黑龙江海事局 黑龙江省哈尔滨市 150078
摘要：混杂系统广泛存在于工程控制领域。本文阐述了多模型混杂系统及其在船舶与轮机控制领域的应用。
关键词：混杂系统；船舶；轮机
嵌入式系统具有广泛的应用前景，其在船舶控制领域的应用目前已有了诸多成功案例。AC C20型主机遥控系统代表着未来船舶主机遥控系统的发展方向，本文所提出的设计及实现方法不仅可用于新一代全任务轮机模拟器，且所提出的方案及开发的系统为下一步研制船舶智能主机遥控系统奠定了基础。
一、闭环控制结构
典型的PID控制环节中超调量、过渡过程时间、稳态精度指标间存在相互制约，通常在多个控制指标的折中值作为最佳控制参数，特殊情况需强调某一性能指标时则以牺牲其它指标为代价。整个控制系统包含了三层反馈，其一是转舵角度信号反馈至切换规则输入端，作为切换规则的前件变量决定控制器的工作模式；其二为定位系统观测到的实际船位坐标值，反馈至输入端与根据设定航线的期望坐标值比较，得到船位偏差，此偏差经航迹控制环节转换为期望艏向角，与罗经测量到的实际船舶艏向角比较得到航向偏差，作为实际控制偏差输入至切换控制器。
二、基于Wince的主机遥控系统研制
船舶主机遥控系统是船舶自动化中最为复杂的系统之一，对船舶航行安全性、可靠性及可操纵性至关重要。AC C20作为目前最先进的主机遥控系统之一，采用可视化软件操作模式取代了传统操纵方式，可实现主机远程的起动、换向、停车和速度设定等基本操作，并以软件界面替代了传统的主机安保和调速的人机交互面板，更加便于设备布置及操作。核心控制单元与各功能模块之间，采用双冗余CAN总线结合局域网进行信息交互，可有效保证控制的实时性和可靠性。近年来，远洋船舶大量采用了AC C20主机遥控系统，由于它与传统的主机遥控装置有较大的区别，使轮机管理人员在使用、管理及维护中面临着新的课题和挑战．
1、整体方案。AC C20主机遥控系统，采用CAN总线结合局域网技术传输系统控制及监测数据，应用可视化软界面实现主机遥控中包括调速、安保、逻辑控制等的大部分人机交互功能。这种形式不但简化了系统整体硬件结构，减少了布线成本和设备体积；同时，友好的人机交互功能更加方便使用和维护。
此外，根据轮机模拟器实际功能需要，在开发时，需对部分功能及模块做合理的简化及合并。采用嵌入式开发系统开发了人机交互界面，在Microsoft Win CE嵌入式开发环境下，通过VS.net 2005开发平台，模拟Kongsberg AC C20主机遥控装置各操作界面和控制功能。
2、硬件设计与制作
1）以太网通信模块。以太网通信模块是基于标准以太网通信协议开发的数据转发装置，采用嵌入式单片机作为核心处理器，C++语言开发数据采集及以太网通信转换协议。AC C20模拟装置数据可分为模拟量输入(AI)、模拟量输出(AO)、数字量输入(DI)、数字量输出(Do)四种类型；在设计以太网通信模块时，根据需要将模块分为两种类型，分别为模拟量模块和数字量模块。
2）主机操纵器。其基本原理是：操纵手柄沿弧形导轨移动时，带动一个电位器同步旋转，在不同位置发出不同的电位值，每一电位值都与主机模型在相应控制命令下的主机供油量相对应；通过改变操纵手柄的位置，可对主机进行起动、停止及调矩桨螺距调整的控制。主机操纵器设计中最主要的问题是：要保证电位器不同位置的电位值与主机模型实际油门指令值、操纵器表面刻度标识值三者之间一一对应，这需要反复校验才能完成。
3）核心控制板。核心控制板的开发板，采用处理速度较快的ARM 11芯片作为中央处理器。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆主频为667MHz，DDR数据传输速率266Mbs，支持Windows Embedded CE 6.0R2/R3和Linux 2.6.28等操作系统，具有LCD接口、4路串口、SD卡接口、USB2.0-OTG接口、USB Host接口、按键接口等多种接口资源，支持触摸屏操作.CPU型号为Samsung S#C6410XH-66，ARMl 176JZF-S Core．显示屏选定7英寸标准液晶屏，为保证主机遥控系统的安全性，防止误操作，没有附加触摸屏功能。
3、模拟软件开发
1）操作系统选择。AC C20模拟装置的界面及控制功能在Windows Embedded CE 6.0环境下采用Visual Studio.NET 2005开发。Windows Embedded CE操作系统适合互连工业自动化设备的理想小体积嵌入平台，6.0版本增强了实时支持，可从闪存启动，可适应较为恶劣的生产环境。开发工具Visual Studio 2005中，包括了一个被称为Platform Builder for CE 6.0的强大功能插件，它是一个专门为嵌入式平台提供的集成开发环境。
Windows CE 6.0操作系统由于增加了运行进程的数量、虚拟空间的内存及用户自定义的个性化用户界面等特点，使其在开发主机遥控的各项功能时显得十分容易。操作系统的开源特性为与开发板连接的各类通信协议的开发提供了便利，最大可支持2G的虚拟内存和多线程机制，使系统运行的实时性提高，保证了仿真服务器和模拟装置间的同步性。在系统界面的开发过程中，自行开发了多个控件(如：模拟仪表控件、柱状仪表控件等)，这些控件得到了Windows CE操作系统良好的兼容支持，增强了软件界面仿真效果，降低了代码编写难度。
2）系统功能模拟。模拟对象为用于低速、二冲程、不可换向柴油机的AC C20主机遥控系统，配置变矩桨功能。AC C20控制面板(AutoChiefControl Panel．ACP)采用7寸液晶屏，显示主机各类参数、报警及完成各类运行参数设定功能。另外，在控制面板单元还配备了两组共6个按键，其中一组用于在应急情况下对主机故障停车、故障降速和各种限制环节进行取消操作，另一组用于控制位置切换、消音和报警的确认操作。
控制面板液晶屏可显示以下参数：①主机转速值和设定值；②起动空气压力；③当前主机状态；④起动阻塞；⑤故障停车/故障降速；⑥控制位置；⑦通用报警指示；⑧错向报警。
通过多功能旋转手柄可在多个交互界面间跳转，多功能手柄与嵌入式开发板之间以串行接口方式连接。选中预查询界面的相应导航条，该页的相应文字信息、模拟仪表、柱状图等会立即显现。
在主机运行期间，若安保系统发出故障停车信号，则ACP界面会自动弹出界面。若根据实际操作情况需取消故障停车信号且该信号为可被取消类型，则按下控制面上的“Cancel SHD”按钮后，弹出界面自动消失；在屏幕靠近底部位置出现一个红色的警示条，提示当前取消的故障停车报警类型，同样故障降速信号也通过相同方式显示和进行取消操作。
AC C20模拟系统基本数据的运算在仿真服务器内实现，仿真服务器同时进行主机模型和人机交互界面的运行，人机界面既能显示主机遥控系统中基本参数的信息，而且可通过鼠标键盘实现主机的起动、调速、换向、停车、参数设定、报警确认、限制环节取消等基本操作。AC C20模拟系统以液晶屏作为主机参数、报警和设置等功能的人机交互接口，其数据显示及参数设定操作与仿真服务器实时同步，这通过动态触发机制来保证。在仿真服务器内，系统数据变化时先与上一发送时刻的数据进行比较，若数据有变化则立即发送最新数据到各个通信节点进行数据更新，并将数据库内比较数据更新为当前值。若比较结果表明当前数据与上一时刻数据相同，则不进行数据发送。这一机制有效地减少了系统的通信数据量，降低了数据接收端数据处理负荷，使通信实时性得到进一步提高。
由于采用了多功能旋转手柄配合液晶屏的方式对主机各种界面实现分屏显示，因此主机遥控模拟装置内的系统信息量十分丰富；并在报警发生时，可通过其下部的相应选择按钮进行故障查询和处理操作。AC C20装置因采用了软界面操作方式，降低了主机遥控系统的复杂程度，并且系统体积和设备数量明显减少，有利于实际船舶的布置和使用。
三、结语
混杂系统是指离散事件系统和连续变量动态系统、两者又相互作用的系统；是一种离散构件和连续构件融合在一起的反应系统，其特点是既随时间而连续变化，又受离散突发事件的驱动。
参考文献：
[1]徐弘升.基于嵌入式系统和CAN总线的船舶监控系统设计[J].大连海事大学学报，2014．
[2]黄学武.基于DSP的船舶主机遥控实时仿真系统[J].上海海事大学报，2014．
[3]何宗键．Windows CE嵌入式系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015．
论文作者:柳跃
论文发表刊物:《防护工程》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/30
标签：主机论文; 系统论文; 船舶论文; 数据论文; 界面论文; 操作论文; 功能论文; 《防护工程》2018年第19期论文;