船舶航跡舵控制技術(shù)研究與設(shè)計(jì)

李圓明

摘 要：航跡舵在船舶的操縱系統(tǒng)中是不可缺少的設(shè)備。對航跡舵的要求隨著運(yùn)行安全效益的提高也日益提高。綜合我國現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)因素以及現(xiàn)有的航行設(shè)備來看，文章提出了一些新的控制軌跡間接式的方法。對于軌跡的控制是文章很重要的一部分。新的軌跡控制法，也就是間接式的軌跡控制是根據(jù)原先軌跡控制的基本原理以及類型和計(jì)算航跡的基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)的。這種新的方法航跡的控制是通過控制其航向來實(shí)現(xiàn)的。這種新的控制航跡的方法在航海方面具有很大的潛力。

關(guān)鍵詞：航跡控制；航跡舵；PID控制

自動(dòng)舵只是其俗稱，全名是船舶自動(dòng)操舵儀。這個(gè)裝備是根據(jù)發(fā)出的信號指令來進(jìn)行控制航跡的。它能代替人工的操作，并且能有效保證船舶在規(guī)定的航向上航行。它的優(yōu)點(diǎn)就是減少舵手勞動(dòng)力，還能減少偏離值，從而使得航行時(shí)間的縮短，速度得到了相應(yīng)的提高，便減少了燃料的燃燒。能帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。自動(dòng)舵的功能可以分為兩種，一種是航向自動(dòng)舵，還有另一種功能是航跡自動(dòng)舵。前者的具體功能是自動(dòng)的保持或改變航向，減少偏值，而后者能夠使船舶的航線航向得到更好的控制。

1 船舶操縱控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及發(fā)展

在整個(gè)船舶的操縱系統(tǒng)中離不開自動(dòng)舵，這是一個(gè)很重要的設(shè)備，主要的功能是控制船舶的航向，人們早在20世紀(jì)20年代就開始了對自動(dòng)舵的研究工作。到現(xiàn)在為止，自動(dòng)舵一共經(jīng)歷了4個(gè)發(fā)展過程。

1.1 機(jī)械式自動(dòng)舵

德國的Aushutz和美國的Seprry早在1920年和1923年率先提出了關(guān)于機(jī)械式自動(dòng)舵的研究方法。這一設(shè)置是船舶自動(dòng)舵的雛形，其方法是最原始的采用最簡單的比例放大控制規(guī)律。被歷史稱為第一代船舶自動(dòng)舵。

1.2 PID自動(dòng)舵

經(jīng)典理論在20世紀(jì)50年代發(fā)展成為頂峰，其中存在著多種的航跡控制方法。此時(shí)的微分和積分在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。積分控制也就是相關(guān)的PID控制。日本在1950年研究出了關(guān)于PID自動(dòng)舵，被稱為北辰自動(dòng)舵。后來美國在1952年研究出了新型的Seprry自動(dòng)舵，都是采用PID來進(jìn)行控制的。本來就有的魯棒性以及參數(shù)易被調(diào)整和結(jié)構(gòu)簡單是PID自動(dòng)舵所具有的特點(diǎn)。由此PID自動(dòng)舵被廣泛的認(rèn)可。這種操作儀器幾乎存在于所有的船舶當(dāng)中。因此被稱為第二代自動(dòng)舵。

1.3 自適應(yīng)自動(dòng)舵

自適應(yīng)自動(dòng)舵有兩大類控制設(shè)計(jì)。第一種是可以根據(jù)自我校正的原理來設(shè)計(jì)的。第二種是模型的自適應(yīng)和參考來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。模式是由美國麻省理工大學(xué)教授根據(jù)在航行過程當(dāng)中出現(xiàn)的問題來設(shè)計(jì)的。自我校正是Kalman在1958年根據(jù)相關(guān)的研究提出的。那時(shí)相關(guān)航行理論和技術(shù)都不夠成熟，所以自適應(yīng)自動(dòng)舵沒有得到廣泛應(yīng)用。到了70年代人們意識到了自適應(yīng)自動(dòng)舵的優(yōu)點(diǎn)，決定將關(guān)于自適應(yīng)自動(dòng)舵的理論應(yīng)用到實(shí)際的生活當(dāng)中來。于是實(shí)際的船舶當(dāng)中也都紛紛裝上了自適應(yīng)自動(dòng)舵，于是便形成了第三代自動(dòng)舵。

1.4 智能自動(dòng)舵

由于傳統(tǒng)的方法對于控制限維、線性和時(shí)不變性具有一定的局限性，所以就要有新的控制航線方法。因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)航行當(dāng)中，其實(shí)際船舶系統(tǒng)具有不穩(wěn)定、不確定性以及復(fù)雜性和非線性。所以很難構(gòu)成精確地模型方程，甚至是沒有確定的分析式來表達(dá)。然而自適應(yīng)自動(dòng)舵所具有的穩(wěn)定性應(yīng)用到實(shí)際的航行當(dāng)中時(shí)還不能完全的達(dá)到要求，但是舵手具有很豐富的有關(guān)于這方面的知識，還是可以很好的控制航跡。所以在80年代，人們就開始研究有關(guān)于這方面的人工控制航跡的方法。這種新的人工操作舵就是第四代新自動(dòng)舵?，F(xiàn)在已經(jīng)有了三種關(guān)于這方面的智能控制，分別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)控制和模糊控制。

2 船舶運(yùn)動(dòng)控制仿真的設(shè)計(jì)

要想設(shè)計(jì)出有關(guān)于船舶運(yùn)動(dòng)控制仿真，就必須對這方面有一定的了解，才能生產(chǎn)出有關(guān)于航跡自動(dòng)舵的產(chǎn)品。只有通過好的實(shí)驗(yàn)再設(shè)計(jì)出好的產(chǎn)品，便能減少在海上的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，從而節(jié)約了能源同時(shí)也使得實(shí)驗(yàn)成本得到了降低，使產(chǎn)品更快的開發(fā)出來。設(shè)計(jì)仿真通常被應(yīng)用到船舶控制技術(shù)的研究當(dāng)中去，其仿真系統(tǒng)中一般存在著三種形式，是物理、單機(jī)和雙機(jī)仿真。

物理仿真是用試驗(yàn)船去代替真實(shí)的船去做船舶運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，其中包括靠離碼頭自動(dòng)化、船舶運(yùn)動(dòng)控制器和自動(dòng)操舵儀，還有一些其他自動(dòng)化方面的實(shí)驗(yàn)。雙機(jī)仿真則是通過真實(shí)的船舶與運(yùn)行船舶數(shù)字模型的計(jì)算機(jī)相連，這樣就可以測試船舶控制器的控制效果。單機(jī)仿真則只需要在一臺計(jì)算機(jī)上來運(yùn)行船舶運(yùn)動(dòng)的數(shù)字模型和控制器的算法，因?yàn)檫@種方法只需要在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。因此方法相對簡單，且成本低，所以被大多數(shù)采用。但是由于數(shù)學(xué)模型的精度不夠還有海況真實(shí)性難以預(yù)料等難度，單憑這一項(xiàng)研究結(jié)果也很難有可信度，但是單機(jī)仿真可以當(dāng)作一個(gè)初步驗(yàn)證手段。

對比這三種船舶運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)，最簡單是單機(jī)仿真，但這種方法只能給出初步結(jié)果。而雙機(jī)仿真為船舶控制器提供的是半物理仿真，相對于單機(jī)仿真更接近實(shí)船的控制系統(tǒng)。最接近實(shí)船控制系統(tǒng)的是物理仿真，所以物理仿真能得到更為真實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但是物理仿真系統(tǒng)需要大量資金的投入才能正常進(jìn)行。

3 航跡控制研究的有關(guān)內(nèi)容

操縱船舶的關(guān)鍵設(shè)備便是自動(dòng)舵。關(guān)于此方法的研究工作在國內(nèi)已經(jīng)有很多相關(guān)人員積極的參與，而且大多數(shù)的研究是根據(jù)船舶航跡自動(dòng)舵的預(yù)先演習(xí)來展開的。精確地計(jì)算出航跡的該變量，還要能準(zhǔn)確的控制航向舵，其最終目的都是能精確地控制航跡。主要的研究內(nèi)容有以下三點(diǎn)。第一建立在有風(fēng)、浪還有氣流的影響下的單機(jī)仿真機(jī)完成相關(guān)的船舶運(yùn)動(dòng)模型。第二要設(shè)計(jì)好航向控制器。將PID技術(shù)應(yīng)用到其中，以更好的運(yùn)用到間接式航跡控制當(dāng)中去。第三分析控制航線的可行性，并且讓其應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中去，設(shè)計(jì)和仿真專家模塊的控制。

總而言之，由于海上運(yùn)輸這一事業(yè)的日益突出，海上出現(xiàn)事故這一現(xiàn)象也日益的突出。尤其針對那些大型的游輪和承載了大量的化學(xué)用品的船舶，如果一旦出現(xiàn)了事故，極大的破壞環(huán)境造成污染，事故原因包括了相關(guān)人員操作不當(dāng)，還有天氣的因素。所以這一系列的問題就要求自動(dòng)舵應(yīng)具備的條件，能很好的控制航向，研究出即使是在有風(fēng)有浪還有天氣不好的條件下也能很好的控制航向，從而控制了船舶的航行軌跡。還應(yīng)該要適應(yīng)海上事業(yè)的發(fā)展速度，減少實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，加快產(chǎn)品的產(chǎn)生，從而節(jié)約成本。所有這一切有關(guān)于航跡控制的研究，其目的都是為了能夠給人們帶來更方便、更安全、更科學(xué)的生活。

參考文獻(xiàn)

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