【文献综述】船舶舵机建模与航迹控制系统设计

文献综述

电气工程及其自动化

船舶舵机建模与航迹控制系统设计1．引言

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。自动舵在相同的航行条件下，不仅可以减轻驾驶员的工作，而且在远航时，可以减少偏航次数，减小偏航值。因而可以提高实际航速，缩短航程的航行时间，节省燃料，提高航行的经济效益。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，实现自动保持或改变航向的目的；另一类是航迹自动舵，控制船舶沿计划航线航行。由于航迹自动舵具有控制船舶精确的航行轨迹的功能，它将是自动舵未来的发展方向。

航迹控制一直是船舶运动控制的重点研究对象。由于国内起步较晚，与国外先进水平相比仍

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有较大的差距。主要表现在：(l)航向舵仍占据主导地位，航迹舵产品尚未成熟的，更不用说自动航行系统和综合船桥系统。(2)在控制理论上，虽然国内有些专家提出了一些控制方法，也解决了一些问题，但由于船舶操纵运动数学模型存在非线性问题、操舵执行机构存在滞后问题以及船舶航行环境和所受干扰的不确定等问题，使得一些建立的数学模型的控制方法无法得到正常实现。据国内外有关研究证明，船舶智能控制能解决上述问题。因此，将智能控制理论用于自动舵，改进我国的自动舵性能是一项迫切的任务。

2．国内船舶自动舵的研究概况

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自动舵发展的大致经历：第一代是以继电器机械结构为代表；第二代是以电子管磁放大器为核心控制部件为代表；第三代是以半导体、线性运行放大器为核心控制部件为。1921年德国安修斯公司发明了自动舵，即利用罗经的电讯号，通过继电器、机械结构来实现控制电动舵机。1930年苏联也相继研究出以电罗经为航向接收讯号的自动舵。

我国对自动舵系统的研究相对国外起步比较晚，从二十世纪50年代开始以仿造苏联自动舵，其自动舵是磁放大器为控制核心。到了60年代末才自行研制成功以半导体分立元件为核心

的自动舵典型产品。70年代末才开始把线性运算放大器技术，运用到PID自动舵中。自80年代以来，有关单位对自适应舵深入研究，发表了一些设计方案，仿真研究结果和产品。1980年，袁著社、卢桂章老师采用Norrbin性能指标，设计了船舶航向保持的自适应舵，发表了仿真结果报告；1984年，林钧清老师利用最小方差自校正调节器设计了自适应自动舵的软件，发表了仿真研究报告；1986年，大连海事大学陆样润、黄义新等老师采用了对偏航速率进行加权的最小方差自校正控制方法，进行了自适应舵的研制并且用“育红”轮在海上进行了实船实验。试验结果表

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明，该自适应舵比PID舵具有更好的控制效果。

到目前为止只有少数经济发达的资本主义国家掌握了航迹航向自动舵的软件设计与实现这项技术，并形成名牌产品。我国产品主要用于国内的内河与近海船舶，很少为出口船舶配套，大多数国产自动舵仅仅具有航向控制功能且燃油经济性不佳。目前国外自动舵已向数控和自适应技术相结合方向发展。大多数产品基本具有航向控制和航迹控制功能，节省燃油的效果明显。

综合国内外有关航向、航迹控制产品的研究现状，可以总结出：一方面PID自动舵由于其高强度稳定性及简易操作等特点，受到航海界人士的信赖，仍然占据主导地位；另一方面，航向、航迹控制中不断的运用到各种新兴的控制理论。近几年发展起来的智能控制及其它近代控制的在自动舵上的应用尚处于实验仿真阶段，还有待于深入工程实现研究。

3.船舶操纵技术的发展

船舶操舵系统是自动控制理论在工业生产中应用的产物。自动舵按照控制算法发展可以划分[]3

为四个阶段：

德国的Aushutz和美国的Sperry，分别于1920年和1923年率先独立研制成了机械式的自动操舵仪。该产品是自动舵的雏形，所采用的是经典控制理论中最简单最原始的比例放大控制规律。它的出现是个里程碑。这种自动舵被称为第一代自动舵。

五十年代，随着电子学和伺服机构的发展及应用，集控制技术和电子器件的发展成果于一体的第二代自动操舵仪问世了，这就是PID 舵。由于船舶运动特性随航速、载荷、吃水差及水深等因素变化而变化，扰动特性也随海浪、风、流等海况变化而不同，因此，船舶航向控制的数学模型与扰动模型具有明显的不确定性。

第三代是自适应自动舵。二十世纪六十年代末，随着计算机技术和自适应理论的发展，瑞典等北欧国家的一大批科技人员纷纷将自适应舵应用到实船上，这就形成了第三代自动舵。自适应舵在提高控制精度、减少能耗方面取得了一定的成绩，但物理实现成本高、参数调整难度大，

尤其是船舶的非线性和不确定性使得控制效果难以保证，影响系统的稳定性。

第四代是人工智能自动舵，传统的控制方法对有限维、线性和时不变的控制过程是非常有效的。由于实际船舶系统常具有不确定性、非线性、非稳定性和复杂性，很难建立精确的模型方程，甚至不能直接进行分析和表示。随着计算机及计算机网络的飞速发展和广泛应用，这促使自动控制与人工智能两个学科交叉融合，形成了智能控制这一新的学科。智能控制自动舵采用的智能控制手段主要包括神经网络控制技术、专家控制技术、模糊控制技术以及遗传算法等优化技术。

4.模糊控制

1965年Zadeh创立了模糊集理论并得到较快的发展和实际的应用，成为智能控制领域中的一个重要分支。上世纪七十年代中期，以Mamdani为代表的一批学者提出了模糊控制的概念，这标志着模糊控制的正式诞生。其基本思想是把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列的以：if和then的形式表示的控制规则，通过模糊推理得到控制作用集，作用于被控对象。

近年来模糊逻辑理论在船舶上的应用得到发展，Sutton和Jess于1991年提出了一种自适应模糊自动舵理论。这个方法是观察操作环境以及在环境中模糊控制器所受的影响，能够被接受的性能指标存储到一个矩阵形式中形成控制规则。Layne于1993年又提出了模糊模型参考自学习控制器它在环境受到干扰(风，浪，流)的情况下模拟船舶驾驶，此种学习机制的作用一是从模糊控制系统观察数据；二是学习当前性能特征；三是对模糊控制器进行自动合成和调节;四是对模糊控制器进行自动合成和调整。

模糊控制系统由模糊化、模糊推理、反模糊化三部分组成。模糊控制应用于船舶控制就是根据航向偏差、偏差变化率两个输入量，经过模糊控制器运算给出舵角指令，再经过随动系统和执行机构作用于操舵装置，从而使船舶回到设定航向或航迹。

模糊控制与常规控制相比有以下优点：模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制，无须建立数学模型；模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数变化的影响不明显，可用于非线性、时变、时滞系统的控制，由离线计算控制查询表，提高了控制系统的实时性。当然，模糊控制也有其缺陷：信息、简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差。拎制规则的选择、论域的选择、模糊集的定义和量化因子的选取等多采用试凑法，这对复杂系统的控制是难以奏效的。

常规模糊控制的两个主要问题在于改稳态控制精度和提高智能水平与适应能力。因此纯粹