船舶航迹舵控制技术研究与设计.doc

船舶航迹舵控制技术研究与设计
摘要:航迹舵在船舶的操纵系统中是不可缺少的设备。对航迹舵的要求随着运行安全效益的提高也日益提高。综合我国现有的经济因素以及现有的航行设备来看,文章提出了一些新的控制轨迹间接式的方法。对于轨迹的控制是文章很重要的一部分。新的轨迹控制法,也就是间接式的轨迹控制是根据原先轨迹控制的基本原理以及类型和计算航迹的基础上来实现的。这种新的方法航迹的控制是通过控制其航向来实现的。这种新的控制航迹的方法在航海方面具有很大的潜力。
关键词:航迹控制;航迹舵;PID控制
自动舵只是其俗称,全名是船舶自动操舵仪。这个装备是根据发出的信号指令来进行控制航迹的。它能代替人工的操作,并且能有效保证船舶在规定的航向上航行。它的优点就是减少舵手劳动力,还能减少偏离值,从而使得航行时间的缩短,速度得到了相应的提高,便减少了燃料的燃烧。能带来一定的经济效益。自动舵的功能可以分为两种,一种是航向自动舵,还有另一种功能是航迹自动舵。前者的具体功能是自动的保持或改变航向,减少偏值,而后者能够使船舶的航线航向得到更好的控制。
1 船舶操纵控制系统的现状以及发展
在整个船舶的操纵系统中离不开自动舵,这是一个很重要的设备,主要的功能是控制船舶的航向,人们早在20世纪20年代就开始了对自动舵的研究工作。到现在为止,自动舵一共经历了4个发展过程。
机械式自动舵
德国的Aushutz和美国的Seprry早在1920年和1923年率先提出了关于机械式自动舵的研究方法。这一设置是船舶自动舵的雏形,其方法是最原始的采用最简单的比例放大控制规律。被历史称为第一代船舶自动舵。
PID自动舵
经典理论在20世纪50年代发展成为顶峰,其中存在着多种的航迹控制方法。此时的微分和积分在工业领域中得到广泛的应用。积分控制也就是相关的PID控制。日本在1950年研究出了关于PID自动舵,被称为北辰自动舵。后来美国在1952年研究出了新型的Seprry自动舵,都是采用PID来进行控制的。本来就有的鲁棒性以及参数易被调整和结构简单是PID自动舵所具有的特点。由此PID自动舵被广泛的认可。这种操作仪器几乎存在于所有的船舶当中。因此被称为第二代自动舵。
自适应自动舵
自适应自动舵有两大类控制设计。第一种是可以根据自我校正的原理来设计的。第二种是模型的自适应和参考来进行设计的。模式是由美国麻省理工大学教授根据在航行过程当中出现的问题来设计的。自我校正是Kalman在1958年根据相关的研究提出的。那时相关航行理论和技术都不够成熟,所以自适应自动舵没有得到广泛应用。到了70年代人们意识到了自适应自动舵的优点,决定将关于自适应自动舵的理论应用到实际的生活当中来。于是实际的船舶当中也都纷纷装上了自适应自动舵,于是便形成了第三代自动舵。
智能自动舵
由于传统的方法对于控制限维、线性和时不变性具有一定的局限性,所以就要有新的控制航线方法。因为在现实航行当中,其实际船舶系统具有不稳定、不确定性以及复杂性和非线性。所以很难构成精确地模型方程,甚至是没有确定的分析式来表达。然而自适应自动舵所具有的稳定性应用到实际的航行当中时还不能完全的达到要求,但是舵手具有很丰富的有关于这方面的知识,还是可以很好的控制航迹。所以在80年代,人们就开始研究