. It includes the charaUeristics of 1;he mechanical structure of the 0-series platfbrm,INS/GPS Measurement System and the factors affecting the accuracy of stable platform. The software control syst;ems of stable platform is developed. The system collects the information of the huirs movement. Then, the data packets are decoded and COnverted into the actual angle. The mathematical model between the actual angle and the motor speed is established, which is used to design the PI regulator to control the mothr. Finally, the program is debugged and worked with online realtime simulation combine programming software and simulation software. The hardware control syskm of the stabilized platform is designed based on ATmegal6. It ineludes a forward channel interface circuit, a backward channel in1;erface circuit,a humaivcompiiter interaction channel interface and a data communications interface circuits. And the PCB circuit board is made, after drawing circuit board wiring diagram by Protel,exposure,development, etching,drilling, welding. Finally,tee six DOF Ship Simulator is used to provide rolling and pishing motion to test two DOF stable platform.Experimental results show teat sthble platform can be maintained in the range of 2.6 degrees when tee ship reaches 7 degrees. The performance is still limited by the mechanical structure error and the control algorithm.

                          Key words: stabilized platform; SCM; PI control; software system; hardware system

                          穩定平臺是現代工程應用的重要設備,廣泛地應用于航空、武器火控系統、雷達平臺等,從最初的軍用設備逐漸發展為民用。主要是利用傳感器采集載體的運動姿態信息進行控制調平使被穩定對象在相對特定空間坐標保持某一方位或多方位的穩定。

                          全球氣候異常、頻發的強臺風、通航環境日益復雜導致水上重大突發安全事故長期在高位徘徊。近百年來,盡管現代科學技術廣泛地應用于航運業使得船舶安全保障設施不斷完善,以及通過國際公約、行業指南、強制性技術規范等強化船舶安全管理,航運安全總體水平持續不斷地提高,海難仍難以避免以。航運及其他海上生產活動越發展,船舶和其他海上設施保用量越多,航次也越多,發生海難的次數也越多。據統計,我國1949年至1984年共救助969次,均每年救助26.9次,1985年至1990年共救助365次,平均每年救助60.8次,1991年至1999年共救助969次,平均每年107.7次,海難的年發生次數隨著航運和其他海上生產活動的發展而増加。

                          并且,隨著經濟的發展,船舶趨于大型化、貨物品種增加、貨值提高、船載燃袖數量增加、有毒有害貨物品種和數量増多,一旦發生海難,往往會造成巨大的損失和嚴重的后果,尤其是對環境的損害以。這與我國航運業和其他海上生產活動的發展趨勢相吻合的。

                          海上救助是航運業和其他海上業務的延伸需要。航運是高風險行業,有航運就有海難,有海難就需要海上救助。海上遇險和海難通常是在船舶無法自救的情況下的各種危險,這種情況的進一步發展將導致船舶或其他財產的損失或對環境造成損害或人命傷亡,屬于緊急情況,只有得到盡快的救助,才能擺脫緊迫的危險,所?海上救助必須是及時的。海上救助主要的方式包括海上拖航、堵漏、拖淺、海上卸載、滅火、海上救生等以。根據海難的不同情況,各種救助方式可單獨使用或同時使用以。惡劣海況下,往往無法靠近遇險船只,在實施救援過程中拖帶救助是保證人命及財產同時獲救的最有效方法之一,約占救助作業的90%以上在我國海難救助中被廣泛應用。拖帶救助第一步就是用撇雞槍將引纜發射到遇險船上,由于救助時限的要求,能否快速有效的將帶維準確的發射到受難船只是保障拖帶救助成功和提高救助效率的關鍵,直接關系到人身和財產安全,撇纜槍的快速、精碗決定了救助的效果。傳統的引纜方式是由救助人員手動操作撇纜槍進行的,引纜成功與否很大程度上依賴于操作人員的經驗,在風平浪靜或者低等級海況下,現有撇纜槍引雞效果顯著,成功率很高,并且操作簡單,快速便捷,實為一種優良的引雞方式。但隨著環境因素的不同,海況變得更加惡劣,船舶搖晃劇烈,船舶橫搖角度甚至能夠達到,救助人員在維持本身的平衡的同時就很難保證撇綴槍的穩定,加之惡劣海況下風力較強,必然會嚴重影響拋射距離、拋射精準度等,致使引纜成功率急劇下降。而且惡劣海況下救助船后甲板上浪嚴重,救助人員的生命安全受到嚴重威脅。如何在惡劣海況下快捷有效地為遇險船只引纜成為當今救助打掠界公認的難題之一。

                          惡劣海況的最直接表現就是強風和船舶的劇烈搖晃,這也是影響惡劣海況下能否引雞成功的兩個關鍵因素tisi。要提高惡劣海況下撇纜槍引雞成功率就首先要解決這兩個主要問題。首先要檢測彈體在千擾作用下偏離初始射向的角度大小和方位或者是角速度大小和方位然后采用控制系統對射向誤差進行修正為了克服船舶劇烈搖晃帶來的不穩定性,給撇繩槍一個穩定的拋射平臺,就需要在船上安裝一個穩定平臺,用來補償船舶的劇烈搖晃,使撇纜槍即使在惡劣海況下也能像風平浪靜時穩定發射。船舶航行時具有橫搖、縱搖、館搖、垂蕩、橫蕩、縱蕩六個自由度的搖蕩運動。在大風浪等惡劣海況下,為保證拋射器的穩定環境,主要考慮船舶的橫搖、縱搖和緒搖,采用H自由度穩定平臺消除船舶姿態影響強風對撇纜槍引雞產生的影響主要是會使救援彈在飛行過程中偏離既定的彈道,使救援彈的落點差生較大的誤差,要消除強風對引纜操作帶來的不利影響,需要經過計算給撇纜槍預先設定一個發射偏角(發射方位角),補償強風造成的偏差。在實際救援中,只有經驗非常豐富的操作人員才能正確的把握發射偏角。但是影響發射偏角的主要因素有風力、風向、距離、拋射角等,如果我們通過理論計算和大量的試驗能夠找到發射偏角和風力、風向、距離、拋射角等參數之間的函數關系,通過計算機根據環境條件的變化將撇纜槍不斷地調整至最佳發射偏角,那么我們也就徹底變革了傳統的依靠人的經驗來進行撇繩槍引維的操作方式。

                          救助穩定平臺控制系統部分功能測試:

                        ICCAVR操作界面
                        ICCAVR操作界面

                        AYRstudio界面
                        AYRstudio界面

                        穂定平臺工作系統簡圖
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                        二自由度穩定平臺
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                        六自由度船舶模擬器
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                        電機轉速曲線
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                        電機轉速曲線

                        目錄

                          第一章 緒論
                            1.1 課題研究背景及意義
                            1.2 穩定平臺國內外研究現狀
                            1.3 控制技術研究現狀
                            1.4 論文的研究內容及章節安排
                          第二章 撇纜救助穩定平臺系統
                            2.1 穩定平臺結構
                            2.2 穩定平臺的性能
                            2.3 組合慣性測量系統
                            2.4 穩定精度影響因素
                            2.5 本章小結
                          第三章 硬件系統設計
                            3.1 主控芯片選型
                              3.1.1 單片機選型
                              3.1.2 ATmagel6 特性
                            3.2 單片機電路系統
                              3.2.1 最小工作系統
                              3.2.2 前向通道接口電路
                              3.2.3 后向通道接口電路
                              3.2.4 人機交互通道接口電路
                              3.2.5 數據通信接口電路
                            3.3 PCB電路板制作
                            3.4 本章小結
                          第四章 軟件系統設計
                            4.1 數據采集及處理
                              4.1.1 數據協議
                              4.1.2 數據換算
                              4.1.3 數據濾波
                            4.2 控制算法
                              4.2.1 PI控制
                              4.2.2 PI調節器
                            4.3 程序編譯及調試
                              4.3.1 軟件編寫
                              4.3.2 程序仿真
                            4.4 本章小結
                          第五章 控制器實驗測試
                            5.1 穩定平臺工作系統
                              5.1.1 執行系統
                              5.1.2 配電系統
                              5.1.3 控制系統
                            5.2 實驗平臺
                            5.3 實驗測試
                              5.3.1 測量系統漂移測試
                              5.3.2 測量系統跟隨測試
                              5.3.3 電機響應測試
                              5.3.4 平臺穩定性能測試
                            5.4 本章小結
                          第六章 總結與展望
                          參考文獻
                          致謝

                        (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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