专利名称：一种船舶主动力与操纵综合优化控制硬件在环仿真系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种船舶控制与仿真技术领域的硬件在环仿真系统，特别是一种船舶 主动力与操纵综合优化控制硬件在环仿真系统。
背景技术：
长期以来，船舶作为海上交通运输的重要工具，船舶主动力与操舵控制两个系统 是完全独立的，而实际上，船舶主动力的控制与船舶运动密切相关，根据船舶操纵原理，舵 与水的相对速度越高，舵效就越明显。船速高时，操舵的控制作用效果显著；在船舶靠离泊 时，通常船速较低，这时仍需要频繁控制主机转速，使螺旋桨产生相对于舵叶的水流，以保 证操舵效果，从而获得良好的船舶操纵特性。船舶柴油主机在额定负荷工作点时效率最高， 此时主机运行于经济、稳定可靠的工作状态。当船舶转向时，舵要偏转一个角度，船体在斜 水流中前进，船舶阻力要比直线航行时明显增加，在相同的螺旋桨转速下，船速会降低，螺 旋桨特性曲线变陡，可能产生主机排烟温度升高、燃烧不完全，机械超负荷的情况，严重时 可引起主机气缸套、气缸盖损坏。船舶主机和操舵采用完全独立的控制方式，存在明显的局限性，若能实现船舶主 动力与操纵综合优化控制，既可实现船舶节能，又可减少对于船舶主机运行的不利影响，从 而有利于取得船舶运动控制的优化效果。但是在实际船舶上验证这种综合优化控制算法面 临很多困难首先想要在实际船舶上做研究就必须办理包括海员证在内的各种烦杂手续； 其次船舶在海上正常运行时也不太可能让研究人员根据研究的内容改动各种装置的参数； 若自行租用船舶，需要大量的人力财力来支持，在现有的条件下无法实现。硬件在环仿真方法是将物理模型和数学模型联合在一起进行试验的一种方法，它 将实际系统的一部分设备和计算机相互连接，用数学仿真的方式对其中不存在或不便于实 验的部分系统进行仿真，同时保证整个系统实时运转。该仿真技术综合了物理仿真和数学 仿真两者的优点，充分利用计算机建模的简易性，减少了费用，便于对系统的模型部分进行 灵活快捷的仿真、变更。该仿真技术在机械、电子、航天航空和武器研制等领域已得到了广 泛应用，尤其是在控制系统的设计过程中，由于系统功能日益丰富，设计难度日益加大，利 用硬件在环仿真作为整个系统的开发平台则可以预先逐步检验控制系统设计的合理性和 可靠性，从而大大提高控制系统的研制质量，减小研制风险和提高设计成功率。但船舶主动 力与操纵综合优化控制硬件在环仿真系统目前尚处在研制阶段，没有成型的产品。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以实现实船操纵方式模拟 和船舶综合优化控制算法测试功能的船舶主动力与操纵综合优化控制硬件在环仿真系统。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下一种船舶主动力与操纵综合优化控 制的硬件在环仿真系统，包括虚拟船舶运动仿真系统、船舶主动力与操纵综合优化控制器、 船舶操舵与主机控制台、船舶监控仿真系统、系统调度服务器和以太网，所述的虚拟船舶运动仿真系统、船舶主动力与操纵综合优化控制器、船舶监控仿真系统、系统调度服务器分别 通过以太网实现数据的相互交换，船舶主动力与操纵综合优化控制器和船舶操舵与主机控 制台间直接通过模拟电平连接；所述的虚拟船舶运动仿真系统包括船舶运动数学模型和船舶柴油机数学模型，运 行时，通过以太网接收船舶主动力与操纵综合优化控制器输出的船舶舵角和主机给油量两 个控制量，并根据接收到的船舶舵角和主机给油量，由船舶运动数学模型和船舶柴油机数 学模型计算得到船舶船速、船舶航向、主机转速、主机功率等参数，且通过以太网输出到其 它系统；所述的船舶主动力与操纵综合优化控制器装载船舶主动力与操纵综合优化控制 算法，根据给定的船舶航向、航速车令，协调船舶操纵性、主机工作特性、船舶装载、海洋环 境扰动、航行安全、经济航行等因素，实现对船舶主动力与操纵的一体化综合优化控制；所述的船舶操舵与主机控制台包括操舵仪、主机车钟、显示仪表和指示灯；所述的船舶监控仿真系统包括视频监视系统和船舶状态参数监控系统，负责对机 舱和驾驶室监控现场的视频图像进行实时采集、实时播放及实时存储，并采用IP组播技术 向其他系统传输实时图像；所述的系统调度服务器负责对虚拟船舶运动仿真系统、船舶主动力与操纵综合优 化控制器、船舶监控仿真系统进行协调调度。本发明所述的虚拟船舶运动仿真系统的软件采用Visual C++和Vega混合编程 实现，所述的虚拟船舶运动仿真系统、船舶监控仿真系统和系统调度服务器的软件采用 Visual C++语言开发。本发明所述的系统调度服务器利用逻辑时间和逻辑时间戳机制，采用一种同步启 动调度策略对虚拟船舶运动仿真系统、船舶主动力与操纵综合优化控制器和船舶监控仿真 系统进行协调调度，实现各仿真子系统加入、仿真启动，仿真运行、仿真结束等控制。本发明所述的船舶主动力与操纵综合优化控制器装载有船舶主动力与操纵综合 优化控制算法软件，并执行以下程序A、当船舶监控仿真系统设置船舶控制方式为自动状态时，船舶主动力与操纵综合 优化控制器接收船舶监控仿真系统发送的期望航向、航速以及控制参数，利用其中装载 的综合优化控制算法得到船舶舵角和给油量，并对虚拟船舶运动仿真系统进行闭环控制；B、当船舶监控仿真系统设置船舶控制方式为随动状态时，船舶操舵与主机控制台 通过操舵仪的操纵舵轮直接输出舵角信号，通过车钟上的操纵手柄直接输出给油量信号， 并作为船舶主动力与操纵综合优化控制器的控制量输出，对虚拟船舶运动仿真系统进行开 环控制。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果1、由于本发明用户可根据需要在船舶监控仿真系统中提供的用户界面上设置不 同船舶参数如船舶长度、吃水、方形系数及海况参数如风浪强度、方向等，因而可以模拟不 同类型船舶在各种海况下的控制仿真效果。2、由于本发明用户可以在船舶监控仿真系统中提供的用户界面上设置船舶操纵 方式，分为自动和随动操纵两种状态。在自动操纵状态下，用户可通过设定期望航向和航 速，由船舶主动力与操纵综合优化控制器实现船舶的自动航行，构成闭环系统；在随动操纵状态下，可以通过船舶操舵与主机控制台上的操舵仪和车钟手柄直接改变船舶运动的航向 和航速，构成开环系统。这种开环与闭环两种控制方式符合实际船舶操纵，一般在大洋航行 时用闭环控制，在浅狭水道及靠港时用开环控制。由于可以设置不同的操纵方式，因而可以 实现实船操纵方式模拟。3、由于本发明的船舶主动力与操纵综合优化控制器装载船舶主动力与操纵综合 优化控制算法，可以根据给定的船舶航向、航速车令，协调船舶操纵性、主机工作特性、船舶 装载、海洋环境扰动、航行安全、经济航行等因素，该系统可实现船舶主动力与操纵的一体 化综合优化控制。4、由于本发明在船舶监控仿真系统中安装了摄像头和视频采集卡，能对机舱和驾 驶室的视频图像进行实时采集、实时播放及实时存储，同时对船舶运行的详细情况如航向、 航速、舵角、转艏角速率，以及主机转速、主机功率等进行实时监测，并画出航向、舵角和船 速变化的监测曲线，用户可以根据监控结果测试出船舶综合优化控制算法的性能，并通过 调整参数，使得船舶主动力与操纵综合优化控制算法达到预期效果。5、由于本发明的船舶操舵与主机控制台上有操舵仪，主机车钟，以及显示仪表，指 示灯等，用户可操纵舵轮实时控制船舶航向，操纵车钟手柄可以实时控制船舶航速。6、由于本发明船舶主动力与操纵综合优化控制硬件在环仿真系统，能让用户实现 对虚拟船舶航向和航速的自动控制，为在实验室环境进行船舶运动控制器和控制算法的研 究提供一个有效的仿真平台，对加速先进控制理论在船舶控制领域的应用具有重要意义， 也可作为船舶控制系统仿真的科研设备提供博士、硕士研究生和教师使用。
本发明仅有附图1张，其中图1是本发明一种船舶主动力与操纵综合优化控制硬件在环仿真系统的组成结 构框图。图中1、虚拟船舶运动仿真系统，2、船舶主动力与操纵综合优化控制器，3、船舶操 舵与主机控制台，4、船舶监控仿真系统，5、系统调度服务器，6、以太网。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，一种船舶主动力与操纵 综合优化控制的硬件在环仿真系统，包括虚拟船舶运动仿真系统1、船舶主动力与操纵综合 优化控制器2、船舶操舵与主机控制台3、船舶监控仿真系统4、系统调度服务器5和以太网 6，所述的虚拟船舶运动仿真系统1、船舶主动力与操纵综合优化控制器2、船舶监控仿真系 统4、系统调度服务器5分别通过以太网6实现数据的相互交换，船舶主动力与操纵综合优 化控制器2和船舶操舵与主机控制台3间直接通过模拟电平连接；所述的虚拟船舶运动仿真系统1包括船舶运动数学模型和船舶柴油机数学模型， 运行时，通过以太网6接收船舶主动力与操纵综合优化控制器2输出的船舶舵角和主机给 油量两个控制量，并根据接收到的船舶舵角和主机给油量，由船舶运动数学模型和船舶柴 油机数学模型计算得到船舶船速、船舶航向、主机转速、主机功率等参数，且通过以太网6 输出到其它系统；
所述的船舶主动力与操纵综合优化控制器2装载船舶主动力与操纵综合优化控 制算法，根据给定的船舶航向、航速车令，协调船舶操纵性、主机工作特性、船舶装载、海洋 环境扰动、航行安全、经济航行等因素，实现对船舶主动力与操纵的一体化综合优化控制；所述的船舶操舵与主机控制台3包括操舵仪、主机车钟、显示仪表和指示灯；所述的船舶监控仿真系统4包括视频监视系统和船舶状态参数监控系统，负责对 机舱和驾驶室监控现场的视频图像进行实时采集、实时播放及实时存储，并采用IP组播技 术向其他系统传输实时图像；所述的系统调度服务器5负责对虚拟船舶运动仿真系统1、船舶主动力与操纵综 合优化控制器2、船舶监控仿真系统4进行协调调度。本发明所述的虚拟船舶运动仿真系统1的软件采用Visual C++和Vega混合编程 实现，所述的虚拟船舶运动仿真系统1、船舶监控仿真系统4和系统调度服务器5的软件采 用Visual C++语言开发。所述的系统调度服务器5利用逻辑时间和逻辑时间戳机制，采 用一种同步启动调度策略对虚拟船舶运动仿真系统1、船舶主动力与操纵综合优化控制器 2和船舶监控仿真系统4进行协调调度，实现各仿真子系统加入、仿真启动，仿真运行、仿真 结束等控制。所述的船舶主动力与操纵综合优化控制器2装载有船舶主动力与操纵综合优 化控制算法软件，并执行以下程序A、当船舶监控仿真系统4设置船舶控制方式为自动状态时，船舶主动力与操纵综 合优化控制器2接收船舶监控仿真系统4发送的期望航向、航速以及控制参数，利用其中装 载的综合优化控制算法得到船舶舵角和给油量，并对虚拟船舶运动仿真系统1进行闭环控 制；B、当船舶监控仿真系统4设置船舶控制方式为随动状态时，船舶操舵与主机控制 台3通过操舵仪的操纵舵轮直接输出舵角信号，通过车钟上的操纵手柄直接输出给油量信 号，并作为船舶主动力与操纵综合优化控制器2的控制量输出，对虚拟船舶运动仿真系统1 进行开环控制。本发明以三维虚拟仿真的方式展现一艘船舶的航向和航速的实时控制仿真过程， 由操舵仪-舵-船舶航向、主机_螺旋桨_船舶航速构成了一个完整的船舶闭环控制系统。在随动操纵方式下，通过操纵船舶操舵与主机控制台3上的操舵仪舵轮可以实时 改变船舶运动虚拟现实仿真系统1中船舶运动航向；通过操纵船舶操舵与主机控制台3上 的车钟手柄设定各种正、倒车车令，并调节给油量的大小，可以实时改变船舶运动虚拟现实 仿真系统1中船舶航速，系统配有机舱实时音响仿真效果，逼真地体现了主机起动，换向， 加、减速，稳定运行时的现场感。在自动操纵方式下，船舶主动力与操纵综合优化控制器2接收船舶监控仿真系统 4发送的期望航向、航速以及控制参数，利用控制器中装载的综合优化控制算法得到船舶舵 角和给油量，对虚拟船舶运动仿真系统1进行闭环控制，实现航向与航速的自动控制。下面结合附图对本发明的工作过程和有益效果作进一步地说明1、虚拟船舶运动仿真系统1由VC++和Vega混合编程实现，该系统中仿真模拟的 船舶是超巴拿马型第五代集装箱船5446TEU系列集装箱船，该集装箱船设备先进，载重量 大，最大航速达到27节，额定航速为24. 5节。具体参数为船长280米，两柱间长267米，船 宽39. 8米，船舶空载质量3. 5453万吨，船舶满载质量6. 5531万吨，设计吃水T12. 532米，满载吃水14. 032米。该系统包含了船舶运动数学模型，船舶柴油机数学模型。系统运行时，虚拟船舶运 动仿真系统1通过以太网6接收船舶主动力与操纵综合优化控制器2输出的船舶舵角和主 机给油量两个控制量，并根据接收到的船舶舵角和主机给油量，由船舶运动数学模型和船 舶柴油机数学模型计算得到船舶船速，船舶航向，主机转速，主机功率等参数，且由以太网6 输出到其它系统。Vega是美国Multigen-Paradigm公司用于虚拟现实、实时实景仿真、声音仿真以 及其他可视化领域的世界领先级应用软件工具。它支持快速复杂的视觉仿真程序，能为用 户提供一种复杂仿真事件的便捷手段，它将易用的工具和高级仿真功能巧妙地结合起来， 使用户以简单的操作迅速地创建、编辑和运行复杂的仿真应用程序。由于Vega大幅度地减 少了源代码的编程，使软件的维护和实时性能的进一步优化变得更加容易，从而大大提高 了工作效率。Vega提供了很多功能模块，各模块带有方便的接口。其中Vega海洋仿真模块为实 现逼真的海洋仿真提供了完善的动态和静态海洋模型、区域矢量以及各种各样的海洋特殊 效果等，使用海洋仿真模块，用户可以快捷地开发出极具创造性的海洋仿真应用，所有的海 洋效果都可以通过扩展的图形界面方便地进行设置，或者实时地通过该模块的应用程序编 程接口加以控制。本系统基于VC++的SDI框架，利用Vega开发船舶运动虚拟场景。程序主框架为main (int argc, char^argv []){vglnitSysO ；/* 初始化 Vega 系统 */vglnitMarineO ；/* 初始化海洋模块 */vglnitFxO ；/* 调用特效模块 */vgDefineSys(argv[l]) ； /* 定义系统读取 ADF 文件 */vgConfigSysO ；/* 系统配置 */while (1)/* 主循环 */{ vgSyncFrame () ； /* 帧同步 */vgFrameO ；/*当前帧下进行所有内部处理工作*//*应用程序具体实现代码*/}}所设计与实现的船舶运动虚拟现实仿真场景具有以下功能海洋颜色可调，海浪 等级可调，船舶尾迹，天空可变，光线可调，多视角观察船舶运动姿态，船舶四自由度运动， 以及舵和减摇鳍的实时运动。2、船舶主动力与操纵综合优化控制器2是整个系统的核心硬件环节，装载了船舶 主动力与操纵综合优化控制算法。当船舶监控仿真系统4设置船舶控制方式为自动状态时，船舶主动力与操纵综合 优化控制器2接收船舶监控仿真系统4发送的期望航向、航速以及控制参数，利用其装载的综合优化控制算法得到船舶舵角和给油量，对虚拟船舶运动仿真系统1进行闭环控制。当船舶监控仿真系统4设置船舶控制方式为随动状态时，船舶操舵与主机控制台 3通过操舵仪的操纵舵轮直接输出舵角信号，通过车钟上的操纵手柄直接输出给油量信号， 并作为船舶主动力与操纵综合优化控制器2的控制量输出，对虚拟船舶运动仿真系统1进 行开环控制。其中船舶主动力与操纵综合优化控制算法，根据给定的船舶航向、航速车令，协调 船舶操纵性、主机工作特性、船舶装载、海洋环境扰动、航行安全、经济航行等因素，实现对 船舶主动力与操纵的一体化综合优化控制。对于船舶开阔水域直线航行工况，本发明可切换到船舶航向保持、主机独立控制 模式，保留传统控制模式。对于船舶大舵角变航操纵或浅、狭水道航行时，对船舶柴油主机和自动舵采用综 合优化控制的具体步骤如下A、在主机控制模块中设置包含主机负荷、船速、舵角、船首回转角速度等变量的优 化性能指标函数的程序，在达到相应舵效船速的前提下，自适应地适当减少主机供油量；B、根据操作指令和船舶航行状况计算给出在当前航行工况下的船舶操舵和主机 给油量设定值，尽量使船舶柴油主机工作在额定负荷或其近旁工作点时的经济、稳定可靠 运行、效率最高的工作状态；C、船舶航向和主机控制器的给定值设定(i)当判断船舶处于应急避碰或快速机动的特殊状态，则根据主机的当前负荷状 况，进行加速操作(增加燃油给定值)，必要时可在短时段内超负荷10%运行，在不损坏主 机的前提下完成船舶的快速机动性操纵；(ii)当现有主机负荷较高，航速较高时，船舶具有较好的航速储备，便于进行航向 控制，此时若有大舵角操纵指令时，可适当减少燃油给定值，改进主机的工作状况，进而减 少有害气体排放，达到推进主机和航向的优化协调一体化控制的目标；D、根据船舶指令，建立切换选择上述⑴、(ii)两个程序的智能判断模块，执行双 模态控制，完成船舶主动力与操纵综合优化控制方法。3、船舶操舵与主机控制台3上有操舵仪、主机车钟、显示仪表和指示灯等。船舶运 行最主要的两个参数为船舶航向与航速，船舶航向通过操舵来控制，同时通过主机车钟手 柄改变给油量控制主机转速，从而间接控制航速。车钟的输出信号实际上是位于车钟内部 一个电位器的输出电压信号，车钟上的操纵手柄带动电位器上的滑块，从而通过电位器的 输出反映车钟的实际位置，即为给油量信号。操舵仪输出信号实际上是位于操舵仪内部的 一个电位器的输出电压信号，操舵仪的操纵舵轮带动电位器上的滑块，通过电位器的输出 反映操舵仪的实际位置，即为舵角信号。船舶操舵与主机控制台3上仪表分别显示船舶船 速、船舶航向、船舶舵角、主机转速、主机功率和给油量等船舶状态参数，并有随动操作和自 动操作两个状态指示灯。在自动操作状态时，船舶主动力与操纵综合优化控制器2将其计算得到的船舶舵 角和给油量信号输出到船舶操舵与主机控制台3的仪表上，同时通过以太网6接收虚拟船 舶运动仿真系统1计算输出的船舶船速，船舶航向，主机转速，主机功率等参数，并显示在 船舶操舵与主机控制台3的仪表上。
在随动操作状态时，船舶操舵与主机控制台3通过操舵仪的操纵舵轮直接输出舵 角信号，通过车钟上的操纵手柄直接输出给油量信号，并作为船舶主动力与操纵综合优化 控制器2的控制量输出，由以太网6输出到其它系统。4、船舶监控仿真系统4可以设置船舶操纵方式，分为自动和随动操纵两种状态。 在自动操纵状态下，用户可通过设定期望航向和航速，由船舶主动力与操纵综合优化控制 器2实现船舶的自动航行，构成闭环系统；在随动操纵状态下，可以通过船舶操舵与主机控 制台3上的操舵仪和车钟手柄直接改变船舶运动的航向和航速，构成开环系统。该系统包括视频监视系统和船舶状态参数监控系统。在视频监控现场有两个摄像头，一台用于监控机舱、另一台用于监控驾驶室。视频 监视系统由一个配置较好的计算机作为基本监控中枢，内含视频服务软件，它对机舱和驾 驶室监控现场的视频图像进行实时采集、实时播放及实时存储，同时还要通过以太网6向 其他系统传输实时图像。采用基于IP组播的视频通讯技术，利用一个IP地址将数据报文 发送到用户组。IP组播采用了特殊定义的目的IP地址和目的MAC地址。IGMPdnternet 组管理协议)为客户端提供加入和离开组播组的方式。CGMP (Cisco组管理协议)使路由器 为交换机配置组播转发表，并告诉交换机当前的组播成员。指派路由器根据对网络中组播 成员的分布和使用的不同采用密集模式DM或稀疏模式SM组播路由协议来构造组播的分布 树，而这个分布树将在源子网和组播组之间确定一条唯一路径以提高数据传输效率。系统 采用基于H. 264标准的视频采集压缩卡，该采集卡配套提供了视频采集与网络传输等相关 的动态连接库。船舶状态参数监控系统可以设置船舶操纵方式，当设定为自动操纵状态时，能向 船舶主动力与操纵综合优化控制器2发送航向和航速命令，还能对船型参数和海况参数进 行设置，如船舶长度、吃水深度、方形系数、风浪强度、风浪方向等；同时对船舶运行的详细 情况进行实时监测，如航向、航速、舵角、转艏角速率、主机转速、主机功率等，并画出航向、 舵角和船速变化的监测曲线。5、系统调度服务器5负责对虚拟船舶运动仿真系统1、船舶主动力与操纵综合优 化控制器2和船舶监控仿真系统4进行协调调度，实现各仿真子系统加入、仿真启动，仿真 运行、仿真结束等控制。为确定仿真中各子系统的时序关系，本发明引入逻辑时间和逻辑时间戳机制，并 在此基础上提出一种同步启动调度策略。逻辑时间是用于记录和表示仿真数据产生的时序关系及时间间隔的逻辑量度，逻 辑时间的计时单位用仿真周期表示。在单速率仿真系统中，一个仿真周期的长度为一个逻 辑时间单位；在多速率仿真系统中，为了能够准确分辨所有仿真数据产生的先后顺序，选取 最小的仿真周期的长度作为一个逻辑时间单位。在局域网分布式仿真中，所有的交互数据 必须与特定的时间相关联才具有实际意义。为了有限地确定交互数据时序和测量仿真中各 种形式的时间延迟，在交互数据中引入时间信息，即时间戳。由于计算机仿真中的交互数据 时序关系可以由逻辑时间唯一确定，因此可以用逻辑时间表示时间戳，称为逻辑时间戳。在 仿真系统的运行过程中，各仿真子系统在仿真调度策略的管理下推进自己的逻辑时间，仿 真子系统在发送交互数据之前将自己的逻辑时间加入交互数据中，从而实现了交互数据的 逻辑时间戳机制。
本发明提出的同步启动调度策略的核心思想是在整套仿真系统中，用一台时钟 主机控制仿真系统中所有仿真主机的同步启动运行，最大限度地增加各仿真主机运算的并 行性。同步启动调度策略工作过程如下A1、以仿真系统中一台计算机或时钟主机的时钟控制所有仿真主机的同步启动运 行；A2、对于单速率仿真系统，以仿真系统的仿真周期作为一个逻辑时间单位；对于多 速率仿真系统，以仿真系统中各仿真主机的最小仿真周期作为一个逻辑时间单位；A3、所有仿真主机均以0为逻辑时间初值；A4、时钟主机创建时钟周期为一个逻辑时间单位的定时器，以1为逻辑时间初值， 采用网络广播传输方式周期性地向所有仿真主机发送带有逻辑时间戳的同步启动指令，推 动整个仿真系统的周期运行；每发送一次同步启动指令，逻辑时间加1 ；A5、仿真主机接收到同步启动指令后，如果同步指令的时间戳大于自己的逻辑时 间，且为自己仿真周期比的整数倍时，仿真主机将自己的逻辑时间推进到同步启动指令的 逻辑时间戳，启动仿真运算，并以网络多点传输方式发送仿真结果；如果上述条件不满足， 则不作任何处理。同步启动调度策略具有以下主要特点B1、所有仿真主机在时钟主机的统一控制下同步运行。当仿真主机以其它仿真主 机的数字量输出为输入时，都将引入仿真调度延迟；B2、同步启动指令采用网络广播传输方式发送，仿真主机间的交互数据可采用网 络多点传输方式发送；B3、最大限度地实现了所有仿真主机的并行运行，包括交互数据的并行发送和并 行接收以及仿真算法的并行运算；B4、时钟主机间的时钟同步可以保证各仿真子系统间的时钟同步；B5、调度策略引入的时间延迟可通过逻辑时间戳测量，并可以进行延迟补偿；B6、调度策略控制简单，便于实现。本发明提出的主动力与操纵综合优化控制方案，有利于从理论上研究船舶运动和 柴油机的综合控制方法，提高船舶运动控制效果；有利于船舶航行安全；有利于防止柴油 机过载和提高动力装置可靠性和经济性；有利于建立航海和轮机综合模拟器，提高模拟器 的精度和船员的训练水平。本发明对于实现船舶的综合节能优化控制，提高船舶系统的整 体经济性，延长主动力装置工作寿命将具有重要意义。目前我国国产船用设备装船率不足 40%，一些关键船用设备完全依赖进口，成为制约我国船舶工业发展的“瓶颈”，本发明对于 开发具有我国自主知识产权、高技术含量，高附加值的国产关键船舶控制系统，特别是船舶 集成驾驶台系统具有积极推动作用，从而提高我国国产船用设备的装船率。本发明成果既 可适应用于集装箱船、油船、滚装船等海洋运输船舶控制系统，也可推广应用于大中型水面 舰船，将能产生巨大的经济和社会效益。
权利要求
一种船舶主动力与操纵综合优化控制硬件在环仿真系统，其特征在于包括虚拟船舶运动仿真系统(1)、船舶主动力与操纵综合优化控制器(2)、船舶操舵与主机控制台(3)、船舶监控仿真系统(4)、系统调度服务器(5)和以太网(6)，所述的虚拟船舶运动仿真系统(1)、船舶主动力与操纵综合优化控制器(2)、船舶监控仿真系统(4)、系统调度服务器(5)分别通过以太网(6)实现数据的相互交换，船舶主动力与操纵综合优化控制器(2)和船舶操舵与主机控制台(3)间直接通过模拟电平连接；所述的虚拟船舶运动仿真系统(1)包括船舶运动数学模型和船舶柴油机数学模型，运行时，通过以太网(6)接收船舶主动力与操纵综合优化控制器(2)输出的船舶舵角和主机给油量两个控制量，并根据接收到的船舶舵角和主机给油量，由船舶运动数学模型和船舶柴油机数学模型计算得到船舶船速、船舶航向、主机转速、主机功率等参数，且通过以太网(6)输出到其它系统；所述的船舶主动力与操纵综合优化控制器(2)装载船舶主动力与操纵综合优化控制算法，根据给定的船舶航向、航速车令，协调船舶操纵性、主机工作特性、船舶装载、海洋环境扰动、航行安全、经济航行等因素，实现对船舶主动力与操纵的一体化综合优化控制；所述的船舶操舵与主机控制台(3)包括操舵仪、主机车钟、显示仪表和指示灯；所述的船舶监控仿真系统(4)包括视频监视系统和船舶状态参数监控系统，负责对机舱和驾驶室监控现场的视频图像进行实时采集、实时播放及实时存储，并采用IP组播技术向其他系统传输实时图像；所述的系统调度服务器(5)负责对虚拟船舶运动仿真系统(1)、船舶主动力与操纵综合优化控制器(2)、船舶监控仿真系统(4)进行协调调度。
2.根据权利要求1所述的一种船舶主动力与操纵综合优化控制硬件在环仿真系统，其 特征在于所述的虚拟船舶运动仿真系统(1)的软件采用Visual C++和Vega混合编程实 现，所述的虚拟船舶运动仿真系统(1)、船舶监控仿真系统(4)和系统调度服务器(5)的软 件采用Visual C++语言开发。
3.根据权利要求1所述的一种船舶主动力与操纵综合优化控制硬件在环仿真系统，其特 征在于所述的系统调度服务器(5)利用逻辑时间和逻辑时间戳机制，采用一种同步启动调 度策略对虚拟船舶运动仿真系统(1)、船舶主动力与操纵综合优化控制器(2)和船舶监控仿 真系统(4)进行协调调度，实现各仿真子系统加入、仿真启动，仿真运行、仿真结束等控制。
4.根据权利要求1所述的一种船舶主动力与操纵综合优化控制硬件在环仿真系统，其 特征在于所述的船舶主动力与操纵综合优化控制器(2)装载有船舶主动力与操纵综合优 化控制算法软件，并执行以下程序A、当船舶监控仿真系统(4)设置船舶控制方式为自动状态时，船舶主动力与操纵综合 优化控制器(2)接收船舶监控仿真系统(4)发送的期望航向、航速以及控制参数，利用其中 装载的综合优化控制算法得到船舶舵角和给油量，并对虚拟船舶运动仿真系统(1)进行闭 环控制；B、当船舶监控仿真系统(4)设置船舶控制方式为随动状态时，船舶操舵与主机控制台 (3)通过操舵仪的操纵舵轮直接输出舵角信号，通过车钟上的操纵手柄直接输出给油量信 号，并作为船舶主动力与操纵综合优化控制器(2)的控制量输出，对虚拟船舶运动仿真系 统(1)进行开环控制。
全文摘要
本发明公开了一种船舶主动力与操纵综合优化控制的硬件在环仿真系统，包括虚拟船舶运动仿真系统、船舶主动力与操纵综合优化控制器、船舶操舵与主机控制台、船舶监控仿真系统、系统调度服务器和以太网，所述的虚拟船舶运动仿真系统、船舶主动力与操纵综合优化控制器、船舶监控仿真系统、系统调度服务器分别通过以太网实现数据的相互交换，船舶主动力与操纵综合优化控制器和船舶操舵与主机控制台间直接通过模拟电平连接；由于本发明用户可根据需要在船舶监控仿真系统中提供的用户界面上设置不同船舶参数如船舶长度、吃水、方形系数及海况参数如风浪强度、方向等，因而可以模拟不同类型船舶在各种海况下的控制仿真效果。
文档编号G05B23/02GK101819441SQ20101014912
公开日2010年9月1日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者杨杨, 沈智鹏, 郭晨 申请人:大连海事大学