（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的多主机舰船主机监控系统.pdf

英文摘要 m a r i n em u l t im a i ne n g i n es u p e r v i s i o na n dc o n t r o ls y s t e m b a s e do ud s p a b s t r a c t m a r i n em u l t im a i ne n g i n es u p e r v i s i o na n dc o n t r o ls y s t e mi st h ek e r n e lo ft h e s h i p sa u t o m a t i o ni t 8t h eb e s tp a r to fas h 砸t h a tc a ne m b o d yt h el a t e s ts c i e n c ea n d t e c h n o l o g y t h es y s t e mh a saw i d e l ye x t e n s i o n ，i tr e l a t et ot h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y o fc o m p u t e rn e t w o r k ，d i g i t a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , m o d e mc o n t r o lt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n ，i n f o r m a t i o np r o c e s s ，s e n s o r , p o w e re l e c t r o n i ca n de t c a l o n ew i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ea u t o m a t i o n d e v i c e ，m o r ea n dm o r ep e o p l ep a ya t t e n t i o no nt h es p e e do fs h i p ，e s p e c i a l l yt h eh i 曲 s p e e ds h i pt h a tc a nn a v i g a t ei nt h eo c e a n ，i th a sab i gm a r k e t s oh o w c a l lw em a k et h e c o n t r o ls y s t e mo fh i g hs p e e ds h i pc l a i mm o r ei n t e r e s t t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g nt h em a r i n em u l t im a i ne n g i n es u p e r v i s i o na n dc o n t r o l s y s t e mb a s e do nd s et h e r ea r ef o u rc h a p t e r si nt h i sd i s s e r t a t i o n i nc h a p t e ro n e ，i t i n t r o d u c e st h eg e n e r a ls i t u a t i o no fd s pa n ds u p e r v i s i o na n dc o n t r o ls y s t e m i nc h a p t e r t w o ，f a c et ot h em u l t im a i ne n g i n et e l e c o n t r o ls y s t e m ；d e s i g nr o t a t es p e e dp i dc o n t r o l a n do n l i n em e a s u r eo fs h a f te f f e c t u a lp o w e rb a s e do nd s ea tl a s t d e s i g nt h em e a n s 幻 c o n t r o lm u l t im a i ne n g i n ew o r ki nh a r m o n y , f o u n dt h es t r u c t u r eo ft e l e c o n t r o ls y s t e m i nc h a p t e rt h r e e ，d e s i g nt h es u p e r v i s i o ns y s t e m 。o w i n gt ot h eu s eo nm c g sa n dp l ci t a c h i e v e st od e s i g n i n gt h ei n t e r f a c eo fs u p e r v i s i o ns y s t e m i nc h a p t e rf o u r , d e s i g n p e r i p h e r yc i r c u i to f t h ed s p , i n c l u d et h ec i r c u i to f t i m e r , r e s e t ，d i s p l a y ，i n s p e c t ，s t o r a g e e x t e n de t c a tl a s t ，i nt h ea p p e n d i x ，i ti n t r o d u c e sp a r to ft h ef u n c t i o nt h a tc o m p i l e di n c c s 2 0 0 0 t h i ss y s t e mi sap r e p a r a t i o no ft h er e s e a r c ho nh i g hs p e e ds h i p ，i tb u i l dt h ef l a m e o fs u p e r v i s i o na n dc o n t r o ls y s t e m ，h a sac e r t a i np r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：s u p e r v i s i o na n dc o n t r o ls y s t e m ；m u l t ie n g i n e ；d s p ；h i g hs p e e d 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 本人郑重声明：本论文 撰写成博士硕士学位论文 原创性声明 果， 。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。 栌嘣擀就蚌膈担汰躲撤卅一帅 论文作者签名：劲怨题2 阳匹年弓月，j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囱( 请在以上方框内打“ ) 燃：甑。于霉蔫，春娘日期：到og 年3 月，0 日 基于d s p 的多主机舰船主机监控系统 第1 章绪论 1 1 课题背景 舰船的航行速度在一些特殊情况下( 军事、稽查、海关等) 显得尤为重要，所以 能适应深海远航的高速舰船在国内外都有广阔的市场，如何实现舰船的高速度以 及如何完善高速度舰船的监控系统正在成为越来越多的人的研究课题，主要的研 究方向集中于减小航行阻力与增加发动机功率两个方面，在很多小型船舶上这两 个方向的研究都取得了很大的成绩，但面对航程与排水量都有较高要求的大型船 舶，这两个方向都存在操控和效率上的难题，而多主机系统更适合大型舰船的高 速要求。 新型的监控系统要求具有自动化程度高、可靠性高、维护简捷等特点。通过 船舶控制系统所实现的开放化和人性化将是未来船舶自动化发展的必然趋势。这 其中必然引入船舶控制模块的概念f i i 。而要实现这些功能离不开高速、稳定的处理 单元，传统的模拟器件和早期的处理芯片无法满足这些要求，数字信号处理器 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的出现为高品质、高效率、低成本的监控系统设计提 供了强大的基础，基于d s p 的舰船监控系统必将是今后船舶自动化发展的主要方 向。 在构建设计思想层面为达到这些要求必须选择适合的控制器件与监测方法， 而这些都离不开船舶自动化技术的发展与应用。船舶自动化技术产业已成为当今 世界主要海洋强国的支柱产业之一。国外自2 0 世纪7 0 年代起，由于海洋事业和 国际贸易迅速发展的需要，在船舶自动化技术及新设备研制方面出现了蓬勃发展 形势，通过几十年的持续发展，当今世界在船舶自动化方面正在进行着根本性的 变革。而舰船主机监控系统作为船舶自动化的重要组成部分，其发展又必然促进 船舶自动化的发展，这是一个良性循环，也为主机监控系统的研究注入了强大的 动力。 因为主机监控系统并不是一个新的话题，所以在联系本次课题的实际情况的 同时，定要借鉴前人的经验。总结必要的理论和实践知识，完成高速舰船主机 第1 牵绻论 监控系统设计。 l 。2 柴油主枧监控系统发展及概况 隧羞计算机和微电子技术的发展，船舶叁动纯程发不断提嵩，装设主祝监控 系统的船舶逐年增多。尤其是在2 0 世纪9 0 年代履，瓤造的船舶几乎都采用主枫 监控系统。所谓主机监控，即主机监测报警与主机遥控的简称，是指远离机旁在 集控室或驾驶室通过自动控制系统监测与操纵主机的方式。主机自动化属于轮机 螽动化，也辩q 视舱自动化。近年来，随着控制器件的不断发展，主机自动化也由 局部的就地羟割发展到综合酌集中控制或遥控控制。自动遥控是在驾驶室内可任 意搬动车铮手橇，通过逻辑系统缓妻子逻辑系统、继电器逻辑系统、气动逻辑系统 或微机系统等) 遥控主枧，丽主枫运行状态的改变是根据事先安鬟 好鳆程序一步步 进行的。主机遥控是实现无人机舱必不可少的条件之一。采用主机遥控除了能减 轻劳动强度，改善工作条件，避免人为的操作差错外，还能提高船舶的操纵性和 经济性。 主机益测与报警系统能准确可靠地代替轮机员，时刻巡回检测主机中主要参 数酶工作状况，傈证机器安全运行。当被监测参数出现不正常时，它立即自动发 爨报警僖号，并进行努簿记录，通知值班人员及时采敦措施排除故障。阕射该系 统还能定时期随时自动进露全点帮选点显示，打印记录检测点序号、时闻、参数 等，它是实现无人驾驶机舱必不可少的盘动控制系统之一。船舶圭机监测报警系 统按集中监视工作过程分为瓶种：一种是连续集中监测报警系统，其特点是长艄 连续不断地对机舱内各种设备的运行参数同时检测，一旦发生故障，该检测点继 电器送如越限信号到集中监测系统，报警系统将报警信号送到机舱、集控室、驾 驶室、公共场所叛及轮机长、轮机员卧室。报警信号一般设霞声响报警、闪光报 警等信号，有的还设有役表指示、数字显示及打印记录。另一种是巡回裣测监测 报警系统。冀特点是对主枧备运行参数依次进行弱麓性戆耋动检测，也称扫描显 示，可以由数字电路或微枧式熬方式构成，阕样可进行数字显示或c r t 显示、打 印记录和报警，适用于检测点多的场合【2 l 。 基于d s p 的多主机舰船主机监控系统 在主机运行中需要监测的参数信息分三类：模拟量、开关量和电动机运转 信息。模拟量就是被测参数对外表现为连续变化的形式，如温度、压力、流量等。 开关量就是被测参数对外表现为断续变化的形式。有一种需要越限报警，如液位 高低的浮子触点；还有一种不需要报警，只是用指示灯指示某些设备工作是否正 常。电动机运转信息是对风机、泵类的监测参数，这些设备不但要求监测其正常 的运转和故障停车，而且要求对正常手动停车加以区别，故很多监控系统设计了 电动机运转单元来处理这类信息，但在实质上，在送入控制单元的信号上仍然是 以模拟量为主，只不过在采样过程中与温度、压力等信号有所区别，所以在广义 上仍可把其归入模拟量监测【3 1 。 全自动主机遥控系统属于程序控制系统，它又分开环系统和闭环系统两大部 分。开环程序控制系统由车钟带的开关控制，当把车钟手柄扳到正车( 或倒车) 时， 相应开关触头闭合，通过逻辑系统、电磁阀和气动系统控制主机换向、启动或制 动。闭环调速系统用来调节主机转速，它由车钟下面带的电位器发送转速给定值， 通过给定值限制器( 如临界转速限制、启动转速限制、热负荷程序限制、故障减速、 故障停车、微速限制和手动转速限制等) 、分级发送器、转速调节器、燃油限制器、 电压电流变换器、电液执行器去调节主机油门开度，从而调节主机转速。同时， 由测速装置组成速度负反馈回路，系统在负载变化时也能维持主机转速恒定。 很多采用微型计算机组成的主机遥控系统在集中控制室采用半自动气动监控 系统，驾驶台发送的是电动监控信号。其实它也属于电气结合的遥控形式，最主 要的特点是其逻辑回路不是由硬件电路组成的，而是由计算机软件程序实现的。 二次世界大战以来，船舶自动化技术经历了由轮机当班人员在机旁依驾驶台 指令操作的本地控制( l o c a lc o n t r 0 1 ) ，采用机舱集控室的集中控s u ( c e n t r i z e d c o n t r 0 1 ) ，机舱无人值班船舶( u n m a n e dm a c h i n e r ys p a c e ) ，到属于全自动化( f u l l a u t o m a t i o n ) 以节能为中心的所谓“未来船 ( s h i po f l l l ef u t u r e ) 的发展过程。世界 主要造船国家船级社已把主机监控系统作为“无人机舱”规范中不可缺少的部分。 它最大的特点是不需要经过专门技术培训的操作员来监控主机，对主机毫无了解 的任何人也可在驾驶室或集控室使用车钟手柄操纵主机，因为主机监控系统中的 第1 章绪论 自动控制装置保证了主机的绝对安全可靠，可以避免人为地操作差错，而且能减 轻劳动强度，改善工作条件。因此，主机监控系统是船舶轮机自动化的重要组成 部分t 4 1 。随着船舶自动化水平韵不断提高，柴油主机监控技术发展也很快，到今天， 大致经过了四代的发展过程：用气动元件组装成的第一代柴油主机监控系统；用 电子分立元件或继电器气动元件组装而成的第二代柴油主机监控系统；用中小规 模电子集成电路及气动元件组装而成的第三代柴油主机监控系统；用微型计算机 ( 包括可编程序控制器) 及气动执行元件组装而成的第四代柴油主机监控系统。近几 年下水的船舶主机遥控系统几乎全部采用微机控制，它的主要特点是采用微型计 算机用软件编程的方法，代替了常规硬件电路的逻辑和数字运算功能。而目前设 计采用微机控制的监控系统主要是采用专用或通用工业控制微机，如西门子d i f a 系列微机主祝遥控系统，挪康的a u t o c h i e f 系列微机主枫遥控系统，国内有交通部 上海船舶运输科学研究所研制的c y 8 8 0 0 型微机主机监控系统。总之随着国际海运 与造船行业的不断发展，舰船主机监控系统也必然随之发展，所以选择舰船主机 监控系统作为研究课题，具有很强的理论意义和实际意义。 1 3 特殊领域舰船的高速特点及其实现方法 作为本文研究的舰船的一大特点一高速性正越来越成为某些特殊应用舰船的 研究重点，特殊应用主要就是指军事应用、边防稽查、海关缉私等，这些应用场 合有其自身的特点： 由于执行特殊任务，稳定性必须得到保障，可靠性要求大于经济性要求， 要达到在任何情况下“追得上，跑得了 。 必须有较大的排水量和较强的续航能力要适合远航，也就是动力系统的功 率要有保障。 航行海况报可能复杂多变，必须考虑冗余动力系统以保证各种复杂艰巨任 务下的安全航行。 在非执行特殊任务的大部分时间里需要低速巡航，如何在保证动力系统效 基于d s p 的多主机舰船主机监控系统 率的前提下实现大的调速范围是需要考虑的一个重点。 面对特殊应用领域舰船高速性要求，需要寻找合适的推进方式，当前民用市 场的高速船舶主要有以下几种形式： ( 1 ) 全垫升式气垫船 气垫船利用在船底和支承面之间形成“空气垫使船体离开水面，通过减少 与水的磨擦阻力而提高航速。全垫升式气垫船由于有复杂的垫升系统，对结构重 量要求严格，也由于使用较多的航空设备，其价格较高。 ( 2 ) 双体高速船 双体高速船由两个细长的单体船通过上层建筑连成一体。由于每个单体船的 长度较长，并且线型较理想，因此在高速航行时。阻力较单体船小，并且有较好 的稳定性、耐波性和操纵性，以及高速低阻力的特性。但是为减轻船体重量，双 体高速船采用的铝合金结构耐冲击性较差，过分的晃动和续航能力差则限制了其 应用。 ( 3 ) 水翼船 水翼船是高速运动时由水翼所产生的水动力将船体托离水面的一种高速船。 这种支托力随着航速而增，因此高速时阻力性能极佳。由于自控装置价格昂贵，增 加了船舶造价，因此作为民用船其经济性较差。水翼船由于船体升起，其航行较 平稳。但耐风浪能力较差。 可见当前民用市场的船舶高速度主要通过两个途径实现，一是以减小船舶航 行阻力为突破口如气垫船；二是通过研制特殊高速发动机，如喷水推进器。但以 但是结合对以上特殊应用场合的特点分析可知，以上船型只适合近海航行的小型 传播，在面对有速度要求的大型舰船时以上方法在稳定性、功率要求、远航安全 性和调速范围上都有差距。 对于这个问题，可以借鉴国内外现有的一种针对大型舰船的解决方法，即采 用多主机驱动。简单的说，舰船的高速度必须依赖于宽调速范围的大功率主机， 而普通的单主机动力系统要么调速范围小，要么效率低，而多主机动力系统就可 以很好地解决这个矛盾，能够在很宽的调速范围里都可以让每台主机工作在额定 第l 章绪论 功率附近，从而提高了效率多主机舰船的动力冗余也极大的提高了舰船航行的 安全性和可靠性。 相对于单主机系统，多主机系统对于舰船的脏测与控制系统也提出了新的要 求，最主要是在起动控制状态下实现各主机根据当前工况需要而自动实现启动， 调速，停车。四台主机之间的配合错综复杂，如何找到合适的控制策略是本文面 对的最大难点。 1 4 控制器件选择 下一步的工作就是带着多主机舰船对监控系统的要求对监控系统的核心即控 制器件进萼亍选择，本系统选择的控制器件为d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 即数字信 号处理器，这是由于d s p 的性能及特点适合多主机舰船的主机监控系统的要求， 下面将对d s p 的特点及d s p 型号的选择进行介绍。 1 4 td s p 器件简介 d s p 可以代表数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，也可以代表数字信号 处理技术( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) ，后者是理论上的技术，要通过前者变成实际产 品。两者结合起来就成为解决某一实际问题和实现某一方案的手段即数字信号处 理解决方案。这种集成度极高的d s p 芯片在工程应用的各种领域都发挥着巨大作 用，前景十分可观。 d s p 通常需要完成大量的计算，这些任务尽管各异，但可归纳为两类：一类 用于频谱分析的d f t ；另一类是滤波算法f i r 。以下为常用的d s p 算法，几乎包 含了d s p 算法的所有种类。 有限冲击响应滤波器 y ( 哟= a k x ( n - k ) ( 1 + 1 ) 无限冲击响应滤波器 卷积 ( 1 2 ) y ( ，z ) = x ( k ) h ( n - k ) ( 1 ，3 ) 丘i o 、， 七一阼 ，ly七 6 树 + 、， 七一疗 ，l x 以 m 脚 1 1 、， 雄 ，ly 基于d s p 的多主机舰船主机监控系统 j 离散傅立叶变换 x ( 七) = x ( n ) e x p - j ( 2 n n ) n k ( 1 4 ) 离散余弦变换 脚) = 篓咖( 引c o s t 寺u ( 2 川) ( 1 5 ) f ( “) = c ( 甜) 厂( x ) x + 1 ) ( 1 5 ) 通过以上公式可以看出其共同特点是都含有系数和信号的相乘和累加运算， ， 即。把具有以上特点的这一运算称为“乘加加 ( 或“乘累加”) 。对这些公式 k = o 的灵活应用可以解决电力即控制方面的滤波、快速响应等大多数问题，这些 可以展示d s p 程序完成的任务和d s p 运算特点。 ( 1 ) 专用乘法器 在通用处理器中，乘法是由软件实现的。它实际上是由时钟控制的一连串的 “移位- 力口法”操作，乘法操作往往需要1 0 0 个左右的时钟周期。 在数字信号处理任务中，使一次乘法运算可以在一个单指令周期内完成。硬 件乘法器也是d s p 区别于通用微处理器的一个重要标志。 ( 2 ) 采用哈佛总线结构 通用微处理器是为计算机设计的，传统的微处理器通常采用冯诺依曼总线结 构，即统一的程序和数据空间，共享程序和数据总线。 数据总线 图1 1 修正的哈佛结构 f i g 1 1m o d i f i e dh a r v a r ds t r u c t u r e 1 4 2d s p 器件型号选择 结合本系统对d s p 芯片的要求，应该重点考虑d s p 的以下几方面特点： 第1 章绪论 ( 1 ) 速度；d s p 速度一般用m i p s 或f l o p s 表示，即百万次秒钟。根据对处理 速度的要求选择适合的器件。一般选择处理速度不要过高，速度高的d s p ，系统 实现也较困难，尤其对于本系统，最主要的控制对象为柴油主机，这就意味着这 是一个低速大惯性系统，对控制芯片选择的着眼点应放在其工作的稳定性、控制 的精确性、接口的丰富性、系统搭建的方便性和价格的低廉性。 ( 2 ) 精度：d s p 芯片分为定点、浮点处理器，对于运算精度要求缀高的处理， 可选择浮点处理器。定点处理器也可完成浮点运算，但精度和速度会有影响。恧 且在价格上是否有浮点运算功能已不是器件价格的决定因素，所以在价格几乎无 差别的情况下尽量选择浮点运算型d s p 芯片，对于本系统来说也为以后的功能扩 展留下了更大的空间。 ( 3 ) 寻址空闻：不同系列d s p 程序、数据、i o 空闻大小不一，与普通m c u 不 网，d s p 在一个指令周期内能完成多个操作，所以d s p 的指令效率缀高，程序空 间一般不会有问题，关键是数据空间是否满足。数据空间的大小可以通过d m a 的 帮助，借助程序空间扩大。本系统开关量模拟量不算多，虽监测系统与控制系统 分开，所以普通d s p 的片内寻址空间已经可以满足数据与程序存储要求，但是为 调试方便，在调试阶段还是应该接入片外存储器以存储调试程序。 ( 4 ) 成本：一般应用越广泛、开发时间越早的d s p 成本越低，工艺也更稳定成 熟，对于本系统来说，追求高规格高价格是不适合的，在功能达到要求的前提下， 尽量使用价格低廉的产晶，这样能为系统懿研究和推广留有广溺空闯。 5 ) 实现方便：浮点d s p 的结构实现d s p 系统较容易，不用考虑寻址空间的阍 题，指令对c 语畜支持的效率也较高。恧对工业控制的产品外围电路更简单稳定， 电磁兼容性与抗千绕性都更胜一筹，更适合本系统的要求。 ( 6 ) 内部部件：根据应用要求，选择具有特殊部件的d s p 。如：c 2 0 0 0 适合于 工业控制，o m a p 适合于多媒体等i 卯。 可以：选择器件，r m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 以满足任务的要求及特点，并且其价格低廉， 开发环境成熟，最为符合要求。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是t l 公司专为王业控制推患的系列产品。这款d s p 将实时 基于d s p 的多主祝舰船主枧篮控系统 处理能力和控制器的外设功能集于一身，在应用广泛，技术稳定成熟，价格低廉 的外在优点之外还有如下特性：灵活的指令系统；高速的运算能力；大容量的存 储能力；有效的性能价格比，这些外在与内在特点都使t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 应用于 本系统极为适合。 在t m s 3 2 0 系列d s p 的基础之上，2 4 0 7 a d s p 还具有以下的一些特点： 采胃l 离性能静态c m o s 技术，使褥供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的功耗； 3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，从两提离了控制器的实时 控制能力。 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核，保证了1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 电码和 t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 片内商达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据程序r a m ，5 4 4 字双瓣蒯和2 k 字的单翻洲。 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位的脉宽调毒t j ( p w m ) 通道。它们能够实现：三相反相器控制；p w m 的对称和非对称波形；当外部引脚 p d p i n r t x 出现低电平时快速关闭p w m 通道；可编程的p w m 死区控制以防止上 下桥臂同时输出触发脉冲；三个捕获单元：片内光电编码器接口电路。 1 6 通道a d 转换器。 可扩展的外部存储器总共1 9 2 k 字空间：6 4 k 字程序存储空间；6 4 k 字数据存 储空间：6 4 k 字i ，o 寻址空间； 看门翻定时器模块。 l o 位a d 转换器最小转换时问药5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触发两 个s 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。 控制器局域网络( c a n ) 2 。0 b 模块。 串行通信接1 2 ( s c i ) 模块。 1 6 位的串行外设( s p i ) 接口模块。 基于锁相环的时钟发生器。 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入，输出引脚( g p i o ) 。 第l 章缝论 5 个外部中断 6 - 9 。 通过以上分析可以得知，2 4 0 7 a 数字信号处理芯片具有强大的运算能力以及 控制功能，可以满足舰船主机监控系统对实时控制方面的要求。下文将详细介绍 舰船主祝监控系统各单元的硬件电路设计。 1 5 本文所要做的工作 本文以多主机舰船为平台，以d s p 芯片为处理核心来进行多主机舰船主机监 控系统的软硬件设计。本设计所要做的工作主要有以下几点： ( 1 ) 借动d s p 对主机进行转速p i d 控制和轴输出有效功率在线测量，并以此为 基础搭建多主机舰船主机遥控系统。 ( 2 ) 基予d s p 对主机模拟量参数和开关量参数进行监测与报警，并借助p l c 、 m c g s 组态软件完成基于d s p 的监测与控制系统的功能和人机界面设计。 ( 3 ) 研究t i 公司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 处理芯片的使用，包括各模块的功 能、内部资源和编程方法等等。根据多主机监控系统的原理来设计控制系统的硬 件结构，包括信号调理电路、d s p 控制板以及系统外围电路和辅助电路。 基于d s p 的多圭机殷虢主枫监控系统 第2 章多主机舰船主机遥控系统 多主机舰船的最大特点体现在其主机遥控系统控制与各主机协调工作上，本 文将以我翻海军采用多主机推进的某老型军舰的船体为实验平台，对其主机监控 系统进行功能设计。首先简要介绍该军舰的船体规格，该船型面向军事应用采晨 四主机驱动，生产于2 0 世纪6 0 年代束期，虽然其动力性的设计能达到高速性要 求，但由于其控制系统属于早期产品，构成以模拟分离元件为主，自动化程度低， 对主机的操作需要大量人员的参与，在协调上容易出现混乱，要想让其适合现代 舰船的要求，必须对其进行监控系统的设计。所以，可以借用该型舰船的船体及 动力规格，将其作为主机监控系统的研究平台。该型船的规格数据为： 主推进装置采用四机四浆方案，四螽柴油机分别布置在前后两个机舱，通 过离会器各带一个定距浆。 主机采用1 2 v e 2 3 0 z c 型= 冲程直接回行增压柴油机。额定功率7 5 0 r m i n 时 为1 6 0 0 k w ；最大功率7 8 0 r m i n 时为1 8 0 0 k w 。 相对于主机转速的车钟分为l l 档，档位与主机对应见表2 1 表2 。l 车钟命令对应的转速表 t a b 。2 。1s p e e dc o r r e s p o n d i n gt oo r d e r l 车钟命令进6迸5进4进3进2进l停车退1退2 l 主机转速( r m i n ) 7 8 07 5 06 5 05 8 04 7 03 5 0o3 5 04 7 0 以上所列可以作为构建多主机遥控系统的最终控制对象，是设计主枧遥控系 统的物质载体，以此为出发点可以令整个设计过程的脉络更加清晰。 2 1 主机遥控系统功能概述 2 。1 。l 单主规遥控系统控制原理 对于普通单主机舰船，主机遥控系统实际上就是一个转速控制系统，包括变速、 第2 章多主机舰船主机遥控系统 停车和换向。输入量就是转速给定值，即车令；系统输出量就是主机转速；被控 对象为柴油机主机。多主机舰船的主机遥控系统在单机控制上与单主机船舶是基 本一样的，其特点主要集中在多主机协调工作与通信上。本文先讨论台主机的 工作过程，多主机的协调工作与通信在后面小节中讨论。 图2 1 主机遥控系统原理框图 f i g 2 1t h e o r yc h a r to ft e l e c o n t r o ls y s t e m 罄2 1 郎为单主机遥控系统的原理框图。作为转速给定值的车令来自有控制权 的驾驶室或操纵室，在自动控制时，车令直接送给d s p ，d s p 将根据反馈信号情 况产生相应的控制信号，控制信号经电机驱动线路变为驱动电机动作的控制信号 送到伺服电机，由伺服电机经减速齿轮带动操纵手轮转动，控制主机正确运转。 d s p 通过反馈不停的监测主机的运行情况，将反馈信号与给定值进行比较，比较 结果就是误差信号，当误差信号超出一定范围时就产生控制作用，使主机转速始 终保持在车令要求范围 1 0 - 1 3 l 。 主机遥控系统功能框图如图2 2 ，被控对象为柴油机。主机的启动，停车，调 速控制都是周操纵手轮进行的。手轮的左右转动可以完成主机的所有操作。遥控 系统的执行机构为电磁离合器，这样可以保证手动操作时手轮酶阻力不会很大。 自动控制时，电磁离合器接合，伺服电机可以带动手轮转动。 d s p 在主机运行过程中不断监测主机转速，当达到设定的飞率转速时，要立 基于d s p 的多主机舰船主机监控系统 即泄放调速器，驱动操纵手轮回到“停车位置，同时送出“飞车 声光报警， 这时，遥控系统还担负一定的安全保护和报警功能。 图2 2 主机遥控系统功能框图 f i g 2 2f r a m eo ft e l e c o n t r o ls y s t e m 主机的自动控制是在机舱操作人员做好主机运转的一切准备后，再把手轮的 控制权交给d s p 。d s p 控制执行电动机，经减速齿轮箱转动手轮，实现对主机的 启动，停车，换向和调速控制。伺服电机的作用如同操作人员的手，在控制领域 中称之为执行机构或执行器。手轮转动轴上加装凸轮，凸轮随手轮一起转动，凸 轮顶动位置开关，给出手轮在正车，倒车和停车的位置信号，该信号直接送d s p 。 d s p 需要知道主机转速，在判明需加速或减速后，再去用执行电机调节。 其紧急控制功能有以下几点： ( 1 ) 三次自动再启动功能。为了保证主机的可靠启动，当主机一次启动失败后， 能自动再次启动主机，具有三次自动再启动功能。当三次启动失败后，车令自动 回到停车位置，并发出启动失败报警信号。当车钟回到停车位置在发出启动指令 后才可重新启动。 第2 章多主机舰船主机遥控系统 ( 2 ) 紧急加速功能。当在紧急情况下，可以使用紧急加速功能，主机忽略负荷 限制以最快速率加速。 ( 3 ) 紧急换向功能。当车令由“进车”变为“倒车 或由“倒车”变为“进车 时，能自动控制主机以最快的速度完成换向操作。 g ) 紧急停车功能。在童动控制情况下，按下“紧急停车 按钮，主机迅速停车， 停车时间不大于5 秒。急停复位后方能重新启动主机。 2 。l 。2 控制信号传送与处理 控制信号传送原则为三级控制，即驾驶室遥控、操纵室遥控、机旁手动，三 个部位都可以操纵主机，但不能同时都操纵，任何时候都只能允许一个部位操作 有效。 ( 1 ) 车钟命令传送与转换 车钟命令的传送有两种工作方式，即自动方式和手动方式，自动方式又可分驾 驶室控制和集控式控制。当机旁操作部位转换开关放在自动位置，驾驶室和集控 室控制权都放在驾驶室或集控室时为自动方式。 驾驶室手柄车钟发崽的车令和集控室键盘车钟发出的车令都已连到d s p ，d s p 再根据控制权在驾驶室还是集控室而选取相应车令作为有效车令，d s p 收到有效 车令后送出命令，显示在驾驶室、集控室和机旁的车令指示灯上。 图2 3 所示为三级控制的总体布局，需要特殊指出的是其中的气胎离合器装 置，它实质上是船舶动力传动装置，是以压缩空气为操纵动力源的摩擦离合器， 它能够传递大转矩和以较快速度变换回转方向，设计中突出它的使用主要是强调 了船舶执行车令的快速性与稳定性，这也是多主机高速舰船的最主要特征和要求。 气胎离合器控制由驾驶台直接执行，在主机带动螺旋桨和脱开螺旋桨时壶控制系 统自动选择接入和脱开【l 。 气胎离合器传递转矩大，接合平稳，便于安装，吸振，使轴角向和径向相对 偏移小，从动部分惯性小，使用寿命长，结构紧凑，密封性好，气胎变形阻力大， 对于本模型中前机舱的量台长轴距柴油机尤其适合，能保证主机的寿命。其接合 元件主要采用摩擦片、摩擦块等。投入应用的有普通型( 图2 4 左) 与通风型( 图2 。4 基于d s p 的多主机舰船主机监控系统 右) 两种。普通型：靠气胎传递扭矩，结构简单，制造、安装技术要求低，散热条 件不如通风型，气胎容积较大，充气、放气时间较长，容易打滑。通风型是针对 普通型不足之处而发展起来的一种气离合器，在结构上增加了一套散热传能装置。 驾驶室 集控室 机舱 驾驶室操纵台 i d s p 控制系统d s p 监测系统气胎离合器操纵箱 i 善 z _ l 压温温压 操 力速 度度力 纵 传传 继 传 继 盒 感 感 电感电接 器器器 器 器线 盒 图2 3 三级控制布置图 f i g 2 3c h a r to ft h r e el e v e lc o n t r o l 艄鳓 螂4 鬻 图2 4 气胎离合器 f i g 2 4p n e u m a t i ct y r ec l u t c h 首先要知道如何通知d s p 控制权在集控室还是驾驶室，在控制系统中，由缓 冲器输入该选择控制信号。驾驶台、集控室、机舱的三级控制要求机舱有最高控 第2 章多主机舰船主机遥控系统 制权限，但不能遥控集控室与驾驶台，三个控制点备有一选通开关选择控制点， 当相应的控制点接通后便向遥控系统发出一高电平信号，其选通逻辑关系如图2 5 所示。 v 1 l 芰： 图2 ，5 车钟控制点选择逻辑 f i g 2 + 5l o g i cc h o i c eo f o r d e rp o i n t 如果任一部位选择手操方式( 即三个控制点的c 信号中任何一个闭台) ，则或非 门输出低电平，系统进入手操方式。如果三个部位都不在手操位置，则控制权在 集控室还是驾驶室由两路k 信号电平决定。 若k 2 为低电平，k 1 为高电平为驾驶室控制。k 2 为高电平，k l 为低电平时， 则由驾驶室发送车令到集控室，再由集控室用键盘车令去控制柴油主机。如果k 1 、 k 2 均为高电平则为联络信号，其意义为在这之前为驾驶室控制，然后驾驶室选择 开关转到集控室位置，通知集控室，驾驶室要求把驾驶权交到集控室，当集控室 也把转换开关转到集控室时，k 1 由高电平变为低电平，控制权即交到集控室。需 要注意的是机旁转换开关需经光电隔离后接入l 瞎越1 。 d s p 收到车令后立即向锁存器发出收到车令信号。经过i o 数据总线，i o 口地址译码器提供锁存器的锁存脉冲。收到车令信号经驱动芯片后，直接点亮机 旁、集控室、驾驶室的车令指示灯。在驾驶室或集控室操作时，每当改变车令， 可观察到车令的跟随情况，根据正确的返回车令就可以判明d s p 已经收到正确的 基于d s p 的多主机舰船主机监控系统 车令，同时听到短暂的铃声。 ( 2 ) 联络信号原理 联络信号是用于驾驶室、集控室和机舱间各种信号( 如备车、完车、备完等) 命令的传递和应答。其主要工作过程是这样的：主机在使用前必须向机舱下达“备 车 命令，“备车 命令下达后，机舱中“备车 指示灯亮，并伴随响铃。收到“备 车 命令后，一边着手准备主机，一边按下机舱回令按钮，通知驾驶室，此时“备 车灯灭，“备完”等闪亮并响铃，在机舱和驾驶室都可以声光复位。当用车完毕 需主机恢复原状，此时驾驶室发出“完车 信号，机舱“备完”灯灭，“完车”灯 闪亮，并响铃，机舱按回令按钮后，停闪消声。 ( 3 ) 报警信号处理 控制系统报警信号都是开关型的，而且控制系统也不必了解各参数的精确值， 只要不超限，就能保证被控对象的安全工作。所以使用结构简单，工作可靠的报 警继电器作为开关量传递器件。 主机遥控系统的报警信号主要有3 8 0 v 失电，盘车机构未锁紧，排气挡板阀未 打开，滑油压力低，出机淡水温度高，启动空气压力低，d s p 故障等。对这些报 警信号的处理一是经光电隔离输入这些信号；二是送控制显示板显示；三是报警 指示灯报警和响铃：四是形成综合报警信号送驾驶室。其中排气挡板阀未打开， 盘车机构未锁紧，机舱备完信号用作启动联锁条件，当这三个条件不满足要求时 控制系统拒绝执行启动柴油机的控制命令，这三个故障被称为“a 故障 。d s p 从缓冲器输入这三个信号，并不断从i o 总线读取该信号状态，进行或运算后从锁 存器输出，经驱动器输出点亮启动a 故障灯。若柴油机已经启动时监测到滑油压 力低信号，锁存器输出滑油压力低信号1 2 3 】。 当检测到主机超速时控制微机会利用固态继电器去控制应急停车电磁阀。当 电磁阀通电时，柴油主机调速器动力活塞上的油压被解除，从而达到减速停车。 当控制微机监测到柴油机超速时，会给应急电磁阀通电停车，同时给出超速报警 指示。 启动失败或飞车故障是控制系统在启动控制过程中或在柴油机工作过程中， 第2 章多主机舰船主机遥控系统 根据启动主机失败和主机转速超过额定转速值而输出的报警显示。d s p 用g a l 译码 器的向锁存控制线发脉冲时，该脉冲也接至时基电路触发器，使其发出间歇的闪 光脉冲，使相应的报警信号灯闪亮。 2 2 转速控制系统 2 2 1 转速控制系统结构与功能 柴油机转速控制包括转速和负荷控制两部分。所谓转速和负荷控制是指以最 佳的动态过程使主机的转速达到车令所设定的转速。转速与负荷控制回路实际上 是一个反馈控制系统。车钟设定的转速信号( 给定值) 与主机实际转速信号( 测量值) 之间的差值就是转速的偏差值，它作为速度控制的输入信号，经转速p i d 控制作 用所输出的信号去改变主机油门的开度，使主机转速达到车钟设定的转速要求。 在这个反馈控制过程中，主机实际转速的变化也应满足动态过程品质的指标。但 是，柴油机这个控制对象工作条件是比较恶劣的，它既承受较高的热负荷，又承 受较大的机械负荷，特别是现代高增压柴油机承受的热负荷和机械负荷就更大。 如果对转速和负荷控制系统一味追求动态品质指标，比如使动态过程九尽量短， 则主机就可能超负荷，特别是在大幅度改变转速操作过程中或主机变工况较大的 情况下，主机超负荷现象尤其严重。因此，在主机转速与负荷控制系统中必须增 加一些转速和负荷限制环节以保证主机工作的安全和可靠。但在紧急加速、紧急 换向、紧急停车等应急操纵的情况下，首先要考虑的是船舶的安全，而主机的安 全和可靠就是次要的，这时一些限制环节就应自动取消 2 4 - 2 8 i 。 启动转速限制 死区控制 车 最小稳定转速限制 钟 临界转速限制 转 螺旋桨特性补偿限翩 位 信 程序负荷限制 l 愚 速 增压空气限制a 置主 叟( 广 调 ky _ ， 调 机 转矩限制 号 l 节 最小油量限制 l 节 轮机长最大转速限制 倒车最大转速限制 最大油量限制 u 故障减速限制 图2 6 主机转速控制系统结构框图 f i g 2 6 f r a m eo fm a i ne n g i n er o t a t es p e e dc o n t r o l 基于d s p 的多主机舰船主机监控系统 2 2 2 主机转速测量 在测量柴油机转速时采用电磁感应式传感器，这种传感器可将转速信号转变 成一个脉冲信号输出，而脉冲信号的频率与柴油机的转速是一种线性的正比关系， 因此对柴油机转速的测量实质上是对脉冲信号的频率的测量。 整套设备的形式是这样的：在主轴上安装了齿轮a 、b 和对应的磁脉冲式测速 传感器，a 齿轮上只有一个凹齿，b 齿轮上有n 个凹齿，当主轴转动时，对应的 磁脉冲传感器产生感应信号，这样每通过一个齿，相应的传感器都会有一个电磁 脉冲发出。 图2 7 转速脉冲预处理电路 f i g 2 7p r e v i o u s l yp r o c e s sc i r c u i to ft h ei m p u l s er e l a t et or o t a t es p e e d 这时得到