渔船中动力及转向控制系统研究

收稿日期：2018-01-25基金项目：国家自然科学基金（11547001）；浙江省自然科学基金（LQ18E070004）；舟山市科技计划项目（2015C31007）作者简介：吴小洲（1995-），男，浙江温州人，硕士研究生，研究方向：农业机械化.E-mail:1211640221@通信作者：张存喜，副教授.E-mail:zhangcx@文章编号押2096-4730穴2018雪04-0338-06渔船中动力及转向控制系统研究吴小洲，刘玉良，苏玉香，张存喜（浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山316022）摘要：目前我国渔船驾驶操控大部分以手动控制为主，劳动强度大，智能化程度低。

为此本文提出了由触摸屏、PLC 、变频器、三相异步电机、传感器等设备组成的智能化渔船动力、转向控制系统，主要实现渔船的航线控制、自动定速巡航控制、触摸屏显示等功能。

试验仿真结果表明设计达到了预想的渔船动力系统及转向系统的自动化、智能化控制效果。

关键词：自动操舵；自动定速巡航；触摸屏；PLC中图分类号：U666.11;U665.13文献标识码：AResearch on Power and Steering Control System of Fishing VesselsWU Xiao-zhou,LIU Yu-liang,SU Yu-xiang,et al(School of Naval Architecture and Mechatronics Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)Abstract:At present ，most of our fishing vessels are still under manual control ，which has great labor in -tensity and low level of intelligence.Therefore,we designed an intelligent fishing vessels boat power and steer -ing control system composed of touch screen,PLC,frequency converter ，three-phase asynchronous motor and sensors in this paper,which mainly realizes the functions of fishing vessel boat route control,automatic con -stant speed cruise control and touch screen display.The experimental simulation results showed that the design has reached the expected fishing vessel automation and intelligent control effect of fishing vessels boat power and steering system.Key words:automatic steering;automatic constant speed cruise;touch screen;PLC目前，我国北部湾地区500t 以下的小型渔船有8000多艘，80%以上都安装了液压舵机，在该类渔船中，往往都是以经济性为出发点，所以安装的舵机大多数是经济型的手动舵机，可以实现自动操舵功能的小型渔船数量不多[1]，但自动舵是船舶控制系统中不可缺少的重要设备，通过它可以进行航向设定并使船舶行驶更接近航线，从而更节能、更经济。

我国在从20世纪70年代就开始自动舵的研究，并取得了一定的成效，但国内自动舵的研究侧重于理论方面，进行算法仿真，很少做出实际产品。

迄今为止，国内船舶安装的自动舵基本依赖进口[2]。

同时，我国对向船舶控制的研究往往趋向于船舵控制的单独研究，而往往忽略了渔船作为一个整体在航行中浆舵的配合重要性。

第4期图1系统总图Fig.1System diagram 因此本文设计了一套由PLC 、电子罗盘、舵角传感器、GPS 定位系统、电磁阀驱动组成的自动操舵系统和PLC 、变频器、三相异步电动机等组成的自动定速巡航系统配合使用的操作系统来进行渔船的操控，从而实现渔船沿预定航线自动定速航行的功能。

本次设计中最重要的是采用了PLC 作为控制单元，相比于其他设计中采用的单片机控制，本文中PLC 的使用提高了数据运算处理的可靠性以及输出控制的稳定性，同时本文中变频器的运用也使得渔船航行速度得到了更加稳定的控制。

另外本文中可视化单元-触摸屏的加入使得大量的物理按钮得到了虚拟化、可视化处理，大大释放了渔船控制室操作台的空间，使得渔船上的人机交互体验感更加友好，这将使得渔民对渔船驾驶的操作更加方便，小型渔船在海洋中航行的安全性、经济性和可操控性[1]更高。

1渔船动力及转向系统控制设计本文设计的关键是要实现沿航线自动定速航行的功能，该系统的自动航线控制模块和自动定速巡航模块分别由GPS 定位系统、电子罗盘、舵角传感器、舵角指示器、舵角表、液压电磁阀和编码器、水流传感器、GPS 测速传感器、变频器、三相异步电动机、380V 三相电源组成。

自动航线控制模块操舵实现自动转向功能，自动定速巡航模块控制变频器和三相异步电动机实现自动定速巡航功能。

系统总图如图1所示。

1.1总体控制方案本次设计采用三菱PLC FX2N 型号作为控制元件，配备触摸屏为系统显示元件，采用变频器、三相异步电动机为系统执行元件，其控制流程图如图2所示。

系统采用触摸屏设置预定航线以及航速，并实时动态显示当前所处航线位置、航角、舵角以及当前所维持航速，另外当出现渔船偏离航线、渔船航速波动严重、渔船航速失控、三相异步电机电流电压过载等情况时可实现自动报警，以便渔民进行检查修正。

1.2航线控制本文中开发的是基于PLC 控制的的多任务操舵系统，与传统C51单片机控制的操舵系统相比，无论是在数据处理还是控制精度上，都具有很大的优势。

本系统主要由航角传感器系统、电子罗盘、GPS定位系统、液压电磁阀、触摸显示模块等5个单元组成，控制系统总体结构如图3所示，整个系统主要实现数据采集、显示，控制等功能。

其中由PLC 实现控制计算，液压电磁阀实现舵角动作，配备传感器GPS 定位系统、电子罗盘、舵角反馈模块实现反馈，最终由触摸屏显示控制状态并提供人机交互界面。

此舵角控制模块中采用电子罗盘获取渔船当前航角α°，并与GPS 定位系统所得当前航线正确航角γ°进行对比，得出偏航角φ°；再与舵角传感器得到的舵角β°作比较，经PLC 控制器PID 算法后产生偏舵角δ°，由δ°的正负以及大小来驱动电磁阀操控舵的左右转向及控制舵的转向角度，如图4所示[3-4]。

图2主程序流程图Fig.2The flow chart of main program 图3自动操舵简图Fig.3Automatic steering diagram 图4自动操舵控制原理框图Fig.4Automatic steering control block diagram吴小洲等：渔船中动力及转向控制系统研究339浙江海洋大学学报穴自然科学版雪第37卷1.3自动定速巡航在我国大部分小型渔船的航行采用的是手动调节航速进行航行，它需要渔民根据当时海况进行不断地手动调节，这就大大增加了渔民的劳动强度。

为减轻渔民的负担，本文在自动操舵的基础上增加设计了渔船自动定速巡航的功能，它能根据当前海域的水流情况对电机转速进行自动调节，从而实现定速巡航功能。

另为响应国家低碳环保的号召，此次设计所采用的的动力系统为电力系统，动力装置为三相异步电动机，由PLC 及变频器控制驱动。

1.3.1定速巡航硬件系统设计本系统主要由触摸屏、编码器、变频器、三相异步电动机、380V 三相电源等7个单元组成，控制系统总体结构如图5所示，其中触摸屏仍作为人机交互界面使用，编码器、水流传感器、GPS 测速传感器作为反馈系统使用，380V 电源提供动力来源，变频器作为三相异步电动机控制装置，由PLC 计算数据并实现各模块之间的通讯。

1.3.2自动定速巡航原理渔船在海域当中航行时海况复杂，水流流速不断变化，如果采用电机匀速运转，渔船的航行速度将不断发生变化。

因此为了实现定速巡航，就需要根据当前海域的水流流速来调节电机转速从而实现渔船航行速度不变。

该模块可完成实际船速、水流流速、电机实际转速的采集、显示、信号转换和传输等功能。

如图6所示，本设计选用了GPS 测速传感器、水流流速传感器和编码器等传感器。

GPS 测速传感器首先采集到渔船实际船速，并把船速输送到PLC ，经过与给定船速的比较后得到偏航速。

之后根据当前海域的水流流速计算出所需电机转速，经与编码器所测当前电机实际转速对比得到偏转速。

最后由PLC 将所需提升电机转速信息发送给变频器，由变频器控制三相异步电机改变转速，从而实现船舶的定速巡航，其系统程序流程图如图7所示。

图5自动定速巡航简图Fig.5Automatic constant speed cruise diagram 图6自动定速巡航功能原理图Fig.6The schematic of automatic constant speed cruise function 图7自动定速巡航流程图Fig.7The flow chart of automatic constant speed cruise2触摸屏系统设计本次设计的系统包括渔船航线、航速的的设定，渔船航线、航速、舵角的显示以及渔船故障报警的提示三部分。

为了方便参数设置以及动态显示渔船航行状态，本次设计中采用了台达的B10E615型号触摸屏作为控制及人机交换单元,该触摸屏具有仪器仪表显示、图表绘制、按钮设置等功能，极大地方便了系统操作设置，同时由于物理按键、仪表仪盘的虚拟化，操作台的空间得到了极大释放。

2.1渔船航线、航速设定本次渔船控制系统中可进行渔船航线、航速的设定，从而实图8航速航线设定图Fig.8Navigational speed and air routesetting map 340第4期现在当前海域的自动航行以及定速巡航功能，另外渔船航速航线的设定由虚拟仪表盘显示，增加了人机交互体验，如图8所示。

2.2渔船航线、航速的显示点击下一页菜单按钮进入航速监视页面，如图9所示，此页面设置了实时舵角、航速显示仪表盘，它可显示当前渔船所保持的舵角、航速。