航向_航迹自动操舵仪船舵控制系统的研制
【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[]2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[]2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。
无人船自动舵控制系统设计及优化
大连理工大学硕士学位论文
Key Words：unmanned surface vessels; Autopilot; MMG model; PID control; fuzzy control
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无人船自动舵控制系统设计及优化
目录
摘 要............................................................................................................................. I Abstract.............................................................................................................................. II 1 绪论............................................................................................................................ - 1 -
大连理工大学硕士学位论文
摘要
随着自动控制、人工智能的飞速发展，无人机、无人车等不断走进人们的生活，而 作为新型智能船舶的无人船，也逐步走进人们的视野。由于其能够广泛应用于海洋活动 的各个方面，众多学者纷纷把目光投入到了这一研究领域。
自动舵作为船舶操纵运动的组成部分，也是无人船航行控制的基础，它对操纵指令 响应的快速性和准确性，在无人船的运动过程中，起到了极其重要的作用。自动舵的工 作状态可以分为两种：航向控制和航迹控制。航向控制是指船舶在运动过程中，由于受 到外界干扰而驶离了设定航向，通过控制系统令船舶驶回设定的航向；航迹控制是指在 设定好航线后，无论船舶处于何种位置，都能够快速回到设定航线，并沿着该航线达到 期望的目标位置。
自动舵控制系统设计
自动舵控制系统设计船舶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，是用来控制船舶航向的设备，能使船舶在预定的航向上运行，它能克服使船舶偏离预定航向的各种干扰影响，使船舶自动地稳定在预定的航向上运行,是操纵船舶的关键设备。
系统的调节对象是船，被调节量是航向。
自动舵是一个闭环系统，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。
自1922年自动舵问世到今天, 代替人力操舵的自动舵的发展确实取得了长足的进展, 在相当程度上减少了人力, 节约了燃料, 降低了机械磨损, 但是距离真正意义上的操舵自动化还有相。
当大的距离。
一国内外研究现状自70 年代起,国内一些科研院所、高校开展自动舵的理论与开发工作,并取得了不少成果,一些航海仪表厂家也独立或与研究所、高校合作开展了自动舵的试制和生产,其产品以模拟PID 舵为主。
目前虽然国产自适应舵已经投入实船使用,但效果并不明显。
智能控制舵还处于理论研究阶段,还没有产品化。
航迹舵基本上也处于研究阶段,还没有过硬的产品。
目前国外市场上有多种成熟的航向舵、航迹舵产品,其控制方法大多为比较成熟的自适应控制,例如日本Tokimec 公司的PR - 8000 系列自适应自动舵、德国Anschuz 公司的NAU TO CONTROL 综合系统中的自动舵、美国Sperry 公司VISIONTECHNOLOGY系统中的自适应自动舵等。
近几年发展起来的智能控制及其它近代控制在自动舵上应用尚处于方案可行性论证及实验仿真阶段,还有待于进一步工程实现研究。
我国对自适应舵的研究起步较晚，自80年代以来，有关单位开展了对自适应舵的研究工作，发表了一些设计方案，仿真研究结果和产品。
船舶自动化导航控制系统设计与实现
船舶自动化导航控制系统设计与实现船舶自动化导航控制系统是指通过计算机、控制器、传感器等硬件组成的一套自动化控制系统，对船舶进行实时监控和管控，保证其安全、减少停航时间和节约船舶运营成本。
本文将从船舶自动化导航控制系统的介绍、设计、实现、应用及未来发展等方面进行探讨。
一、船舶自动化导航控制系统介绍传统的船舶驾驶是人工驾驶，这不仅耗时耗力，而且存在人员疲劳、技能差异、天气影响等诸多问题，但现代科技的发展解决了这些问题。
船舶自动化导航控制系统是实现船舶自主航行、自动控制的核心。
该系统通过集成控制器、传感器和计算机技术，对船舶的行进路线、速度和舵角进行自动化控制和调整，从而保证船舶正常安全行驶。
此外，船舶自动化导航控制系统还包括避碰预警、电子海图等多项功能。
二、船舶自动化导航控制系统设计船舶自动化导航控制系统的设计关键在于实现自主导航、避碰等功能。
具体而言，可利用船舶调速器，控制船舶的发动机输出功率，实现航速的自动控制；通过引入GPS全球定位系统、气象预报系统、雷达跟踪等技术，对船舶做出即时响应；利用电脑和传感器实现舵机和舵盘的自动化控制。
此外，为了提高船舶自动化导航控制系统的安全性，还需要引入姿态传感器、推进器控制器等技术实现船体姿态的自动监控和调整。
三、船舶自动化导航控制系统实现船舶自动化导航控制系统的实现必须结合具体的装置和设备。
在系统实现时，需要将控制器和传感器安装在各个关键处，通过多个通讯接口将其相互连接。
此外还需编写相应的软件，实现对船舶导航系统的监测和控制。
在具体的应用过程中，要根据不同的任务、环境等可变因素对船舶自动化导航控制系统进行不断地调整和优化。
四、船舶自动化导航控制系统的应用船舶自动化导航控制系统的应用范围非常广泛，全球很多船舶都已经采用了该系统。
其中，以中国大陆的码头作业船舶应用最为普及。
同时，航运集装箱的自动化系统也日益成为了未来发展的趋势。
船舶自动化导航控制系统实现了船舶航行的智能化，提高了船舶的安全性和整体运行效率。
船舶航迹舵控制技术研究与设计
船舶航迹舵控制技术研究与设计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。
标签：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。
1.1 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。
1.2 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。
船舶航迹舵控制技术研究与设计
智能控制， 分别是神经网络控制、 专家系统控制和 嘲控制。 ２船 舶运 动控制仿真 的设计 要想设 计出有关于船 舶运动控制 仿真 ，就 必须 对这 方面有一 定 的 了解， 才能生产出有关于航迹 自 动舵的产品。只有通过好的实验再设计 出好的产品， 便能减少在海上的实验次数 ， 从而节约了能源同时也使得 实验成本得到了降低， 使产品更快的开发出来。 设计仿真通常被应用到 船舶控制技术的研究当中去， 其仿真系统中一般存在着三种形式 ， 是物 的控 制。 理、 单机和双机仿真。 １船舶操纵控制系统的现状以及发展 物理仿真是用试验船去代替真实的船去做船舶运动来进行各项实 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， 验， 其中包括靠离码头 自 动化、 船舶运动控制器和自动操舵仪， 还有一 主要的功能是控制船舶的航向，人们早在 ２ ０ 世纪 ２ ０ 年代就开始了对 些其他 自动化方面的实验。双机仿真则是通过真实的船舶与运行船舶 自 动舵的研究工作。至 Ｕ 现在为止 ， 自动舵一共经历了４ 个发展过程。 数字模型的计算机相连， 这样就可以测试船舶控制器的控制效果。 单机 １ ． １ 机 械式 自动舵 仿真则 只需要在一 台计算 机上来运行 船舶运 动的数字模 型和控 制器 的 德 国的 Ａ ｕ ｓ ｈ ｕ ｔ ｚ 和美 国的 Ｓ ｅ ｐ ｒ ｒ ｙ 早在 １ ９ ２ ０ 年和 １ ９ ２ ３ 年率先 提出 算法 ， 因为这种方 法只需要 在计算机 上进行 。因此方法 相对简 单 ， 且成 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 本低， 所以被大多数采用。 但是由于数学模型的精度不够还有海况真实 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 性难以预料等难度， 单凭这一项研究结果也很难有可信度， 但是单机仿 舶 自动舵 。 真可 以当作一个初步 验证手段 。 １ ． ２ Ｐ Ｉ Ｄ 自动舵 对比这三种船舶运动仿真系统 ， 最简单是单 嘲肪真， 但这种方法只 经典理论在 ２ ０ 世纪 ５ ０ 年代发展成为顶峰，其中存在着多种的航 能给出初步结果。 而双机仿真为船舶控制器提供的是半物理仿真 ， 相对 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 于单机仿真更接近实船的控制系统。最接近实船控制系统的是物理仿 制也就是相关的 Ｐ Ｉ Ｄ控制。日 本在 １ ９ ５ ０ 年研究出了关于 Ｐ Ｉ Ｄ自动舵 ， 真， 所以物理仿真能得到更为真实 、 准确的数据 ， 但是物理仿真系统需 被 称为 北辰 自动舵 。后来 美国在 １ ９ ５ ２年研究 出了新型 的 Ｓ ｅ ｐ ｒ ｒ ｙ自动 要 大量资金的投人 才能正常进行 。 舵， 都 是采用 Ｐ Ｉ Ｄ来 进行控制 的。 本来就有 的鲁 棒性 以及参 数易被调整 ３航迹控 制研 究的有关 内容 和结构简单是 Ｐ Ｉ Ｄ自动舵所具有的特点。由此 Ｐ Ｉ Ｄ自动舵被广泛的认 操 纵船舶 的关 键设备便是 自动舵 。关于此方 法 的研 究工作在 国 内 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 已经有很多相关人员积极的参与，而且大多数的研究是根据船舶航迹 舵。 自动舵的预先演习来展开的。 精确地计算出航迹的该变量 ， 还要能准确 １ ． ３自 适应 自动舵 的控制航向舵 ， 其最终 目的都是能精确地控制航迹。主要的研究内容有 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 以下三点 。 第一 建立在有风 、 浪还有 气流的影 响下 的 单机仿真机 完成相 原理来 设计的 。 第 二种是模 型的 自适应和参 考来进行 十 的。 模式 是由 关的船舶运 动模型 。第 二要设 计好航 向控 制器 。将 Ｐ Ｉ Ｄ技 术应 用到其 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 中， 以更好的运用 到间接式航迹控 制当中去 。 第 三分析控制航线 的可行 我校正 是 Ｋ ａ ｌ ｍ ａ ｎ 在１ ９ ５ ８ 年根据相关 的研究提 出的 。那 时相关航 行理 性 ， 并 且让其应用 到实际 当中去 ， 设 计和仿真专家模 块的控制 。 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 ７ ０ 总而言之， 由于海上运输这一事业的Ｅ ｌ 益突出， 海上出现事故这一 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 现象 也 Ｅ ｌ 益 的突出 。尤其 针对那些大 型的游 轮和承载 了大量 的化学用 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 品 的船 舶 ， 如果 一旦 出现 了事故 ， 极大 的破 坏环境 造成 污染 ， 事故 原 因 自 适应 自 动舵 ， 于是便形成 了第 三代 自动舵 。 包括 了相关 人员操作 不当 ， 还 有天气 的因素。所以这一 系列的问题就 要 １ ４ 智能 自 动舵 求自 动舵应具备的条件 ， 能很好的控制航向， 研究 出即使是在有风有浪 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 还有天 气不好 的条件下也 能很好 的控制航 向 ，从而 控制 了船舶 的航行 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 轨迹。还应该要适应海上事业的发展速度 ， 减少实验的次数 ， 加快产品 系统具有不稳 定 、 不确定 以及复杂性 和非 线性 。 所 以很难 构成精确地 的产 生 ， 从而节 约成本 。所 有这一 切有关 于航 迹控制 的研究 ， 其 目的都 更安 全、 更科学 的生活 。 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 是为 了能够给人 们带 来更方便 、 参考文 献 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 １ ］ 鞠世琼． 船 舶航 迹 舵控 制技 术研 究 与设 计叨． 哈 尔滨 工程 大 学， ２ ０ ０ ７ 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 【 ８ ０ 年代 ， 人们就 开始研究有 关于这方 面的人工控制航迹 的方法 。 这种新 （ Ｏ １ ） ． ２ １ 赵晴． 船舶航迹智能控制算法和研究 ． 集美大学２ ０ １ ２ （ ０ ４ ） ． 的人工操 作舵就 是第 四代 新 自动 舵。现在 已经有 了三种关 于这方面 的 Ｉ
基于ARM的小型船舶自动操舵系统的设计与实现
基于ARM 的小型船舶自动操舵系统的设计与实现 0基于ARM 的小型船舶自动操舵系统的设计与实现2009年11月10日内容提要：介绍小型船舶自动舵系统的自主研发设计。
该设计选用Philips 公司的ARM LPC2214控制器、大电流MOS 管IRF9540N 、上海直川电子科技有限公司生产的ZCC04型磁罗经转换器等产品，并利用常开常闭继电器解决了手动-随动操舵转换，设计485总线接口电路解决舵角信号的传输。
某渔船试用证实，该设计可靠性高、稳定性好，节能效果明显，有望改变国内小型船舶自动舵产品基本依赖进口的局面。
关键词：船舶 自动操舵装置 手动-随动转换 舵角信号传输 设计0引言自动舵是船舶控制系统中不可缺少的重要设备。
它可以通过航向设定使船舶航迹更接近直线，避免了“蛇行”从而更节能更经济，还能节省人力资源。
我国在从70年代就开始自动舵的研究，并取得了一定的成就，但国内自动舵的研究侧重于理论方面的算法仿真，很少做出实际产品。
迄今为止，国内船舶安装的自动舵基本完全依赖进口。
因此，我们自行开发了基于ARM 的小型船舶自动舵系统，包括手动（应急）操舵、随动操舵、自动操舵三部分。
1自动舵系统的工作原理及其系统结构设计船舶自动舵时，船舶航向控制系统模型一般采用如下所示的野本模型式中：ψ是航向；δ是舵角；T 和K 是模型的参数。
T 和K ，一般表示为：T=T'·L/V 和K=K'·V/L其中：V 是船速；L 是船长；T'和K'是模型的无因次系数，是船型参数和装载状态等的函数，一般由海上实船试验获得。
[1]根据上列舵角与航向关系式，设计自动舵闭环系统结构框图，见图1。
随动操舵部分，不包括磁罗经传感器参与的外环，只包括角度传感器参与的内环，是单闭环系统。
其工作原理是：①角度传感器检测实际舵角信号；②控制器比较实际舵角信号与给定舵角信号（偏航角）得出它们的偏差；③控制器根据偏差控制电磁阀驱动电路的相应电磁阀开闭；④液压舵机改变舵的方向和角度，直至实际舵角与给定舵角信号二者偏差为零。
船舶航向模糊自整定操舵控制器的研究
航海技术中无人船自主导航控制系统的研究
航海技术中无人船自主导航控制系统的研究在航海技术领域，无人船正逐渐成为未来海洋探索、资源开发以及海上安全监测的重要工具，而自主导航控制系统是无人船顺利完成任务的关键。
本文将研究无人船自主导航控制系统的相关技术和发展趋势。
一、引言无人船自主导航控制系统是指通过各种传感器、导航设备和控制算法来实现无人船自主感知环境、规划航行路径和执行航行任务的系统。
随着航海技术的不断进步和应用需求的增加，无人船自主导航控制系统的研究变得越来越重要。
二、传感器技术传感器是无人船自主导航控制系统中的关键组成部分，主要用于感知周围环境，并获取与航行相关的信息。
常用的传感器包括GPS、惯性导航系统、声纳、雷达等。
GPS用于定位和速度测量，惯性导航系统则通过测量加速度和角速度来估计位置和姿态。
声纳和雷达可用于障碍物检测和周围环境感知。
未来，随着传感器技术的不断发展，无人船自主导航控制系统将能够实现更加精准和全面的环境感知。
三、环境感知与路径规划算法环境感知是无人船自主导航控制系统中的核心任务之一，它通过传感器获取的信息来判断周围环境是否安全以及选择最优航行路径。
在环境感知方面，目前主要采用SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）算法，它能够同时进行地图构建和定位，从而实现对周围环境的感知。
路径规划算法则根据环境感知的结果，选择最佳路径以达到指定目标。
最常用的路径规划算法包括A*算法、Dijkstra算法和深度优先搜索算法等。
未来，深度学习技术的进一步应用将为无人船自主导航控制系统带来更高级的环境感知和路径规划能力。
四、动态控制与航迹跟踪算法动态控制是无人船自主导航控制系统的另一个重要任务，它通过控制船舶的舵角、油门等参数来实现目标航向和速度的控制。
航迹跟踪算法则用于实现船舶按照规划的航迹进行航行。
动态控制和航迹跟踪算法可以根据不同船舶的特点和任务需求进行优化和适配。
常用的控制算法包括经典的PID控制算法和模型预测控制（MPC）算法等。
自动操舵仪研制与实现浅谈
自动操舵仪研制与实现浅谈摘要自动操舵仪是舰船的航行控制的重要设备，对于舰船航行的安全性和经济型起到决定性作用。
由于不同舰船模型的不同，吨位的不同，航行水域不同等导致控制性能的不足，无法完成既定任务或是不能按时将货物运送目的地。
因此研制一款适应不同模型、不同吨位及海况的自动舵操舵仪势在必行，具有重要的战略意义及经济效益。
关键词：自动操舵仪；工作原理；设计2、主要功能用途自动操舵主要用用于舰船的转向控制，一般具有简操、随动、航向、迹向及航迹操舵等功能，同时具有完备的航行状态指示和报警功能。
简操：通过手柄直接控制打舵；航向：通过设定新航向，来输出指令舵角，自动保持设定的指令航向；迹向：结合当前GPS信号，设定新航向后输出指令舵角来保持设定的指令航向；航迹：自动跟踪外部航行计划设备设置的计划航线。
采用ARM芯片为控制核心，其优点是功能完备、启动迅速、控制可靠，整套仪器具有智能化程度高、可靠性好、使用维护方便等特点。
说明：航向、迹向、航迹等工作模式一般使用于较开阔的水域，简操、随动等工作模式一般适用于进、出港等狭窄航道。
3、主要性能指标1）电源电压：AC380V 50Hz，两路，DC24V 一路；2）操舵范围：±35º（标准）；3）随动操舵灵敏度：≤1º；4）航向操舵最高灵敏度：≤0.5º航差角；5）航向复示精度 0.1º；6）航向修正范围：0º～±180º，可连续修正。
4、系统组成及工作原理主仪器主要由报警单元、控制单元、罗经复示单元、随动手轮单元、显控单元、泵组选择单元、操舵方式装换单元、简操单元、舵角复示单元及状态设置单元等组成。
自动操舵仪采用ARM芯片为控制核心，采用模糊自适应控制算法，CAN总线进行通信，标准模块化设计，双通道冗余设计，工作时可以通过人为设置指令舵角或是预设航向、或是通过电子海图等航迹规划设备输出预设航线信息进入系统，系统结合当前海况、装载、船舶特性等进行运算、处理后输出控制电磁阀开关方向的信号，即控制液压系统的油压方向从而带动舵机舵叶的往复运转，从而达到改变船舶航向的目的。
船舶航迹舵系统的设计与实现
船舶航迹舵系统的设计与实现
黄晨峰;张显库;李博;张国庆
【期刊名称】《中国航海》
【年(卷),期】2022(45)4
【摘要】以工控机为主要硬件载体,利用可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)设计舵角反馈单元代替实际复杂液压舵机系统,采用总线实现硬件设备间的通信连接。
通过搭建分离型船舶运动数学模型(Manoeuvring Mathematical Model Group,MMG)设计仿真调试器,为航迹舵的运行提供航向和位置信号。
基于Visual 在Windows环境中开发软件系统,实现了6种工作模式、航线编辑、在线监测与报警和系统菜单设置等功能。
基于混合仿真思想,以“育鲲”轮为被控对象,在海洋干扰条件下对航迹舵系统的有效性进行检验。
试验结果表明:船舶航迹舵能实现对计划航线的准确跟踪,且航向稳态误差小于3°,航迹稳态误差小于30 m。
该航迹舵系统的实现对船舶的智能化发展和国产航迹舵的研发具有一定的促进作用。
【总页数】6页(P52-57)
【作者】黄晨峰;张显库;李博;张国庆
【作者单位】大连海事大学航海动态仿真与控制实验室
【正文语种】中文
【中图分类】U666.153
【相关文献】
1.船舶航迹舵控制技术研究与设计
2.船舶航向-舵/翼舵控制系统显示系统设计与实现
3.船舶翼舵数字伺服系统设计与实现
4.智能式航迹自动舵的硬件系统设计
5.船舶航向-舵/翼舵控制系统显示系统设计与实现
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第13卷第3期中国惯性技术学报 2005年6月文章编号：1005-6734(2005)03-0047-05航向、航迹自动操舵仪船舵控制系统的研制周永余, 陈永冰, 周 岗, 李文魁（海军工程大学导航工程系，武汉 430033）摘要：给出了采用数字模拟与物理模拟相结合的方法模拟海上实船环境的航向、航迹自动操舵仪船—舵控制系统的设计方案和实现途径，并介绍了该控制系统的软件设计，该系统为航渡任务的安全、顺利完成提供了有力保障。
关 键 词：自动操舵仪；罗经航向；模拟航向；模拟舵角；模拟船位中图分类号：U666.1文献标识码：ADesign and Realization of Rudder ControlSystem for Ship’s Course and Track AutopilotZHOU Yong-yu, CHENG Yong-bing, ZHOU Gang, LI Wen-kui(Department of Navigation Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)Abstract: The design project and realization approach to simulate ship and rudder control system of course, track autopilot in real navigation environment are introduced which combine digital simulation with physical simulation. Its software designs are also given. The system can guarantee for accomplishing navigation task safely and successfully.Key words: autopilot; gyrocompass course; analog course; analog rudder; analog trace.0 概述自动操舵仪是现代船舶上不可缺少的导航设备，其主要的功能是自动地、高精度地保持或改变船舶的航向，以保证船舶的平时安全航渡和恶劣环境时船舶的避碰。
因此，自动操舵仪的性能优劣将直接关系到船舶航行的安全，并直接影响船舶的生命力[1]。
半个多世纪以来，虽然我国船舶航运的发展规模越来越大，但是船舶自动操舵仪的研制、生产和维修的调试环境却仍处于20世纪六、七十年代的水平。
自动操舵仪在工厂的新产品装配后或在修理厂维修后，按理都应该对自动操舵仪的性能指标在实船环境中进行检测、调试，使性能指标满足设计要求，但实际上很难实现。
自动操舵仪每年都有新产品在制造厂研制、生产，自动操舵仪的维修在修理厂也是经常发生的。
但是几十年来在自动操舵仪研制、生产和维修过程中没有一种有效的办法去实现按实船环境检测调整自动操舵仪的动态指标。
制造厂和维修厂只能采用一种液压装置来模拟船舶的舵角进行线路的调试。
由于该装置无法反映船舶动态航向的变化，航向或航迹控制电路只能凭经验进行粗调，要精确调基金项目：国家自然科学基金资助项目（40376011）收稿日期：2005-03-07作者简介：周永余（1950—）男，海军工程大学副教授，从事舰船导航和组合导航的教学、科研工作。
48 中国惯性技术学报 2005年6月 整控制参数、检验自动舵控制性能，必须出海在实船上进行，這样需要耗费巨大的人力、物力和财力，代价非常大、效率很低，严重地影响调试任务的完成。
因此研究能逼真地模拟自动操舵仪的舵机动态舵角的变化与舵角控制下的船舶航向、航迹变化的船—舵控制系统已成为急需解决的课题。
要建立一套能适合陆地使用的航迹、航向自动操舵仪的调试环境，主要解决两个关键问题：一是要建立从自动操舵仪输出到反馈信号形成过程的一整套数学模型，如电磁阀、电磁球阀、电液伺服阀、轴向变量泵等的运动模型、舵角—航向运动模型、船位运动模型、风流及海浪干扰模型等，还要考虑船舶的吨位、吃水、航行速度等因数。
建模工作涉及面多、工作量大、计算复杂。
二是要解决各环节的动态运动的模拟方法，尤其是最终反馈到自动操舵仪内部的舵角、航向和位置信号的具体物理实现。
1 航向、航迹自动操舵仪实船环境控制系统的基本方案和主要数学模型1.1 基本方案当自动操舵仪工作时，通过负反馈的控制方式，不断把陀螺罗经送来的船舶的实际航向与设定的航向值比较，将其差值放大后作为控制信号来控制舵机的转舵，使船舶能自动地保持或改变到给定的航向上。
由于船舶航向的变化由舵角控制，舵角又由自动操舵系统控制，而反馈到自动操舵仪的陀螺罗经航向又取决于舰船的艏向变化，所以航向自动操舵仪工作时存在包括舵机（舵角）、船舶本身（航向角）在内的两个反馈回路：舵角反馈和航向反馈。
对于航迹自动操舵仪，还需构成位置反馈。
由上可见，模拟船—舵实船环境的控制系统，主要涉及两个要素：舵机和船舶本身。
由于装在大、中型船舶上的自动操舵仪的舵机均为液压舵机，对于生产厂家和修理厂不可能配备这样庞大而昂贵的液压系统；即使配备这样庞大的液压系统，还需作很大的改进才能在实验室作单功能使用；也可研制一种小型的液压舵机来模拟实际的液压舵机。
但这两种方案有两个共同的缺陷：其一是无法进一步实现对船舶航向变化的模拟；其二由于现在自动操舵仪品种型号多，船舶的运动参数也不同，机械模拟器只能模拟一种舵型和船型，因此适用面窄。
实现船—舵控制系统的另一种可行的思路是运用数字模拟和物理模拟相结合的方法（系统方案如图1所示），其一是建立在自动操舵仪控制下舵叶运动的数学模型及舵叶对船舶航向运动控制的数学模型，将采集的自动操舵仪相关输出的信号，通过数字模拟的方法产生舵角数据、航向数据及船位。
其二是研制适当的外围硬件接口电路、控制部件，以物理模拟的形式控制反馈到自动操舵仪的舵角信号和船舶罗经航向信号。
而通过物理方法使模拟器输出的舵角、航向及船位信号具有和真实设备完全相同的电气特性。
采用这样的方案使得该控制系统具有通用性，可适用于不同的舵机(液压舵机或电动舵机)，通过有关参数的装订，模拟各种吨位、航速的船舶在干扰环境中的运动情况；还兼有模拟、测试、训练等多种功能。
1.2 舵角运动模型设i β为舵角随动系统的输入控制信号，β为实际舵角，max β为最大舵角，T 1为时间常数。
舵机随动系统可用微分方程表示如下：第3期 周永余等：航向、航迹自动操舵仪船—舵控制系统的研制 49)(max 1βββββ<=+⋅•i T ， )(max max ββββ>= (1) 使用电磁阀控制舵叶液压机构时，控制信号i β为开关量，其大小可视为恒值。
使用电液比例阀控制液压机构时，i β在一定的舵角差范围内是线性变化的。
使用电磁球阀控制液压机构时，i β在一定的舵角差范围内是线性变化的，舵角差超出设定值i β为恒值。
)(10βββ<=i ； )(00βββ==i ； )(10βββ>−=i (2)1.3 舵角对航向控制的模型舵角对航向控制的模型就是船舶艏向ϕ与舵角β的关系模型。
船舶艏向ϕ的变化方向及变化速度取决于舵角β，根据不同的海情和船况，人们建立了复杂程度不同的ϕ-β模型。
1957年日本科学家野本指出[1]，对航向稳定且在小舵角情况下的船舶，可用二阶K -T 方程较好地描述船舶的转艏响应，即：βϕϕK T =+••• (3) 其中，K 为回转性指数，T 为应舵指数。
它们由船舶的方形系数、载重、航速等因数决定。
当参数值已知时，便可通过采集瞬时舵角求出瞬时航向。
对于航向稳定的船舶，在受到风流、浪等外界干扰时，操舵比较频繁，可考虑用如下关于航向的三阶线性K -T 方程（Nomoto 模型）•••••••+=+++ββϕϕϕ32121)(KT K T T T T (4)以上方程均在操舵角不大（β≤15°）的条件下成立。
一般情况下，若考虑大舵角和非线性影响及舰船的不对称因素，由以下三阶和二阶非线性K -T 方程确定：••••••••+=++++ββϕαϕϕϕ332121)(KT K T T T T ， βϕαϕϕK T =++••••3(5) 式中，α为非线性系数。
1.4 海浪干扰等效舵角模型[2]海浪干扰的等效舵角模型由海浪引起的首摇扰动力矩M f 引起的等效舵角δ可近似认为与波高l 及波高的变化率d /d t l 有关，即有： 1sin cos f N ηαα=，111d (1)d tηρρ=+−l l ；（0＜1ρ＜1） 221112112122d d [(1)]sin cos [(1)](sin cos )d d f f C C t t C N C N KV ρρααρρααδ+−++−=+=l l l l (6) 式中，α为航向与浪向的夹角，ρ1、c 1、c 2、由试验确定。
根据海浪形成滤波器及上述波高与力矩的关系，即可建立海浪与艏摇扰动的数学模型。
1.5 船位运动模型本控制系统为满足航迹自动操舵仪的检测需要，可根据船舶运行参数，显示模拟船位、模拟GPS 定位信号、偏航量等数据，以便为航迹自动操舵仪提供位置信号。
船位运动模型[3]为：S V V V x sin sin 21+=θ，S V V V y cos cos 21+=θ，∫+=t M yt R V 00d ϕϕ， t R V tN x d cos 00∫+=ϕλλ (7) 式中，θ为航向角，S 为漂移角，λ为经度，ϕ为纬度，R N 为地球卯酉圈曲率半径，R M 为地球子午圈曲率半径。
50 中国惯性技术学报 2005年6月2 航向、航迹自动操舵仪船—舵控制系统的实现陀螺罗经航向控制系统、舵角反馈信号控制系统及船位控制信号的输出必须与真实设备有相同的电气特性。
模拟控制系统的基本原理为：采用数字模拟和物理模拟相结合的方法，通过用舵角对船舶航向影响的数学模型来模拟船舶本体，用舵角随时间变化的运动方程来模拟舵机执行机构对舵角的控制，用模拟GPS定位信号、偏航量等数据来模拟船舶的位置，并把这三个数学模型纳入闭环系统中，然后通过采集自动舵的操舵控制输出信号，用数字模拟的方法产生舵角数据、航向数据和船位数据（均为数字量），再借助适当的外围接口电路和控制部件，用物理模拟的方法生成舵角反馈信号（模拟量）、航向反馈信号（模拟量）和船位相关信号到自动舵，构成自动舵的舵角、航向及船位三路控制。
这就是船—舵控制系统用数字模拟控制系统和物理模拟控制系统相结合的设计思想。
自动操舵仪船—舵控制系统包括控制计算子系统、信号采集子系统、舵角模拟子系统、航向模拟子系统、航迹模拟子系统等。