自动舵控制系统设计

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无人船自动舵控制系统设计及优化

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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。

船舶舵轮系统的自动化控制策略研究

船舶舵轮系统的自动化控制策略研究导言：舵轮是船舶中非常重要的组件之一，它用于控制船舶的航向。

随着科技的发展和航运业的进步，舵轮系统的自动化控制策略变得越来越重要。

本文将探讨船舶舵轮系统的自动化控制策略研究，包括传统的PID控制和现代的模型预测控制等。

传统控制策略：PID控制PID（比例积分微分）控制是一种经典的控制策略，广泛应用于船舶舵轮系统的自动化控制中。

PID控制通过测量船舶的偏离角度，并与目标角度进行比较，实现对船舶舵轮的控制。

具体而言，PID控制根据偏离角度的大小来调整舵轮的活动范围，使船舶保持在预期的航向上。

尽管PID控制简单易行，但它对于系统动态性能的改善还存在一定的局限性。

现代控制策略：模型预测控制模型预测控制（MPC）是一种基于数学模型的控制策略，用于预测系统的未来行为并优化控制信号。

在船舶舵轮系统中，MPC通过建立船舶的数学模型，并使用该模型预测船舶在不同控制量下的响应。

然后，MPC计算出最优的控制信号，使船舶能够实现更快的响应和更好的航向控制。

与PID控制相比，MPC可以更好地解决系统的非线性和时变性，提高控制性能。

船舶舵轮系统的自动化控制策略研究的挑战：在研究船舶舵轮系统的自动化控制策略时，我们面临着诸多挑战。

首先，在设计自动化控制策略之前，我们需要充分了解船舶和舵轮系统的特性。

这包括船舶的动态响应、舵轮系统的非线性特性以及水流和风力对船舶舵轮的影响等。

其次，船舶舵轮系统的自动化控制需要考虑到不同的工况和环境条件，例如航速、船型和水深等。

只有充分考虑到这些条件，才能设计出更加稳定和可靠的自动化控制策略。

结论：船舶舵轮系统的自动化控制策略研究对于现代航运业的发展非常重要。

传统的PID控制策略可以很好地应用于船舶舵轮系统的自动化控制，而现代的模型预测控制策略则可以进一步提高控制性能。

然而，研究船舶舵轮系统的自动化控制策略仍然面临着挑战，包括对船舶和舵轮系统特性的充分了解以及考虑不同工况和环境条件等。

基于 PR -6000的万吨级散货船自动舵系统设计

舵中的自适应控制系统依靠在线辨识对于不断变化的航行数据进行分析处理，实时调整系统中的模型参数，通过自适应算法改变船舶的舵角，最终使得船舶航行中的动舵次数
最少、偏航幅度最小，船舶处于最佳航行状态。１．１．３智能控制理论与智能自动舵。智能控制是将人
Ｌ —— — —— —— —— —————— ——— — —— —— —— —— ——— — —— — ．．．Ｊ
舵仪。下面对自适应自动舵的工作原理进行简单分析。
在自适应自动舵的控制系统中关键的问题是自校正控
关键，也就是调整比例系数、积分时间以及微分时间以符合制方案的确定，如图１所示。被控制对象与自动校正控制器是该系统的两个重要部分。船舶在航行过程中水面状载重量以及水的深度都在变化，这就使得船舶的运动特性况、速度情况、载重情况都在不断变化，相应地，舵角也在不也在不断变化；与此同时风流、水流以及波浪等水面情况也断变化。船舶的运动和各种扰动使得系统的模型参数一直要通过在线辨识实时分析处理变化中的数在变化，对船舶的运动形成扰动。这就要求ＰＩＤ自动舵的处于变化中，＿５自校正控制器在系统运行中使模型参数能够进行自操作要能对增益、积分时间和微分时间进行调节，以达到较据。
１．１自动控制理论与自动舵的发展。
１．１．１比例微分积分控制技术与ＰＩＤ自动舵。ＰＩＤ即少了对数学模型的依赖性。
比例微分积分控制技术。ＰＩＤ功能的实现主要是依靠模拟
电子电路去搭建完成。其具有简单的结构、稳定的性能、可靠的工作度，调整也较方便。数学模型的建立需要许多确定的参数，这就决定了ＰＩＤ控制具有一定的确定性。在以ＰＩＤ控制器为核心的自动控制系统中，参数的整定是被控制过程的特性。船舶在航行过程中，船舶的航行速度、

船舶自动舵的设计

船舶自动舵的设计-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1船舶自动舵的设计吕振望，高帅（大连海事大学航海学院大连 116026 ）摘要：自动舵作为船舶改变航向和保持船舶航行在给定航向上的重要设备，对于船舶航行的安全性和经济性具有至关重要的作用。

本文就自动舵设计所采用的二阶响应数学模型（Nomoto模型）进行了介绍。

同时，主要以在线自整定PID（Proportional Integral Differential）船舶自动舵为例，简述了继电型自整定PID控制的基本原理及PLC（Programmable Logic Controller）实现的基本方法，给出了基于PLC的在线自整定PID船舶自动舵的设计原理和实现方案。

关键词：船舶自动舵；自整定PID；船舶0 引言自动舵是一种自动操舵装置控制系统，能模拟并代替人力操舵，还可和其他导航设备结合组成自动导航系统，使船舶全程无人驾驶成为可能，大大提高了自动化水平。

随着智能控制理论与计算机工业的飞速发展，许多新型的控制理论伴着微型计算机的广泛应用，同样也应用到自动舵上。

本文主要以自整定PID 自动舵为例，说明了船舶自动舵的设计原理，对在自动舵设计中，所采用的数学模型进行了探讨，同时介绍自整定PID 的算法以及如何正确地使用自动舵。

1 船舶自动舵的设计原理船舶自动舵的主要结构是控制系统，其标准反馈结构图1如下：信号部分r ，d ，y ，u ；控制部分K ；被控对象部分P ；和传感器部分M 。

图1 控制系统的框图1.1 船舶运动响应模型研究船舶自动舵的设计需从船舶运动的数学模型开始，船舶运动的数学模型是船舶自动舵设计原理中很重要的一部分。

本文以响应模型[1]为例来说明船舶的运动。

响应模型略去了横漂速度，抓住船舶动态从舵角到航向的导数再到航向的主要脉络，所获得的微分方程可保留非线性影响，把风浪干扰作用折合成为某一种干扰舵角构成一种输入信号与实际舵角δ一道进入船舶模型。

船舶自动控制及舵机系统的设计优化

船舶自动控制及舵机系统的设计优化一、引言航运作为世界贸易的主要方式之一，已成为全球经济发展不可分割的一环。

随着科技的不断进步和应用，船舶的自动控制和舵机系统的优化设计显得越来越重要。

本文将从船舶自动控制和舵机系统的设计优化两方面进行探讨。

二、船舶自动控制1. 船舶自动控制概述船舶自动控制是指通过计算机和电子技术实现对船舶自身的动力系统、舵机系统、导航系统等进行自动化管理和控制。

这种自动化控制系统能够使船舶在海上航行更加安全、稳定、高效。

2. 船舶自动控制的优点（1）提高航行安全性：船舶自动化控制系统能够监测船舶动力、水流等方面的数据，并及时作出调整，从而确保船舶在海上航行中不会出现危险情况。

（2）节省船舶人力资源：自动化控制系统不需要很多人手来操作，解放了一部分人力资源。

同时，自动化控制还能提高船员的工作效率和安全性。

（3）提高航行效率：船舶自动化控制系统能够根据航路和天气等信息，制定最优航行方案，这能够增加船舶行驶的速度并提高船舶的作业效率。

3. 船舶自动控制技术（1）船舶动力系统自动控制技术：船舶动力系统自动控制技术主要包括发动机控制、舵机控制和电缆控制等方面，通过计算机程序实现自动化控制。

（2）舵机系统自动控制技术：舵机系统自动控制技术主要是指利用计算机程序和传感器对舵机的运动轨迹进行控制。

（3）导航自动控制技术：通过利用卫星导航和高精度地图等技术，实现船舶在海上自主导航控制。

三、舵机系统的设计优化1. 舵机系统的基本原理舵机系统是船舶的主要控制装置，其作用是通过转动船舶舵轮实现对船舶方向的控制。

舵机系统由舵机、传动机构和控制装置组成。

在设计舵机系统时，应考虑到的因素包括舵机的扭矩、传动机构的总重量和总长度、控制信号的传输方式等。

2. 舵机系统的设计优化（1）舵机选型的优化：选用与所需扭矩最接近的舵机，可以实现最高效率的控制，并能大大降低成本。

（2）传动机构的优化：传动机构应尽可能精简，能够实现最佳的机械传动效率和稳定性。

船舶舵机控制系统的优化设计

船舶舵机控制系统的优化设计船舶在海洋中航行，舵机控制系统就如同船舶的“方向盘”，其性能的优劣直接关系到船舶的航行安全和操控性能。

随着船舶技术的不断发展，对舵机控制系统的要求也越来越高。

为了提高船舶的操纵性、稳定性和可靠性，优化舵机控制系统的设计变得至关重要。

一、船舶舵机控制系统的基本原理与组成船舶舵机控制系统主要由舵机、传感器、控制器和执行机构等部分组成。

舵机是将电能转化为机械能，驱动舵叶转动的装置；传感器用于检测船舶的航向、航速、舵角等参数，并将这些信息反馈给控制器；控制器则根据传感器的反馈信号，按照预定的控制算法计算出控制指令，驱动执行机构调整舵叶的角度，从而实现对船舶航向的控制。

在传统的船舶舵机控制系统中，通常采用PID（比例积分微分）控制算法。

PID控制算法简单易懂、易于实现，但在面对复杂的海洋环境和船舶动态特性时，其控制性能往往难以满足要求。

例如，在船舶受到风浪等干扰时，PID控制可能会出现超调量大、响应速度慢等问题，影响船舶的操纵稳定性。

二、现有船舶舵机控制系统存在的问题1、控制精度不足由于船舶在航行过程中受到多种因素的影响，如水流、风浪、负载变化等，现有的舵机控制系统在控制精度方面存在一定的不足，导致船舶的航向偏差较大，影响航行安全和效率。

2、响应速度慢在紧急情况下，如避让障碍物或应对突发海况，现有的舵机控制系统可能无法迅速响应，导致船舶的操纵灵活性下降，增加了潜在的危险。

3、抗干扰能力弱海洋环境复杂多变，风浪、水流等干扰因素对船舶的影响较大。

现有的舵机控制系统在抗干扰能力方面表现不佳，容易受到外界干扰的影响，使船舶的航向发生较大的波动。

4、可靠性有待提高船舶在海上航行时间长，工作环境恶劣，舵机控制系统的零部件容易出现故障。

现有的系统在可靠性设计方面存在不足，一旦出现故障，可能会导致船舶失去控制，造成严重的后果。

三、船舶舵机控制系统的优化设计思路为了解决现有船舶舵机控制系统存在的问题，提高系统的性能，需要从以下几个方面进行优化设计：1、先进控制算法的应用采用现代控制理论中的先进控制算法，如模糊控制、神经网络控制、自适应控制等，取代传统的PID控制算法。

一种舵机控制系统设计

ｐｅｅｔｏｌｔｉｒｊｃａｄｗｒｒｃｌｏｎｒｌｙｔｍａｄｇｅｔｅｄｓｎｏａｄａｅｎｆａｅｒｓｎｌｃｖｙｐｏｔｎｏｋｐｉｉｅｆｏｔｓｎｉｅｉｆｒｗｒｄｓｔｒ．ｃｅｉｔｅｎｐｃｏｓｅｖｈｇｈａｏｗ
ｑｒｍｅｆｔｅＲＣＳ，ｔｅａｔｃｅｐｏｏｅｎｉｅｄｇｔｌＢＬＤＣＭｏｔｏｙｔｍａｅｎｓｎｌＰＧＡ．ＴｕｉｅｎｔｏｈｈｒｉｌｒｐｓｄｅｔｒｉｉａｃｎｒｌｓｓｅｂｓｄｏｉｇｅＦｏ
第４４卷第５期
２０１１焦
蘸
ＭＩＣＲＯＭＯＴＯＲＳ
Ｖｏ．４．Ｎｏ５１４．
５月
Ｍａ．０１ｖ２１
一
种舵机控制系统设计
刘兴中，唐德宇郑自，刘雄。，伟
（．贵州航天林泉电机有限公司，贵阳５００；ｃＬｎ１５Ｆｃｒ，Ｇｉｎ５０８ｈｎ）ｌａｙＲｐｅｎａｉｆｅｏＡｉ８ａｔｙｕａｇ５００，ＣｉａｉｓｖｆｆＰｉｏｙ
ＡｂｔａｔＲｄｅｃｎｒｌｙｔｍ（Ｃ）ｉｏｅｏｅｋｙｓｓｍｏｄｍｏｂｃｏｄｎｈｅｓｒｃｕｄｒｏｔｓｉｏｓｅＲＳｓｎｆｔｅｙｔｆｈｅｍｏｅＢｍ．Ａｃｒｉｇｔｔｅｒ— ｏ
２．中国人民解放军驻１５军代室，贵阳５００）８５０８
摘
要：舵系统是现代武器（如炸弹）关键系统之一。根据舵机控制系统需求，提出一种以单片ＦＧＰＡ为核心的全数

【精品】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NAUTOCONTROL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。

第七节自动操舵控制系统解读

自动操舵工作原理
自动操舵：实际上是自动航向保持仪。组成原理：利用电罗经检测船舶实际航向α ，然后与给定航向K°进行比较，其差值作为操舵装置的输入信号，使操舵装置动作，改变偏舵角β 。在舵角的作用下，船舶逐渐回到正航向上。船舶回到正航向后，舵叶不再偏转。线路分析：最简单的电动操舵线路的工作过程见图。
3．控制系统要可靠
（1）应有驾驶台和舵机舱两个以上控制站、并设转换开关防同时操作。（2）设有自动、随动、应急三种操舵。（3）应设舵叶偏转限位开关，失压报警，自动操舵极限角自动报警。
二、操舵方式、类型、工作原理
三种操舵方式，主要掌握它们的作用、特点和工作原理。
1.单动操舵工作原理 2.随动操舵工作原理 3.自动操舵工作原理
自动操舵系统基本要求：
1、自动操舵性能良好 2、具有必要的调节装置 • ①灵敏度调节 • ②舵角比例调节 • ③反舵角调节 • ④压舵调节 • ⑤航向调节 3、应设有随动、单动等操舵设备
• 作业 • 阅读：P134 ～P140 • 习题：1255～1274
微分舵又叫纠偏舵、稳舵角或反舵角。
3、比例-积分-微分舵（PID舵）
组成：是在比例 - 微分舵基础上增加积分环节。积分环节作用是 —— 克服不对称偏航。K3是积分系数。不对称偏航的产生：不对称偏航是某舷（侧）的偏航角持续时间比另一舷（侧）偏航角持续时间长。原因：装载不对称，斜向风的持续影响，斜向海潮的持续影响。—— 对于具有双螺旋桨推进的船舶，螺旋桨推进的不平衡也会产生不对称偏航。积分环节工作原理：积分环节可以对偏航持续时间进行累积，当某舷（侧）偏航持续的时间比另一舷（侧）持续时间长时，通过环节输出的信号（偏舵角）将继续保持，这个信号将通过执行机构使舵叶维持在一定的偏转角度上，从而使船舶具有克服单向偏机械；⑵.电动 - 液压。

舵设备与操舵第四节操舵装置的控制系统

第五节自动舵（autopilot）
3.使用自动操舵仪(自动舵)的注意事项
１)自动操舵只有当船舶航行于海上，不需要频繁变向时才使用。其他情况。。。需要人工操舵时，均应使用或改为人工（随动）操舵。 • 船舶遇有大风浪，或为保护自动舵时也应改用人工操舵。 • 在上述这些情况下，应毫不迟延地为值班驾驶员提供一位合格的舵工，该舵工应随时准备接过操舵工作。２)当随动操舵时操舵失效或在自动操舵时自动和随动均失效时，应立即按应急操舵程序改为应急操舵。３)从自动操舵转换为人工操舵，以及相反地从人工操舵转换为自动操舵，应由一位负责的驾驶员操作或在其监督下进行操作。４)在长期使用自动操舵仪以后，以及在进入需要特别谨慎驾驶的区域以前，均应试验人工操舵。通常在使用自动舵航行时，每一航行班次(即每4小时)至少应检查一次随动操舵装臵是否正常。５)在随动操舵状态下，自动操舵的有关各调节旋钮不起作用，但当随动转入自动操舵时，应先将压舵旋钮和自动改向旋钮调至零位。
1.力矩马达式操舵控制系统 2.伺服油缸式操舵控制系统
二、电动操舵装臵的控制系统
1.单动操舵控制系统（手柄控制系统）
a.原理； b.操舵注意两点（按舵角和航向操舵的不同）
2.随动操舵控制系统
注意工作原理。
随动操舵（Follow-up steering）控制
第四节操舵装臵的控制系统
操舵控制系统的布臵要求：
5）压舵调节：
无积分作用的自动舵设此旋钮，用以调整压舵的舵角大小。当船舶受到风流等恒值外力干扰而向单侧方向偏转时，需向相反一舷压舵，以抵消单侧偏航作用。压舵的舵角大小可以根据船舶偏转情况来选定。对于PID自动舵，当利用GPS自动测算时，不必人工调节。

6）自动改向调节(Course adjust)：

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。

船舶舵机装置的自动控制系统介绍

三、对舵机拖动控制系统的技术要求（一）、从主配电板到舵机舱应采用双线供电制，并尽可能远离分开敷设（如左、右舷两路）。在正常情况下应急配电板供电时，其中一路可以经应急配电板供电。驾驶室与舵机舱的操舵装置应使用同一电源。（二）、舵机电动机应满足舵机的技术性要求，并能保证堵转 1min的要求。（三）、拖动电动机组应采用双机系统，各机组可单独运行（一机组为备用），也可同时运行。一机组故障碍时，另一机组应能自动投入运行。（四）、至少设有驾驶室和舵机舱两个控制站，并设有转换装置，防止两地同时操纵。（五）、现代船舶驾驶室多装有操舵仪，一般设有自动、随动、应急三种操舵方式，也可只设两种。（六）、船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时，不仅能满足舵自一舷350转至另一舷350的最大舵角要求，还应满足自任一舷350转至另一舷300的时间不超过28s的转舵速度要求。（七）、舵角指示器指示舵角的误差应不大于±10。
右偏，并自动停在右舵，舵操右舵XX0，舵叶右偏，并且自动停在右舵XX0上。为了减小S形航迹的振幅，船舶在返回正航向过程中，必须操回舵．
图13-8 随动操舵方框图
图13-9为自动操舵的原理图。当船舶沿给定航向上航行，舵叶在艏艉线上，如图示，滚轮1恰好与绝缘块4接触，两个继电器KA1、 KA2线圈都不通电，其常开触头都开启，直流发电机G磁场电流为零，输出电压U0为零，直流电动机M停转。沿着正航向航行的船舶，当受到风、水流等外界干扰而向右或左偏转离开正航向K某一角度γ 时，通过罗经的航向发送器，使航向接受器也转动同一角度 γ，于是被航向接受器带动的滚轮1也就在两个导电半圆环2、3内侧滚动某一角度，或与导电半圆环2接触，或与3接触，于是
Aura′=0，电动机停止转动。舵叶处于右舵与舵轮转角相对应的某一角度的位置上。如果要求回舵，就得舵轮扳回零位，R1的滑动点从a点重新返回到0点，电桥平衡又被破坏，但这时放大器的输入信号U0a′<0，发电机励磁电流IfG和输出电压U0为负，电动机逆时针方向转动，舵叶向着艏艉线方向偏转。当回到艏艉线上时，通过反馈机构，R2 的滑动点也从a′点返回到0′点电桥又重新恢复平衡，放大器输入信号U00′=0，电动机停止转动。改变舵轮的转动方向，便可以改变电动机旋转和舵叶偏转的方向。随动操舵的方框图如图13-8所示。由方框图可知，就其工作原理来说，随动操舵就是一个闭环的随动系统，是一个根据偏差进行自动调节的系统。这种系统的停舵指令不是由操舵人员发出的，而是在舵叶偏转过程中，由它本身通过反馈机构发出的。由于闭环系统中采用了比较环节（由两个电位器组成的电桥）进行比较，因此只有当舵角反馈信号（与偏舵角β成比例）与操舵信号（分操舵角γ 成比例）相等时，偏关信号U1=0，舵叶才会停止偏转。舵轮从角回互零位，舵叶也从β角回到艏艉线上。图13-8 随动操舵方框图随动操舵的方法是，船舶在偏航右舵，舵轮操右舵XX0，舵叶右

基于自抗扰控制器的船舶电动舵机控制系统设计

第３５卷第１２期
２０１３年１２月
舰
船
科
学
技
术
Ｖｏ１．３５，Ｎｏ．１２
Ｄｅｃ．，２０１３
ＳＨＩＰＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
基于自抗扰控制器的船舶电动舵机控制系统设计
闰飞飞，陈圣东，刘亚丽
ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｓｕｃｈａｓｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅ，ａｎｔｉ — ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅａｎｄｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｒｉｎｇｇｅａｒ；ＡＤＲＣ；ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ
ＤｅｓｉｇｎｆｏｒｓｔｅｅｒｉｎｇｇｅａｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＡＤＲＣ
ｒＡＮＦｅｉ — ｆｅｉ，ＣＨＥＮＳｈｅｎｇ — ｄｏｎｇ，ＬＩＵＹａ — ｌｉ
０引言
船舶自动舵实际上是一种航向自动控制系统，其被控量是船舶的实际航向。无论是随时改变航向
变化以及干扰，经典ＰＩＤ控制器不能实时改变控制参数，难以满足控制系统的性能指标要求 ¨ 。自抗扰控制器（ＡｕｔｏＤｉｓｔｕｒｂａｎｃｅＲｅｓｉｓｔａｎｔＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＡＤＲＣ）是一类非线性控制器，在继承经典ＰＩＤ控制器优点的基础上，通过改进经典ＰＩＤ控制器固有缺陷而形成的新型控制器，其能够观测到系统 “ 内扰 ” （即参数变化带来的扰动）与 “ 外扰 ” （如负载变化）的作用，并补偿它们的总

第五章舵系统设计(1)介绍

ui 0时，I i1 i2 0
，滑阀左移，高压油进入作动筒左腔，活塞上压差为，推动活塞右移，使舵面转．滑阀左移的同时，
推动反馈杆顺时针旋转，衔铁以顺时针方向力矩与信号力矩平衡，此时滑阀左边的开口量与信号成正比，而进入作动筒的流量又与滑阀开口量成正比．；在活塞右移的同时，由反馈电位汁输出一个与连杆位移成正比的反馈信号，当时， I 0 在力反馈的作用下，衔铁回到中立位置，从而使滑阀回到中立位置，于是活塞就不再移动．舵面偏转一个与 u 0 相对应的正角度．同理，当
作动筒采用双向作用的直线位移式作动筒．液体流量是与作动筒活塞线速度成正比．活塞的直线往复运动通过操纵机构变成舵面的旋转运动．反馈电位计装在作动筒内，电刷由舵机的活塞杆(以下称连杆)带动，与活塞线位移成正比的反馈电位计输出信号在综合放大器中与输入信号进行综合
当
＝0时，综合放大器输出的差动电流
四舵系统的工作原理
舵系统;
控制导弹舵面或副翼偏转的伺服系统，舵系统是自动驾驶仪的一个重要环节，
特点是；惯性大、功率强和非线性因素比较明显的一个复杂环节．它对自动驾驶仪的性能，有重大影响．
4.1舵系统原理
不同舵系统的具体结构和控制方法各异，但工作原理大致相同．现以液压舵系统为例，说明工作原理．图4—1是液压舵系统原理方框图。
(1) 全负载状态的液压舵机传递函数全负载；系指惯性负载、粘性负载和弹性负载同时存在．并假设液压油不可压缩，泄漏损耗很小，可忽略不计．全负载状态下液压舵机框图如图4—4所示．根据图4—4，简化
液压和气压舵机而言，是指包含带活塞的连杆和带舵面的操纵机构；对电动舵机而言，应包括电动机的转子和带舵面的减速机构．在负载状态下，必须把舵机的传动部分看成一个整体环节研究．根据需要可以折算到舵轴上分析计算，也可以折算到连杆上(或电动机转轴上)分析计算．现以液压舵机为例，直接给出不同类型负载状态下的舵机传递函数，而略去中间推导过程．

第五章舵系统设计(1)解读

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i
相对应的负角度．
4.3
舵系统设计的一般要求（1）一般要求 1) 应满足控制系统提出的最大舵偏角 max 。和空载最大舵偏角速度 max 的要求． 2) 应能输出足够大的操纵力和操纵力矩，以适应外界负载的变化，并且在最大气动铰链力矩状态下，应具有一定的舵偏角速对舵面反操纵作用，应具有有效的制动能力(或称刹车能应具有足够的带宽，以满足弹上飞行控制系统的需要．体积小、质量轻、比功率大、成本低、可靠性高及使用维护
液压和气压舵机而言，是指包含带活塞的连杆和带舵面的操纵机构；对电动舵机而言，应包括电动机的转子和带舵面的减速机构．在负载状态下，必须把舵机的传动部分看成一个整体环节研究．根据需要可以折算到舵轴上分析计算，也可以折算到连杆上(或电动机转轴上)分析计算．现以液压舵机为例，直接给出不同类型负载状态下的舵机传递函数，而略去中间推导过程．
25%
8)带舵面的操纵机构传递函数为
kch Wch ( s) 2 2 X (s) Tch S 2chTch S 1
( s)
kch max / X max 1.28
ch 0.05
Tch 1/ (2 fch )
fch 40( Hz )
9）弹上液压油源工作压力为；
(2)舵系统动特性计算舵系统开环频率响应； K z K yD K FK e
s
根据计算方框图，得舵系统开环传递函数； W0 ( s ) s (TyD s 1)(TFK s 1)
K0 , ( 0) s (TyD s 1)(TFK s 1) K 0 K z K yD K FK ; 舵系统开环传递函数

5)最大舵指令(对应±30°)±6V. 6)舵系统等效传递函数为

舵机控制系统的设计

舵机控制系统的设计湖南涉外经济学院本科毕业论文（设计）题目舵机控制系统的设计作者nnnnn学院信息科学与工程学院专业电子信息工程学号nnnnn指导教师nnnnn二〇年月日湖南涉外经济学院本科毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立开展工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或创作过的作品成果。

对本文工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

本科毕业论文（设计）作者签名：二○○ 年月日摘要智能汽车可以说是一种智能的机器人,这种汽车可以更好的适应不同的工作环境,不会受到温度和湿度和空间辐射和磁场以及重力条件的影响,可以到人们无法进入的环境中完成人们无法的使命,适合于国防等很多领域。

这次设计主要是智能车的设计和实现,主要讲述了智能汽车从硬件到软件的设计和实现的全过程。

我们可以用一个微分模型的驱动车作为智能汽车的基本载体,系统使用的是可靠性高,抗干扰能力强,工作频率高,系统实时好的16位单片机MC9S12DG l28b作为控制的核心系统。

安装CMOS相机负责收集道路信号,作为汽车导航。

设计的目标是为了可以使智能汽车可以弯曲不平的道路上跟踪独立运行,不偏离路径,越快越好。

在智能车设计目标中,介绍了相应的软件系统和硬件电路的设计,硬件电路主要包括有电源模块、相机模块、日志模块、电机驱动模块,无线通信模块,手动设置模块电路等。

在软件控制系统中,设计了一个相机收集信息和图像处理程序,根据道路的信息,可以采用不同的控制方法来控制智能车的速度和方向。

汽车的速度系统是采用的PID控制的快速最优控制车速,其结构简单,具有很强的灵活性能,不一定需要一个精确的数字模型;车的方向控制主要是采用的模糊控制的方法,还充分的利用了单片机MC9S12DG l28b本身带来的一些模糊控制命令,简化了模糊调整速度和算法过程,大大减少了计算的时间,更加有利于模糊推理机。