試述基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)研究

1、試述基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)研究    論文關(guān)鍵詞：船舶輔鍋爐 虛擬現(xiàn)實 控制論文摘要：結(jié)合實船燃油輔鍋爐的實際情況和具體操作要求，通過建立維模型、人機(jī)交互、Web 3D網(wǎng)頁瀏覽技術(shù)等米構(gòu)建船舶輔鍋爐虛擬操控系統(tǒng)，達(dá)到以虛擬操作代替實際操作，節(jié)省開支、實現(xiàn)遠(yuǎn)程培訓(xùn)、以及人機(jī)交互的目的，克服了船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)實際訓(xùn)練中不可避免的資源消耗、維護(hù)費用高等難題。輔鍋爐是船舶動力裝置中的重要組成部分其控制的可靠性和經(jīng)濟(jì)性對保證船舶安全航行有著重要的意義。船舶輔鍋爐是一個多輸入、多輸出且相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜的控制對象，其實際操作必須遵循嚴(yán)格的步驟，在實習(xí)和教

2、學(xué)環(huán)節(jié)中，實現(xiàn)每個人都進(jìn)行實際操作有難度。因燃油運行成本且可能出現(xiàn)操作失誤，會給實習(xí)和教學(xué)帶來一定的困難和不安全因素。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)生，這些問題將逐步得到解決。1 控制系統(tǒng)的組成輔鍋爐是船舶上最早實現(xiàn)自動控制的裝置之一，其控制項目包括：水位自動控制，燃燒自動控制 ，鍋爐點火及燃燒 時序 自動控制和 自動安全保護(hù)。1)水位自動控制?？刂平o水量的多少，使進(jìn)人鍋爐的給水量大致大于鍋爐的蒸發(fā)量。在蒸發(fā)量比較小、蒸汽壓力比較低的船舶輔鍋爐中，大部分采用雙水位自動控制系統(tǒng)。雙水位控制系統(tǒng)指輔鍋爐的水位可以在一定范圍內(nèi)波動，輔鍋爐水位所允許的變化范圍是 60120 mm。當(dāng)水位下降到水位下限時，自動起

3、動給水泵 ，給水泵開始向輔鍋爐供水，輔鍋爐水位就會逐漸升高 ；當(dāng)給水量達(dá)到一定限度，也就是水位上限時，給水泵自動停止工作，不再向輔鍋爐供水。 2)燃燒自動控制。被控量是輔鍋爐內(nèi)的蒸汽壓力，根據(jù)汽壓的高低自動改變進(jìn)入爐膛的噴油量和送風(fēng)量。 對貨船輔鍋爐，燃燒自動控制系統(tǒng)的要求簡單、可靠，對輔鍋爐運行的經(jīng)濟(jì)性要求不是很嚴(yán)格，大多數(shù)這樣的輔鍋爐采用汽壓的雙位控制，少數(shù)采用比例控制，并保證輔鍋爐在不同負(fù)荷下，其送風(fēng)量基本適應(yīng)噴油量的要求。在油船輔鍋爐中，要求汽壓必須穩(wěn)定，同時對輔鍋爐的運行經(jīng)濟(jì)性要求比較高，這樣輔鍋爐才能在不同的負(fù)荷情況下，保證有一個最佳的風(fēng)油比，所以通常采用比例積分控制或更好的控制算

4、法。3)點火及燃燒時序控制。給鍋爐一個起動信號后，按時序的先后進(jìn)行預(yù)掃風(fēng)、預(yù)點火、噴油點火，點火成功后對鍋爐進(jìn)行預(yù)熱，接著轉(zhuǎn)入正常燃燒的負(fù)荷控制階段，同時對鍋爐進(jìn)行一系列的安全保護(hù)。按下輔鍋爐啟動按鈕后，自動啟動燃油泵和鼓風(fēng)機(jī)，關(guān)閉燃油電磁閥使燃油在輔鍋爐外面循環(huán)，此時風(fēng)門開的最大，以最大風(fēng)量進(jìn)行預(yù)掃風(fēng)，防止?fàn)t內(nèi)殘存的油氣在點火中產(chǎn)生冷爆。預(yù)掃風(fēng)的時間根據(jù)輔鍋爐的結(jié)構(gòu)形式不同而異，一般是 206O S。達(dá)到預(yù)掃風(fēng)的時問后自動關(guān)小風(fēng)門，同時點火電極打出火花進(jìn)行預(yù)點火，時間約為3 S。然后打開燃油電磁閥或開大回油閥，或讓一個油頭噴油工作，即以小風(fēng)量和少噴油進(jìn)行點火。點火成功后，先維持一段 時間低火

5、燃燒，對輔鍋爐進(jìn)行預(yù)熱，再開大風(fēng)門關(guān)小 回油閥或增加一個油頭向爐膛噴油，使輔鍋爐轉(zhuǎn)入高火燃燒，即進(jìn)入正常燃燒的負(fù)荷控制階段。在預(yù)定的時間內(nèi)若點火不成功或風(fēng)機(jī)失壓、中間熄火等，會自動停爐，待故障排除后按恢復(fù)按鈕使時序控制恢復(fù)到起動前的狀態(tài)，方能重新起動輔鍋爐 。 2 設(shè)計的實現(xiàn) 該系統(tǒng)采用 TCPIP結(jié)構(gòu)，是一個開放 的模塊化環(huán)境 ，系統(tǒng) 的管理和三維模型 的實時渲染都在 web服務(wù)器上運行 ，客戶端只要連接到 Internet上的任意一 臺計算機(jī)，下載一個很小的網(wǎng)頁插件就可以遍覽該系統(tǒng)。而它的實現(xiàn)方式就是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸反映三維場景的模型文件，用戶根據(jù)自己的需求將相應(yīng)的模型文件下載到客戶端，通過網(wǎng)

6、頁插件來提供對模型文件的動態(tài)實施和實時渲染。 3 三維實體模型的建立維實體模型是該系統(tǒng)實現(xiàn)漫游和交互的基礎(chǔ)，模型的好壞直接影響運行的效果和客戶端瀏覽的逼真度。粗糙 的模型，不能給人視覺上的美感，失去原有實體模型 的真實性；模型建得過細(xì)，就會降低場景圖形的繪制效率，同時給渲染和計算機(jī)的顯示帶來麻煩，因此建模過程中，平衡模型細(xì)節(jié)度和復(fù)雜度顯得尤為重要。 采用 3ds max進(jìn)行建模。逐級對船舶輔鍋爐的組成部分，各組成部分中的零部件進(jìn)行分割，根據(jù)部件的形狀和工作特征，選擇不同的建模方法，然后把個部件組合成完整的三維場景，最后導(dǎo)入到虛擬編輯器(VRP編輯器)，以供底層的程序進(jìn)行控制，形成一個完整動態(tài)模

7、型。 4 交互功能的實現(xiàn) 在交互功能的實現(xiàn)過程中，首先使用 VisuaC+中的 MFC框架來設(shè)計服務(wù)器的用戶界面根據(jù)界面定義的功能，使用網(wǎng)絡(luò)類作為基類來設(shè)計一個專門處理自己窗口通信消息的網(wǎng)絡(luò)對象通過消息函數(shù)(CRemoteTestDlg：()nButtonStartVrp()調(diào)入設(shè)計的三維場景，通過控件定義相應(yīng)事件處理函數(shù)來驅(qū)動三維場景，從而實現(xiàn)對j維場景 中模型的控制 。 在=三維虛擬文件與 HIMI 網(wǎng)頁結(jié)合上采用超鏈接的方式：在 HTMI 網(wǎng)頁中，通過超鏈 接的設(shè)置來實現(xiàn)同維虛擬文件的結(jié)合。瀏覽者可以通過激活超鏈接來實現(xiàn)網(wǎng)頁與虛擬現(xiàn)實場景的轉(zhuǎn)換，雙方的平面顯示空間不受約束，為場景中的一些

8、重要細(xì)節(jié)呈現(xiàn)提供更廣闊的空間。例如，當(dāng)用戶點擊視點切換文本框 中的一個超鏈接 ，維虛擬場景中的視點就會 自動切換到相對應(yīng)的場景。 以輔鍋爐水位控制算法程序為例說明交互的實現(xiàn)機(jī)制 。 水位控制的算法分為水位控制的運動算法和模擬水的行為算法。水位控制的運動算法相對簡單 ，根據(jù)鍋爐的運行狀態(tài) ，水位做相應(yīng)的變化 ，可以勻速上升、勻速下降、加速上升、加速下降以及在某一水平線的波動。模擬水的行為算法是實現(xiàn)水位控制虛擬化的核心，采用四連通的五位區(qū)域采樣方法，將四連通周圍的五個點求平均值；通過引入阻尼系數(shù)來模擬水波上升或下降的震動效果，并反映到導(dǎo)航圖中；然后通過激活水波使整個水位控制更接近實際，真正達(dá)到虛擬

9、仿真的效果以下是模擬水的行為算法的部分程序： for Y：一1 toM AXY一 do again for x：一 1 to MAXY一 1 do again xDiff：一Trunc(WaveMapEx+1，y一WaveMapEx)； yDiff：一Trunc(WaveMapE X，y+1一WaveMapE xy2)； xAngle：arctan(xDiff)； xRefraction：一aresin(sin(xAngle)rlndex)； xDisplace：一Trunc(tan(xRefraction) xDiff)； yAngle：arctan(yDiff)； yRefraction：

10、一arcsin(sin(yAngle)rlndex)； yDisplace：=Trunc(tan(yRefraction) yDiff)； if xDiff<0 then begin當(dāng)處在高水位時 ，殲始下降if yDiff< 0 thennewcolor：=BackgroundImageX xDisplace，YyDisplace； else newcolor：一Backgroundhnagex x1)isplace，Y+yDisplace； if yDiff<0 then當(dāng)處于低低水位時，開始上升newcolor：一 BackgroundlmagexxI)isplace，

11、YyDisplace； else newcolor：-_BackgroundlmageX xI)isplace，Y+yDisplace；Targetlmagex，y end； end； 5 結(jié)束語 從開發(fā)高度逼真的船舶輔鍋爐系統(tǒng)的實際需要開發(fā)，設(shè)計出一種純軟件控制系統(tǒng)，在獨立的PC機(jī)上運行，將船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)虛擬到計算機(jī)上，操作人員調(diào)用內(nèi)存中的船舶輔鍋爐操控系統(tǒng)的 維圖形 ，(用 鼠標(biāo)控制瀏覽方 向)對三維對象進(jìn)行虛擬控制，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬動態(tài)設(shè)備，仿真出與實際設(shè)備相近的運行過程，彌補(bǔ)傳統(tǒng)操作流程上真實感的不足。 同時利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供的高速運行環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)多人遠(yuǎn)程實時操作和三維模型的瀏覽和交互動態(tài)演示，讓操作者與電腦實現(xiàn)人機(jī)交互，如同身臨其境，達(dá)到替代實際現(xiàn)場操作的目的，克服了實際操作的單一性和危險性等缺點，降低了船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)運行演示的成本以及船舶輔鍋爐誤操