自動(dòng)舵的發(fā)展及其特性

自動(dòng)操舵控制裝置，簡(jiǎn)稱自動(dòng)舵autopilot， 是在隨動(dòng)操舵基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全自動(dòng)控制的操舵方式。它是船舶運(yùn)動(dòng)控制問題中具有特殊重要性的一個(gè)系統(tǒng)，用于航向保持/航向改變/航跡保持控制。它是根據(jù)陀螺羅經(jīng)的航向信號(hào)和指定的航向相比較來控制操縱系統(tǒng)，自動(dòng)使船舶保持在指定的航向上。由于自動(dòng)舵靈敏度和準(zhǔn)確性都較高，它替代人工操舵后，相對(duì)提高了航速和減輕了舵工的工作量。早在20世紀(jì)20年代已出現(xiàn)商品化的機(jī)械式PID自動(dòng)舵用于商船的航向保持。在此后的歷史進(jìn)程中，隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)，工藝的進(jìn)步，自動(dòng)舵的構(gòu)造變化巨大，電氣式，電子式，微型計(jì)算機(jī)化的產(chǎn)品相繼問世。目前商船均配置有自動(dòng)舵，當(dāng)定向航行且航區(qū)沒有其他船往來時(shí)，則可改手操舵為自動(dòng)舵。船舶借助螺旋槳的推力和舵力來改變或保持航速和航向，實(shí)現(xiàn)從某港口出發(fā)按計(jì)劃的航線到達(dá)預(yù)定的目的港。由此可見，操舵系統(tǒng)是一個(gè)重要的控制系統(tǒng)，其性能直接影響著船舶航行的操縱性，經(jīng)濟(jì)性和安全性。因此，船舶操縱系統(tǒng)的性能，一直被當(dāng)作是一個(gè)具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益的重要問題，引起人們的關(guān)注，并吸引著世界各國(guó)一代又一代的工程技術(shù)人員圍繞著進(jìn)一步改善該系統(tǒng)的性能這一課題而不斷地進(jìn)行研究和探索。

自動(dòng)操舵儀是總結(jié)了人的操舵規(guī)律而設(shè)計(jì)的裝置。系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對(duì)象是船，被調(diào)節(jié)量是航向。自動(dòng)舵是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，它包括：航向給定環(huán)節(jié)；航向檢測(cè)環(huán)節(jié)；給定航向和實(shí)際航向比較環(huán)節(jié)；航向偏差與舵角反饋比較環(huán)節(jié)；控制器；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；舵；舵角反饋機(jī)構(gòu)等。舵系統(tǒng)的性能主要是由控制器的性能決定的，因此自動(dòng)舵的技術(shù)發(fā)展，也主要表現(xiàn)在控制技術(shù)的推陳出新。

自動(dòng)舵的發(fā)展是隨著自動(dòng)控制理論和技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。在自動(dòng)控制理論和技術(shù)發(fā)展的不同階段，取得了不同的研究及應(yīng)用成果，開發(fā)出一代又一代新型的自動(dòng)舵產(chǎn)品，為航運(yùn)業(yè)的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。

自動(dòng)舵的發(fā)展及其特性：

船舶在海上航行時(shí)，由于受到海風(fēng)，海浪及海流等海洋環(huán)境擾動(dòng)的作用，不可避免地要產(chǎn)生各種搖蕩和航向改變，其運(yùn)動(dòng)形式可以分為兩大類：一是船舶的操縱運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)是船舶的搖蕩運(yùn)動(dòng)。所謂操縱運(yùn)動(dòng)是指駕駛者借助于操縱裝置，來改變或保持船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；而搖蕩運(yùn)動(dòng)是指在風(fēng)，浪，流的干擾下產(chǎn)生的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

自從20世紀(jì)20年代機(jī)械式自動(dòng)舵應(yīng)用于船舶航向控制到現(xiàn)在航向自動(dòng)舵及其控制算法發(fā)展可以劃分為四個(gè)階段：

（1）第一代機(jī)械自動(dòng)舵：經(jīng)典控制的自動(dòng)舵，率先推出自動(dòng)舵產(chǎn)品的是德國(guó)和美國(guó)。德國(guó)的Aushutz和美國(guó)的Sperry分別于1920年和1923年獨(dú)立研制成了機(jī)械式的自動(dòng)操舵儀，其出現(xiàn)是一個(gè)重要里程碑，因?yàn)樗谷藗兛吹搅嗽诖安倏v方面擺脫體力勞動(dòng)實(shí)動(dòng)自動(dòng)控制的希望。機(jī)械式自動(dòng)舵只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的比例控制，這種自動(dòng)舵需要采用低增益以避免震蕩，只能用于低精度的航向保持。

（2）第二代PID自動(dòng)舵：20世紀(jì)50年代，隨著電子學(xué)和伺服機(jī)構(gòu)理論的發(fā)展與集控制技術(shù)和電子器件的發(fā)展成果于一體的PID自動(dòng)舵橫空出世，使得航向自動(dòng)舵的控制精度明顯提高。缺陷是對(duì)外界變化應(yīng)變能力差，操舵頻繁，幅度大，能耗顯著。如對(duì)海浪高頻干擾，PID控制過于敏感，為避免高頻干擾引起的頻繁操舵，常采用“死區(qū)”非線性來進(jìn)行天氣調(diào)節(jié)，但死區(qū)會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的低頻特性惡化，產(chǎn)生持續(xù)的周期性偏航，這將引起航行精度降低，能量消耗加大；此外，當(dāng)船舶的動(dòng)態(tài)特性 速度，載重，水深，外型或外界條件風(fēng)浪流等發(fā)生變化時(shí)，控制參數(shù)需連續(xù)地進(jìn)行人工整定，不合適的控制參數(shù)的控制器將導(dǎo)致差的控制效果，如操舵幅度大，操舵頻繁等，而人工整定參數(shù)很麻煩。

（3）第三代自適應(yīng)舵：20世紀(jì)60年代未，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自適應(yīng)理論的發(fā)展，人們到注意到將自適應(yīng)理論引入船舶操縱成為可能，瑞典等北歐國(guó)定的一大批科技人員紛紛將自適應(yīng)舵應(yīng)用到實(shí)船上，繼而正式形成了第三代自動(dòng)舵。自適應(yīng)舵在提高控制精度，減少能耗方面取得了一定的成績(jī)，但物理實(shí)現(xiàn)成本高，參數(shù)調(diào)整難度大，尤其是船舶的非線性和不確定性使得控制效果難以保證，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。70年代初期，JvAmernogen等人，就開始研究基于模型參考自適應(yīng)控制的自動(dòng)操舵儀。70年代中期，KJAStorm等人研究了基于自校正控制的自適應(yīng)操舵議。自校正控制系統(tǒng)包括被控制對(duì)象和自校正控制器兩部分。當(dāng)船舶在變海況，變速，變載航行時(shí)，舵角也在相應(yīng)的改變。由于船舶運(yùn)動(dòng)及加在其上擾動(dòng)的數(shù)學(xué)模型參數(shù)是不斷變化的，因此必須通過在線辯識(shí)來實(shí)時(shí)辨識(shí)變化著的數(shù)學(xué)模型參數(shù)。自校正控制器的功能就是使數(shù)學(xué)模型的參數(shù)能在系統(tǒng)投入運(yùn)行后動(dòng)整定，且當(dāng)模型參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，控制器本身也能修正自己的參數(shù)。使控制系統(tǒng)在指定的性能指標(biāo)下（動(dòng)舵次數(shù)最少，偏航幅最小）盡可能接近最優(yōu)。因此其制成的自動(dòng)舵，控制規(guī)律采用最小方差自適應(yīng)調(diào)節(jié)器算法。具有適應(yīng)能力良好，附加阻力小的優(yōu)點(diǎn)。

（4）第四代智能舵：20世紀(jì)80年代以來，人們開始探索類似于人工操舵的智能方法，嘗試著將其具有自適應(yīng)，自學(xué)習(xí)，自優(yōu)化，自整定能力的智能控制，其中又可分為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，模糊邏輯控制，混合智能控制，應(yīng)用于船舶航向控制技術(shù)，產(chǎn)生了第四代智能式自動(dòng)舵。第四代智能舵對(duì)于過程模型存在的不確定性，干擾以及量測(cè)噪聲都具有良好的魯棒性，使得自動(dòng)舵的控制性能從自適應(yīng)性，魯棒性，穩(wěn)定性等等各個(gè)方面均有了明顯的改善和提高。不足之處是控制器復(fù)雜，參數(shù)調(diào)整仍然相對(duì)較難。

船舶的自動(dòng)化，從船舶在機(jī)艙設(shè)置集中控制室到出現(xiàn)無人機(jī)艙值班和駕駛臺(tái)對(duì)主機(jī)遙控操作及監(jiān)測(cè)，船舶機(jī)艙自動(dòng)化已大勢(shì)所趨。計(jì)算機(jī)功能代替復(fù)雜的電子線路，發(fā)出操舵指令，送到執(zhí)行中心，自動(dòng)校正控制的相關(guān)參數(shù)，代替繁瑣的人工指令，使船舶舵發(fā)展成為一個(gè)具有自適應(yīng)功能的接受指令的自動(dòng)舵。近年來，國(guó)內(nèi)的學(xué)者對(duì)自適應(yīng)控制的研究也相當(dāng)活躍，他們?cè)谙嚓P(guān)的學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了許多研制成果。自適應(yīng)模糊控制，專家控制，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)控制也取得很大進(jìn)步。國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)均表明今后的自適應(yīng)技術(shù)將朝著智能化的方向發(fā)展。