学校编码：10384 分类号 密级

学学编号：23220121153027 UDC

硕 士 学 位 论 文

水动力加载控制系统的设计与实现

Design and Implementation of Hydrodynamic Load

Control Systems

吴立业

指导教师姓名： 余 臻 教 授

专 业 名 称： 检测技术与自动化装置

论文提交日期： 2015 年 5 月

论文答辩日期： 2015 年 0 月

学位授予日期： 2015 年 0 月

答辩委员会主席：

评阅审阅评审人：

2015 年 5 月

基于WCF

的煤炭分布式薪资系统研究与实现

郑培旭

指导教师：

罗键教授

厦门大学

水动力加载控制系统的设计与实现

吴立业

指导教师

余臻教授

厦门大学

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本人呈交的学位论文是本人在导师指导下,独立完成的研究成

果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均

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另外，该学位论文为（ ）课题（组）

的研究成果，获得（ ）课题（组）经费或实验室的

资助，在（ ）实验室完成。（请在以上括号内填写课

题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特

别声明。）

声明人（签名）：

年 月 日

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本学位论文属于：

（ ）1.经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文，

于 年 月 日解密，解密后适用上述授权。

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应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密

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为公开学位论文，均适用上述授权。）

声明人（签名）：

年 月 日

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摘要

I

摘要

船舶舵装置是操控船舶航行方向的关键设备。船舶在水中航行时，是通过利

用作用于舵叶上的水动力来控制航行方向。研究船舶舵装置在水中航行时的各项

性能指标，最准确有效的方法是使用真实的船舶在真实的水中环境下进行，但这

种方法是极不经济和现实的。如果能在室内条件下，通过一套加载控制系统，模

拟水中环境，为船舶舵装置提供航行时所受的相应水动力，便能够克服环境条件，

为船舶舵装置的设计和研究带来极大的便利。这便是本文的研究对象——水动力

加载控制系统。本文的工作要点总结如下：

1、详细阐述水动力加载控制系统的理论基础。从舵的简介到舵的受力分析，

再到舵的水动力计算，一步步阐明舵角——水动力曲线的计算生成过程。从数字

PID 控制器的公式推导，到位置型和增量型数字 PID 控制算法的对比及其程序逻

辑流程图，再到 PID 控制参数的常用整定方法，系统地介绍如何运用数字 PID

控制器。

2、搭建水动力加载控制系统的硬件环境。深入研究 PCI-1716 数据采集板卡

模拟输入输出功能的实现，全面测试对比单点数据采集和不同数据传输模式下的

批量数据采集，择优选择最佳的模拟信号采集方案。介绍电液比例溢流阀的工作

原理，分析电液比例溢流阀的控制特性，测试选定合适的控制量上下限。

3、开发水动力加载控制系统的配套软件。简要描述软件开发环境及其搭建

配置要点，详细阐述软件系统三层架构的总体设计方法，分层介绍表示层、业务

逻辑层和数据访问层的主要作用，并结合实际代码，着重讲解部分重点功能的实

现方法。

4、测试运行水动力加载控制系统，分析系统运行结果。介绍系统的主要运

行界面，给定不同的阶跃信号和斜坡信号，分析系统的实时响应曲线，验证系统

开发设计的成功性。

系统实际运行测试结果表明，系统能够根据舵角信号计算出相应的给定水动

力，运用数字 PID 控制器，通过电液比例溢流阀和液压缸等执行元件产生相应

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摘要

II

的实际力。无论给定水动力是阶跃信号，还是斜坡信号，系统都能够做到良好的

控制，实际力稳定跟踪上给定力，响应速度快，超调量小，稳态误差低。所以说

系统的设计开发是成功的。

关键词：加载控制系统；PCI-1716；PID 控制

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Abstract

III

Abstract

Rudder device is the key equipment to steer the ship sailing direction. Ships

sailing in the water are through the use of hydrodynamic forces acting on the rudder

blade to control the sailing direction. The most accurate and effective method to

research the status and performance of the ship rudder in the water is to use a real ship

in the real water environment, but this method is extremely economical and practical.

If we can use a load control system to simulate the water environment to provide ship

rudder the corresponding hydrodynamic forces under laboratory conditions, then it

will be able to overcome the environmental conditions and bring great convenience

for the design and research of ship rudder. The hydrodynamic load control system is

the research object of this paper.

In this paper, the Advantech 610H IPC, Advantech PCI-1716 high resolution

multifunction data acquisition board and ZHYYSC-F electro-hydraulic proportional

control system were chosen as the hardware equipments to build the hydrodynamic

load control system, and by using the computer control technology and digital PID

control algorithm, the software system was written in C# programing language on the

Microsoft Visual Studio 2008 software development platform, combined with the

SQL Server 2005 database software and open-source chart control ZedGraph.

Firstly, the paper appropriately described the system function, work principle and

the theoretical basis, which included the hydrodynamic characteristics of rudder and

the digital PID control algorithm. Then, the paper described the hardware design and

software design of the hydrodynamic load control system in detail, which included the

function and using method of Advantech PCI-1716 board, the advantages and control

features of electro-hydraulic proportional overflow valve, the general design of

software system and the detailed design of some important software function. And in

the final part, the paper showed us the system test results and analysis of the results.

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Abstract

IV

The system test results showed that, the system not only can calculate out the

corresponding hydrodynamic forces according to the real-time rudder angle signal

collected by the PCI-1716 board, simulate the water environment to provide the

corresponding hydrodynamic forces on the rudder by using the electro-hydraulic

proportional overflow valve and hydraulic cylinder, but also can save the real-time

data into database and depict the real-time curve on the software interface. So the

system is successful.

Key Words: Load Control System; PCI-1716; PID Control.

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目录

V

目录

第一章 绪论 .......................................................................................... 1

1.1 课题研究背景和意义 ................................................................................. 1

1.2 国内外发展概况 ......................................................................................... 2

1.3 主要工作内容及章节安排 .......................................................................... 3

第二章 系统概述与理论基础 ............................................................... 5

2.1 系统概述 ..................................................................................................... 5

2.1.1 系统组成 .............................................................................................. 5

2.1.2 工作原理 .............................................................................................. 6

2.1.3 系统功能 .............................................................................................. 7

2.2 襟翼舵的水动力特性 ................................................................................. 7

2.2.1 襟翼舵简介 .......................................................................................... 7

2.2.2 舵的受力分析 ...................................................................................... 9

2.2.3 水动力计算 ........................................................................................ 11

2.3 数字 PID 控制理论................................................................................... 13

2.3.1 PID 控制原理 ..................................................................................... 13

2.3.2 数字 PID 控制算法 ............................................................................ 15

2.3.3 PID 参数整定方法 ............................................................................. 20

2.4 本章小结 ................................................................................................... 23

第三章 系统的硬件设计 ..................................................................... 24

3.1 研华 PCI-1716 数据采集卡 ...................................................................... 24

3.1.1 PCI-1716 与 PCLD-8710BNC ............................................................ 24

3.1.2 模拟输入信号采集 ............................................................................. 26

3.1.3 模拟信号输出 .................................................................................... 34

3.2 电液比例溢流阀 ....................................................................................... 35

3.2.1 电液比例溢流阀简介 ......................................................................... 35

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目录

VI

3.2.2 电液比例溢流阀的控制特性 ............................................................. 37

3.3 本章小结 ................................................................................................... 38

第四章 系统的软件设计 ..................................................................... 39

4.1 软件开发环境搭建与配置 ........................................................................ 39

4.1.1 软件开发环境介绍 ............................................................................. 39

4.1.2 环境搭建与配置步骤 ......................................................................... 41

4.2 软件系统的总体设计 ............................................................................... 46

4.2.1 三层架构 ............................................................................................ 46

4.2.2 表示层（UI） .................................................................................... 47

4.2.3 业务逻辑层（BLL） ......................................................................... 48

4.2.4 数据访问层（DAL） ......................................................................... 50

4.3 软件系统的详细设计 ............................................................................... 51

4.3.1 双线程的应用 .................................................................................... 51

4.3.2 中断式批量信号采集及滤波 ............................................................. 53

4.3.3 数字 PID 控制算法 ............................................................................ 56

4.3.4 动态曲线显示 .................................................................................... 57

4.4 本章小结 ................................................................................................... 61

第五章 系统运行与测试 ..................................................................... 62

5.1 系统运行界面 ........................................................................................... 62

5.2 系统运行结果与分析 ............................................................................... 65

5.3 本章小结 ................................................................................................... 68

总结与展望 ........................................................................................... 69

参考文献 ............................................................................................... 70

作者在攻读硕士学位期间发表的论文 ................................................ 72

致谢 ....................................................................................................... 73

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Contents

VII

Contents

Chapter 1 Introduction ....................................................................... 1

1.1 Research Backgroud and Significance ...................................................... 1

1.2 Overview of Development at Home and Abroad ...................................... 2

1.3 Main Contents and Chapters Arrangement ............................................. 3

Chapter 2 System Overview and Rationale ....................................... 5

2.1 System Overview ........................................................................................ 5

2.1.1 System Components .............................................................................. 5

2.1.2 System Works ....................................................................................... 6

2.1.3 System Function.................................................................................... 7

2.2 Hydrodynamic Characteristics of Flap Rudder ....................................... 7

2.2.1 Introduction of Flap Rudder .................................................................. 7

2.2.2 Force Analysis of Rudder ...................................................................... 9

2.2.3 Hydrodynamic Calculation .................................................................. 11

2.3 Digital PID Control Theory ..................................................................... 13

2.3.1 PID Control Theory ............................................................................ 13

2.3.2 Digital PID Control Algorithm ............................................................ 15

2.3.3 PID Parameters Tuning Method .......................................................... 20

2.4 Summary .................................................................................................. 23

Chapter 3 System Hardware Design ................................................ 24

3.1 Advantech PCI-1716 Data Acquisition Card .......................................... 24

3.1.1 PCI-1716 and PCLD-8710BNC .......................................................... 24

3.1.2 Analog Input Signal Acquisition ......................................................... 26

3.1.3 Analog Signal Output .......................................................................... 34

3.2 Electro-hydraulic Proportional Relief Valve .......................................... 35

3.2.1 Introduction of Electro-hydraulic Proportional Relief Valve ................ 35

3.2.2 Control Characteristics ........................................................................ 37

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Contents

VIII

3.3 Summary .................................................................................................. 38

Chapter 4 System Software Design .................................................. 39

4.1 Software Development Environment ...................................................... 39

4.1.1 Introduction of Software Development Environment ........................... 39

4.1.2 Build and Configuration Steps............................................................. 41

4.2 Overall Design of Software System ......................................................... 46

4.2.1 Three-tier Architecture ........................................................................ 46

4.2.2 Presentation Layer (UI) ....................................................................... 47

4.2.3 Business Logic Layer (BLL) ............................................................... 48

4.2.4 Data Access Layer (DAL) ................................................................... 50

4.3 Detailed Design of Software System ........................................................ 51

4.3.1 Dual-threaded Applications ................................................................. 51

4.3.2 Interrupt Type Batch Signal Acquisition and Filtering ......................... 53

4.3.3 Digital PID Control Algorithm ............................................................ 56

4.3.4 Dynamic Curves Show ........................................................................ 57

4.4 Summary .................................................................................................. 61

Chapter 5 System Operation and Testing ....................................... 62

5.1 System Operation Interface ..................................................................... 62

5.2 System Operation Results and Analysis .................................................. 65

5.3 Summary .................................................................................................. 68

Conclusion and Prospect ..................................................................... 69

References ............................................................................................ 70

Released Papers ................................................................................... 72

Acknowledgements .............................................................................. 73 厦门大学博硕士论文摘要库

第一章 绪论

1

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

随着我们国家科学技术与海洋事业的不断发展，各项海洋开发工作对船舶各

方面性能的要求越来越高，特别是对船舶操纵性能的要求，因为它往往直接关系

着航行任务的成功与否，而船舶舵装置正是操控船舶航向的关键性设备，船舶在

水中航行时是通过利用作用于舵叶上的水动力来控制航行方向的，所以对高性能

船舶舵装置的研究是十分重要的。

研究船舶舵装置在水中航行时的各项性能指标，最准确有效的方法是通过真

实的船舶在真实的水中环境下进行，但在真实环境下进行研究需要消耗大量的人

力物力财力，这对于船舶舵装置的设计和开发是非常不现实的，也是非常不经济

的。因此，如果能够采用半实物仿真技术，通过在室内条件下，构建水动力加载

控制系统，模拟水中环境，提供船舶舵装置在水中航行时受到的相应水动力，便

能够克服环境因素，给船舶舵装置的研发和设计带来了极大的便利。并且这种半

实物仿真技术还兼具良好的稳定性、可靠性、全天候、无破坏性、可重复性、容

易实现以及操作简单等诸多优点，其经济性更是其他方法所无法比拟的[1]。

本文研究的水动力加载控制系统，属于电液式加载控制系统，是船舶电液半

实物仿真系统的重要组成部分之一。它可以根据船舶舵装置的相关参数信息，通

过电液比例溢流阀及液压缸等电液驱动方式执行元件，模拟产生类似真实船舶在

水中航行时舵装置所受到的水动力，并把该水动力加载于船舶舵装置上，让船舶

舵装置处于与船舶实际航行时相同的工作状态，这样就能够全面地考核和检验船

舶舵装置在实际航行状态下的可靠性、动态性和控制精度等各项性能指标是否达

到设计需求，为新型船舶舵装置的研究和设计提供可靠的实验数据，与此同时，

它还具有节省研究和设计的经费投入，缩短研究设计周期等优点。

近年来，由于国际形势的不断变化，以及国防事业发展的需求，对船舶操纵

性能的要求越来越高，所以对水动力加载控制系统的研究也显得越来越重要。也

正是因为水动力加载控制系统不仅能够为新型船舶及船舶舵装置的设计研究提

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水动力加载控制系统的设计与实现

2

供可靠的实验数据，还能够克服环境因素大大节省经费开支和缩短研究周期，所

以它也一直受到国际上众多控制及仿真领域学者们的重视，以及各国政府及科研

院所的青睐。如何开发设计出加载精度高、响应速度快的水动力加载控制系统一

直都是液压控制领域的热点课题[2]。

1.2 国内外发展概况

加载控制系统也可以称为负载模拟器，研发之初是为了验证相关系统在复杂

环境下能否保持良好的运行状态，于是通过负载模拟器即加载控制系统，依据该

系统在运行中的负载状况对其进行相应的力矩加载，从而克服环境条件，全面核

查该系统在加载状态下的控制精度、响应速度和动态性能等[3]。

纵观国内外加载控制系统的发展历史，最开始出现的加载控制系统是机械式

负载模拟器，虽然其结构简单、成本低，但也存在诸多缺点，从而引发了学者们

的进一步思考和研究。于是在 20 世纪 70 年代初，便有了第一台电液式加载控制

系统，由日本长冈科学技术大学研制[4]。由于电液式加载控制系统控制精度高、

频带宽、力矩较大等优点，各国的诸多公司和研究所也都纷纷加入了研发行列，

并相继推出了一些产品。在国外，1979 年美国将航空负载力矩模拟器申报为专

利，并将该模拟器投入到导弹性能的实际测试过程中，紧接着来自美国 CARCO

公司的研发人员成功研制了一系列四轴空气动力加载控制系统，系列编号为

S105，总共包含了七个不同的型号[5]，美国 BOEING 公司成功研发制造了 CSAL

型导弹舵面空气动力舵力矩加载控制系统，来自瑞士的 CONTRAVES GOERZ 公

司也相继发布了 ADFL-2 型号负载模拟器，韩国釜山大学的机械自动控制系也成

功研发了一种无阀控制电液加载控制系统[6]。在国内，我国科技研究人员于上世

纪 70 年代也相继开展了对电液式加载控制系统的研制，并推出不少不俗的研究

成果。其中，北京航空航天大学率先做出了重大突破，在 1990 年的时候，成功

研制生产了一台 YCK-1 型加载控制系统[7]，1998 年洛阳的 014 中心自主研发设

计了一台导弹舵面空气动力加载控制系统[8]，而在 2000 年的时候，哈尔滨工业

大学也成功研发制造了一套电液式的船舶加载控制系统，整套加载控制系统可以

划分为三个子系统，分别是施力系统、船舶操控系统和惯性加载系统，其中的施

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Degree papers are in the “Xiamen University Electronic Theses and

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