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--船舶舵机建模与航迹舵系统研究.docx硕士学位论文一船舶舵机建模与航迹舵系统研究哈尔滨工程大学硕士学位论文摘要随着航运业的发展,港口口趋繁忙,对船舶航行的安全性和经济性要求不断提高,对航向、航迹的控制精度要求也越来越高;现有的船舶控制系统以航向控制或间接航迹控制系统为主,其控制性能和结构都有待进一步的提高。因此,综合考虑船舶控制系统的各个部分如舵机伺服系统,设计控制精度高的船舶控制系统己成为当今一个重要的研究课题。木课题的主要任务是在实际液压舵机模型和船舶四自由度模型的基础上,考虑船舶所受到的环境干扰力影响,对船舶航迹控制的两种方式及控制算法进行了研究。首先,利用建模思想建立了船舶四自由度分离型数学模型及所受环境干扰力风浪流模型,基于谱分析理论对变动风和不规则波进行了仿真研究。针对船舶运动控制系统的主要执行机构一液压舵机系统,详细讨论了在船和螺旋桨干扰下的舵力和力矩的计算方法;以某一型号的液压舵机为对象,考虑舵机系统各部分的运动方程及其系统的控制方法,使用工具箱,在一定简化条件下建立了其动态数学模型,充分考虑操舵伺服系统这一舵角闭环的动态行为。船舶的航迹控制是木文另一个重点研究内容,其中对航迹控制的控制方式、航迹误差的计算以及转向航迹段的控制策略进行了研究。针对间接法和直接法,。不同的海情下,在转向航迹段使用转向控制策略,使用开关切换型模糊•控制器对航迹控制进行了仿真。本文所设计的船舶航迹控制系统,对大型水面舰船的航行安全有一定参考价值,其中转向处转向控制策略的增加进一步提高了航迹跟踪的精度:液压舵机作为船舶运动摔制系统的一个子系统,数学模型的建市及对其动态特性的研究,为研究船舶航向、航迹控制的准确件提供了条件。关键词:航迹控制;液压舵机模型;转向航迹段;模糊哈尔滨丁程大学硕士学位论文,••9••,,9•、9••哈尔滨程大学硕十学位论文・哈尔滨工程大学硕士学位论文第章绪论•课题研究背景和意义为了适应海上运输量增加的需要,船舶逐渐向大型化和高速化方向发展,海上交通密度不断加大,航行安全越来越受到威胁。海上运输的竞争日趋激烈,为了提高经济效益,不仅要降低船员的操作强度,还期望减少船员的配置,而减少船员配置又加剧了对航行安全的威胁。为了解决这一矛盾,船舶航行的经济性和安全性就成为研究的焦点问题。船舶在航行中,为了以尽量少的燃料并尽快地到达目的地,驾驶人员总是力图使船舶以一定的速度保持直线段航行,并以较短的航行距离进行转向,以减少操舵频率和机械磨损,而这都离不开自动舵系统。船舶自动操舵仪,俗称“自动舵”,是根据指令信号自动完成操纵舵机的装置,是一个重要的船舶控制设备。它能代替舵手操舵,保证船舶在指令航向或给定航迹上航行。性能优良的自动操舵仪不仅可以减轻舵手的劳动,高精度的保持船舶航向、航迹,而且在远航时,在相同的航行条件下,可以减少偏航次数,减小偏航值,因而可提高实际航速,缩短航程的航行时间,节省燃料,提高航行的经济效益,它的性能优劣将直接关系到船舶航行的的安全和经济效益。一般说来,自动舵按控制功能可分为两类,一类是航向自动舵,保证船舶自动跟踪指令航向,达到自动保持或改变航向的目的。另一类是航迹自动舵,控制船舶沿着精确的航迹航行,即控制船舶沿着设定的路径航行。普通自动舵仅有航向保持功能,而航迹舵具有控制船舶精确的航行轨迹,这将是自动舵的发展方向,也是本文的主要研究内容之一。船舶操纵的根木目的有两个一是经济性,二是安全性。如船舶在海上进行直航时,自动舵性能较好的船不用频繁操舵即能维持航向,且航迹也较接近于要求的直线。而自动舵性能较差的船则要频繁操舵以纠正航向偏差,它的航迹较为曲折,呈现形。这一方面增加了实际航程,相对降低了实际航速,另一方而由于校正航向偏差而增加了操纵机械和推进机械的功率消耗。通常,由于上述原因而增加的功碍爱消耗约占主机功率的%・%,而对自动舵哈尔滨工程大学硕士学位论文性能不好的船此种功耗有时甚至高达%。随着海上运输事业的日渐繁忙,船舶的安全问题显得愈加突岀,特别是对犬型水面船舶,一旦岀现事故,将会产生非常严重的问题。据有关研究资料显示,在所有的船舶事故中,数量最多的一类%.%是与船舶运动有关的航行事故,排除其中的人为因素,其主要原因是船舶航行的实际航线偏离了预定的安全航线。船舶在大洋中航行时,风、浪、流等各种干扰都使船舶偏离预定航线,过去由于技术条件的限制,自动舵仅有航向控制功能,不能够精确地保证船舶沿预定航线航行。进入九十年代以来,全球定位系统的出现使在全球范围内、全天候、连续、精确的定位成为可能,航迹控制技术才开始大量地应用于自动舵中。现有的船舶控制系统以航向控制或间接航迹控制系统为主,其控制性能和结构都有待进一步提高。国内由于起步较晚,与国外先进水平和比仍有较大的差异。主要表现在:航向舵仍占据主导地位,尚