航向_航迹自动操舵仪船舵控制系统的研制_周永余

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。