船舶运动控制综

船舶运动控制综述
摘要：船舶运动控制式一个重要的研究领域，其最终目的是提高船舶自动化、智能化水平，保证航行的安全性、经济性和舒适性。

随着现代物流业的迅速发展,航运自动化水平的不断提高,对海上航运业提出了更高的要求,各种新的控制算法不断应用于船舶控制以提高营运的经济效益。

船舶运动已经从手动发展到自动，从单个系统的自动化发展到综合自动化，从简单的控制装置发展成计算机化、网络化的体系结构；船舶运动控制已经成为一门独立的学科。

船舶是一种有效的、经济的运输工具，但是还是运输充满危险（人为因素和自然因素），因此，如何科学地操纵和控制船，准时、安全地到达目的地非常重要。

关键词：船舶自动化运动控制
正文：
十八世纪产业革命带来了今天意义上的轮船，钢制船壳可以承载成千上万吨的货物，螺旋推进器于140年前投入使用，由动力驱动的操舵装置于120年前建成，110年前发明的柴油机取代了蒸汽机，1920年开始使用的陀螺罗经来进行船舶导航，1940年的流体力学的发展，统一解释了船体，浆，舵产生流体动力的机理，为建立船舶运动数学模型奠定了理论基础。

船舶运输控制系统是对船舶运输过程的有关信息进行传输、接收、存取、变换和反馈，并不断对过程进行调整和优化的控制管理一体化系统，涉及航海、通信、计算机、机电、自动控制、运输管理、船货代理、码头港务、商贸、金融及保险等专业技术。

船队控制系统主要由企业管理业务网和船岸通信网组成。

单船控制系统是一个船舶自动化局域网，并通过全球海上遇险与安全系统GMDSS(Globe Maritime DistressandSafetySystem)，以单船作为一个节点，进入船岸通信网，实现船岸一体化管理。

船舶自动化系统是构成船舶运输控制系统的基础，主要包括无人值班机舱、集成驾驶系统、货运监控系统和船舶管理信息系统等。

1.无人值班机舱。

包括主机遥控、机舱监控、柴油机工况监控、电站自动化、辅机调控及锅炉调节等。

2.集成驾驶系统。

包括定位导航、电子海图、雷达标绘、自适应操舵及驾驶辅助决策等。

3.货运监控系统。

包括液货装卸监控、冷藏船温度监控、船舶配载控制、船舶侧推控制、静电防护、火灾探测报警消防及甲板机械控制等。

4.船舶管理信息系统。

包括动力监管、备件盘存、故障诊断及信息黑匣子等。

船舶运动控制可以认为是一种分层递阶式的人机控制系统，系统从上到下可分为任务规划、协调调度、控制策略、控制执行4层结构，通过信息反馈形成多个闭环，操作者用过人机界面可以监控或参与各层的行为。

船舶控制策略是船舶运动控制科学的主要研究对象。

从二十世纪二十年代到七十年代自动舵的PID算法延续了五十年；70—80年代出现自适应控制并在自动舵商品化方面获得成功，产生了明显的经济效益；90年代开始控制论的全面繁荣为船舶运动控制系统设计提供了诸多控制算法，为船舶运动科学的进一步发展注入活力。

船舶通信与导航系统
一般船舶在海上所使用的通信方法计有:旗号通信、灯号通信、声号通信、手旗或手臂通信、扬声器通信、无线电话通信、无线电传电报通信、国际移动卫星通讯、卫星手机通讯、
电子邮件通讯、网际网路通讯等。

导航部分包括：
1、自主导航自主导航系统适于上述五种航路的任何一种，它基本上是一种单纯的导航系统，其主要特征是仅向用户提供位置、航速、航向和时间信息，也可包括海图航迹显示，不需通信系统。

适应于任何海面、湖面和内河上航行的船舶，从大型远洋货轮到私人游艇。

2、港口管理和进港引导这种系统主要用在港口/码头的船舶调度管理、进港船舶引导，以确保港口/码头航行的安全和秩序。

该系统需要双向数据/话音通信，以便于领航员引导船舶；港区情境/海图显示，以表明停泊的船舶和可利用的进港航线，避免冲撞。

这种系统对导航系统的精度要求高，要采用差分GPS和其他增强技术。

3、航路交通管理系统这类系统与2类似，但主要用于近海和内陆河航路上的船舶导航和管理，通常需要卫星通讯系统支持，如INMARSAT等。

4、跟踪监视系统这类系统主要用于海上巡逻艇、缉私艇及各种游艇，特别是私人游艇以防盗。

根据具体的使用对象，有些系统需要给出导航参量和双向数据/话音通讯，如缉私艇。

而有时则不需要给出导航参量，如用于私人游艇防盗，仅需要单向数据通讯，一旦发生被盗，游艇上的导航系统不断把自己的位置和航向送到有关中心，以便于跟踪。

5、紧急救援系统系统也包括两栖飞机，直升机和陆地车辆。

它适应于所有五类航路，用于搜寻和救援各种海面、湖面、内河上的遇险、遇难船舶和人员。

这类系统需要双向数据/话音通信，要求响应时间快、定位精度高。

6、GPS/声纳组合用于水下机器人导航该类组合系统可用于水下管道铺设和维修（需要视觉系统），水文测量以及其它海下作业，如用于港口/码头水下勘测，以便于进场航道阻塞物清除，保证航道畅通，也可用于远洋捕捞，渔船作业引导等。

船舶遇到控制的研究内容还包括船大洋航行的自动导航；港区航行及自动离靠泊；拥挤水道或大洋航行的自动规避。

大洋航行的自动导航。

航向保持控制，转向控制，航迹保持控制，航速控制都是其研究内容和热点。

港区航向及自动离靠泊。

低速运动，风、浪、流干扰相对增大，信息量增多，操纵和控制更困难。

拥挤水道或大洋航行的自动规避。

考虑多目标决策，避碰的最佳时机，最佳幅度，航行规则和法规。

船舶运动的研究方法。

1、建立船舶运动数学模型，其中建模方法包括机理建模和辨识建模，通常两种的方法并用。

船舶运动的数学模型以牛顿力学为基础，考虑惯性力（刚体惯性力和因流体加速运动造成的流体惯性力）、船体粘性力、浆力、舵力、锚力、风浪流等诸多力的动力学平衡。

2、利用控制理论。

建立控制结构图，构建自动控制系统。

3、进行系统仿真、分析控制性能（动态性能和静态性能）。

4、利用计算机控制系统的理论、技术，研究船舶运动控制系统。

船舶综合驾驶控制系统
在自动化领域，为了减轻劳动强度，实现节能，减少船员配额以提高经济效益，保证航行安全，产生了综合船桥（IBS）。

认识上，提高了自动化程度，综合监控，提高了航行安全得到重视。

技术上，计算机网络技术的发展，一人驾驶合系统在一位驾驶员的监视和控制下即可保证船舶安全航行。

另外，系统的网络化能通过网络将航海自动化子系统、轮机自动化子系统、货物装卸自
动化子系统、船舶运营管理子系统同意管理。

自动舵
自动舵是船舶运动控制中的重要研究内容，它是一个闭环系统，它包括：航向给定环节；航向检测环节；给定航向与实际航向比较环节；航向偏差与舵角反馈比较环节；控制器；执行机构；舵；调节对象—船；舵角反馈机构等。

舵系统的性能主要是由控制器的性能决定。

船舶是借助螺旋桨的推力和舵力来改变或保持航速和航向，实现从某港出发按计划的航线到达预定的目的港。

由此可见，操舵系统是一个重要控制系统，其性能直接影响着船舶航行的操纵性、经济性和安全性。

自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置。

系统的调节对象是船，被调节量是航向。

船舶运动控制策略
当前产品化的控制策略包括PID自动舵，自适应自动舵。

PID控制简单可靠，调试方便，物力意义明确，广泛应用于实际工程控制中。

自适应控制能调节参数，适应被控对象的变化。

当前流行的控制算法和发展趋势有复合PID、各种智能控制和非线性控制。

复合PID即复合PID+其他算法，具有自适应、模糊控制、自鉴定的特点，具有自动鉴定PID参数的控制算法。

此外，还有自适应、神经网络、模糊控制、混合智能控制等各种具有自适应，自学习，自鉴定能力的只能控制算法，这些算法的特点包括环境和控制对象特性变化时能自动学习，调节控制参数、适应被控对象的变化而变化。

非线性控制除了古典非线性控制方法（相平面法，描述函数法，逆系统法）外，现在还发展出了微分大叔控制方法、混沌控制方法和综合方法等。

船舶除了向更大、更快的方向发展外，更提出了许多新型船舶，包括贴近水面航行、必要时可升空飞行或降在水面上的大型冲翼艇。

这时计算各种航态和海况下的波载荷，将遇到极大的困难。

由于波载计算不准而导致在恶劣海况下失事，即使对现代的常规船舶也仍是屡见不鲜的。

80年代末至今已有十余艘船在北海失事。

从流体力学的角度看，冲翼艇的困难主要在于有事先未定的自由表面，表面边界条件的非线性，波浪的随机性，水表层为湍流，以及流体与船舶运动相耦合等。

因此，对船舶运动控制的发展趋势提出了新的要求。

船舶运动控制将会更加智能，船员劳动力将更加缩减，自动控制系统将进一步代替船员，达到更高的要求，完成更多的工作。

随着计算机技术的发展，物联网的兴起，人机界面由早期的按键、旋钮、手柄发展成现在常见的数码管、发光二极管、键盘和触摸屏。

在将来的发展中，人机界面将会向着基于一人驾驶合操作体制的综合驾驶台系统的人机界面的趋势发展。

可以想象，人机界面将变得能智能触摸，多维显示，甚至科幻电影阿凡达里的场景（神经信号控制）也将变为现实。

另外，近期由谷歌开发的人工智能AlphaGo打败了人类围棋九段李世石，引起了多方震惊。

最近有消息称AlphaGo将进军星际争霸（一种RTS游戏），这是对人工智能的更严格考验。

这体现出了人工智能的快速发展和人工智能所能达到的高度。

或许，在将来，人工智能能进行人类的思考和对环境进行人类的反应，加上其远远超出人类的优秀的处理能力和计算能力，高度智能的人工智能将完全替代人类对船舶运动进行控制，无人船舶时代即将到来。

那时，非人员运输无人船舶的出现将会使人类安全进一步得到保证。

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