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基于Visual Studio的船舶舵机操作训练平台设计和开发
亓冠华 2023/10/28 16:47:29
（泰山科技学院 泰安 271000）
摘要：液压舵机系统建模仿真技术是轮机仿真模拟器的重要基础。船舶舵机操作训练平台的设计能够为海事院校的船员考核和训练提供虚拟仿真环境。本文以拨叉式舵机系统为研究对象，采用分散式与集中式的方法进行建模，并基于Visual Studio设计船舶舵机系统的二维界面与软件系统。该设计不仅能够快速完成船舶舵机的故障检测，而且极大的提高了船员的舵机操作水平。
关键词：船舶舵机；液压系统；Visual Studio；虚拟仿真
0 引言
船舶舵机作为航向控制的关键装备对于船舶海上航行的准确性和安全性至关重要。由于海上存在海风、海浪等不确定干扰，导致舵机系统工作环境恶劣、容易出现硬件结构和软件通讯系统故障，使得船舶安全性能下降。当舵机系统发生未知故障时，船舶航向系统首先受到影响，船舶控制性能下降可能会造成海上安全事故，对于船员人身安全、船舶本身和港口的安全都会构成巨大威胁，尤其是在靠港工况下舵机系统的平稳运行十分重要。很多舵机故障产生的原因是船员操控设备不规范造成的，船员进行专业、规范的技能培训能够有效降低舵机系统出现人为故障的几率。因此，船员专业培训的收益远大于花费的时间成本和资源成本。当前国内对于轮机管理人员的技能培训正在由工作原理和海洋环境等相关知识学习向轮机模拟器应用和实物操作方向发展，帮助船员进行理论知识与实践应用相结合。因此，进一步对智能化液压舵机教学平台进行研究，将先进学习方案和智能设计方法引入到国内舵机控制训练体系中去，对船员技能水平的提高有着重要的意义[1]。
近些年来，国外很多公司对船舶舵机仿真模拟训练器的开发取得了非常显著的成绩，像英国的TRANSAS公司、德国的西门子公司以及日本的三菱公司等[2]。但是以上公司设计的仿真模拟训练器普遍存在设计模型较为简单、操作细节要求较低和操作训练流程固化的缺点，因此不利于培训人员处理舵机紧急状况和深入训练，无法满足马尼拉修正案的船员培训要求。
以PPT-2000型轮机仿真模拟器为例，作为一种功能齐全的全任务推进装置，该仿真模拟器由驾驶员室、船舱模拟器、学员训练室等部分组成[3]。系统利用二维画面生成的流程图来表示各个系统的结构，这使得人机界面繁杂不易操作。并且只有一台监控系统来对全部的系统实施监控，系统的可扩展性和可复用性较差[4]。相较而言，TERS-2000型轮机仿真模拟器具有多级别、可通用、可组合等多种优点，但在实际设计为了简化操作、增加模拟器的可视性取消了部分硬件设计，最终设计的设备存在不完整的缺点[5]。因此，为了提高我国轮机培训人员的专业基础知识和操作技能熟练性，需要设计一套设施完备、仿真程度高以及人机界面友好的智能化船舶舵机操作训练平台。
本文以舵机系统为对象展开研究，依据拨叉式液压系统工作原理，将复杂机械拆分为若干模块，进而运用相关方法和理论知识建立舵机系统的动态数学模型。舵机仿真模拟器硬件结构参照“川崎式”舵机，同时根据MSA对船员的培训要求，以及考虑舵机实际工况特点对系统做了相应的简化，以使仿真系统达到标准。最后，综合舵机系统各模块的数学模型，基于Visual Studio设计了船舶舵机操作训练平台。在Visual C#的编译环境中利用图形绘制功能和窗体应用，对系统的仿真界面进行设计，使之能够模拟舵机系统的实际工作原理和操作流程，所设计的仿真界面操作简便，并且可视性较好。
1 仿真软件界面设计
模拟界面决定了人机交互的智能化程度，它集成了允许学生执行的各种操作界面和按钮设计。在界面设计中，主要包括界面设计以及控件设计，该部分作为主要操作界面应简要易懂、可操作性强。
1.1界面底图的绘制
利用CorelDRAW矢量图形制作工具绘制系统图，界面底图根据实际的舵机液压系统绘制。舵机液压系统子界面的底图如图1所示。
图1 绘制界面底图
图1中间部分为拨叉式液压舵机，属于泵控型舵机，主要由油缸、双向变量泵、滑块、放气阀、舵柱和舵柄等组成。舵机主油路工作原理为：在电机的带动下，双向变量泵进行旋转，从低压侧抽油再经过主油路锁闭阀，将压力油供给到油缸，撞杆在油缸两侧油压差的影响下，利用滑块带动舵柄运动、驱动舵柱，从而改变舵角。在舵角达到驾驶台指令舵角时，舵机控制系统使双向变量泵的变量机构回中，双向变量泵的输出流量为零，这时油路锁闭阀工作在中位，液压系统油路产生锁闭。双向变量泵位于油箱内部，起到对闭式液压系统的冷却作用。
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