浅谈船舶转向机构及其自动化

浅谈船舶转向机构及其自动化

船舶转向控制的核心是船舶航向保持控制。船舶航向控制实际上应区分为两类控制问题:在航向设定值不变时进行航向保持和在设定航向变化时进行航向跟踪。对船舶航向的两种控制应该采取不同的控制策略。但是，为简化起见，也可只应用一种控制律，但辅之以对设定航向的变化进行某种平滑处理，可收到一定的效果。例如采用一种动态的航向设定方法，或者采用间接多模态控制方法。也有很多的采用变结构控制、模糊以及神经网络控制器来控制。在风浪中的控制方面，需要使用风浪模型。应该说船舶转向控制的研究主要集中在自动舵的航迹控制中。

１．船舶操纵系统概述

1.1船舶操纵装置的组成

船舶操纵装置由操纵机构(由安装在驾驶室的发送装置和位于舵机房的接收装置组成，这是操纵装置的指令系统)、舵机(它是转舵的动力)、传动机构(它是用来将舵机所发出的转矩传递给舵柱的设备)、舵叶等组成。根据可采用的控制方式以及所采用反馈信号的不同，可分为应急、随动、航向和航迹这四类主要控制方式。操舵仪不用任何反馈直接操纵舵机控制舵的方式称为应急方式;采用舵角量测反馈形成舵角控制闭环的方式称为随动方式;增加航向量测反馈形成航向自动控制方式称为航向方式;采用位置量测反馈形成位置自动控制闭环的方式称为航迹方式。一般将具有后两种方式的操舵仪称自动操舵仪。因此，自动舵控制系统可有三种工作状态，即随动舵工作状态、航向控制工作状态和航迹控制工作状态。绝大多数的自动舵都有前二种工作状态，航迹控制目前应用相对较少，但这是自动舵的一个重要发展方向。在随动舵工作状态下，自动舵系统仅控制舵的转动角度，其实质是一个舵角位置随动系统;在航向控制工作状态下，操舵系统是它的内环(舵角闭环调节系统)，因此，操舵系统的性能如何将影响航向和航迹控制，影响着船舶操纵性能。

1.2操舵系统的现状

目前船舶操纵系统中比较常见的操舵系统是典型的电液位置伺服系统。电液伺服系统综合了电气和液压两方面的优点，具有控制精度高、响应速度快、信号处理灵活、输出功率大、结构紧凑、重量轻等优点。因此应用极为广泛，凡是需要大功率、快速、精确反应的控制系统，都有它的身影。如在飞机、船舶、雷达、机器人，以及在机床、电炉电极自动升降恒功率等系统中都大量采用了电液伺服系统。

虽然大约从20世纪90年代至今，PID控制、自适应控制、鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制以及Bang-Bang控制、变结构控制、PWM(脉宽调制)、PCM(脉冲编码控制)、以及模糊神经网络等控制在电液伺服系统中逐步得到应用，使系统在满足系统性能要求的前提下，提高了其自适应性及鲁棒性。但在船舶操舵系

统上却应用较少，原因是大家普遍认为操舵系统是单纯的电液位置控制伺服系统，其理论和结构都不太复杂，因此仍普遍采用经典PID控制理论来指导操舵系统的设计。

2.航向控制系统发展

自动操舵控制装置，简称自动舵(autopilot)，自动舵是在随动操舵基础上发展起来的一种全自动控制的操舵方式。由于自动舵灵敏度和准确性都较高，它替代人工操舵后，相对提高航速和减轻舵工的工作量。商品化的自动舵从自出现开始，是随着控制理论的发展而不断改进，主要经历了以下四个阶段:

第一阶段:机械式自动舵。20世纪20年代，美国的Sperry和德国的Ansuchz 在陀螺罗经研究工作取得实质进展后分别独立地研制出第一代自动舵:机械式的自动舵161。它具有里程碑的意义，使人们在船舶操纵方面摆脱了体力劳动，实现了自动控制。机械式的自动舵只能进行简单的比例控制，只能用于低精度的航向保持控制。

第二阶段:PID舵。20世纪50年代，随着电子学和伺服机构理论的发展和应用，集控制技术和电子器件的发展成果于一体的、更加复杂的第二代自动舵问世了，即著名的PID舵。PID舵比第一代自动舵有长足的进步。这种PID航向自动舵是按船舷向误差信号的PID规律来控制的，整定好气、气、凡系数，就能得到较好的操纵性能。

第三阶段:自适应舵。20世纪60年代末，由于自适应理论和计算机技术得到了发展，人们注意到将自适应理论弓!入船舶操纵成为可能，瑞典等北欧国家的科技工作人员纷纷将自适应舵从实验室装到实船上，形成了第三代自动舵。

第四阶段:智能舵。基于熟练的舵手能运用他们的操舵经验和智慧有效地控制船舶，20世纪80年代以来，人们就开始寻找能模拟人工操舵的方法，即第四代智能舵。现比较常见的有3种智能控制方法，即专家系统、模糊控制和神经网络控制。

3.自适应技术

自适应控制系统的设计方法主要有两大类，一是基于自校正控制理论，另一是基于模型参考自适应控制理论。模型参考自适应控制技术是美国麻省理工学院的Whitaker教授为解决飞行器自动驾驶仪的问题而提出来的。自校正控制技术是由Kalman于1958年提出，由于当时的理论和技术发展都不充分，因此没有得到应有的重视和应用。六十年代现代控制理论蓬勃发展，取得了诸如状态空间法、稳定性理论、最优控制、随机控制、参数估计等一些成果，电子计算机的迅速发展为在工业生产过程中实现自适应控制这种复杂的策略提供了必要的技术基础。七十年代以来，自适应控制理论有了显著的进展，一些学者分别在确定性的和随机的、连续的和离散的系统的自适应控制理论方面做出了杰出的贡献。对于系统的控制方案、结构、稳定性、收敛性等方面都有一定突破性的进展，从而

把自适应控制理论推向一个新的发展阶段。也正是在这一时期，海上运输事业的发展，要求船舶的吨位急剧上升，于是出现了“肥胖型”的商船。伴随之产生的是船舶的操纵性能变坏，操船难度加大，特别是在狭窄航道内，航行的安全性更是难以得到保障。再加七十年代发生的二次石油危机，燃油价格暴涨，营运成本上升。为了解决上述的问题，人们开始求助现代控制理论，针对PID自动舵所存在的问题，提出了自适应控制方案。该方案可简要地描述为:系统可随时检测出本身的特性(或其变化)，并在此基础上，对控制器的工作加以适当修正，以便系统内不确定性对系统性能所产生的不良影响得以减小。七十年代中期，一种既可以适应各种海上条件，又能加快航速，保证安全的新型自动舵，即自适应自动舵应运而生了。人们称这种自适应舵为第三代自动舵。进入80年代，人们对自适应理论做了更深入的研究。八十年代中期，发展了预测控制、自适应模糊控制等一些具有更好的鲁棒性和适应性的控制算法。在九十年代，专家控制和基于神经网络的自适应控制得到了发展，为解决复杂系统的控制带来了希望，预计今后自适应技术将朝着智能化的方向发展。

【参考文献】

［１］李大中,王晓慧,张爱平.非线性鲁棒控制方法的新进展[J].热能动力工程,2003,(03).

［２］周忠海,惠超,臧鹤超,成园林,张照文.基于PID控制的电阻加热炉温控系统[J].山东科学,2006,(05).2000,(03).