船舶航迹舵控制技术研究与设计
舵的设计0410
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舵面积
1）如舵面积不变，则K‘的 增加将导致T’的增加；
2）增大舵面积可在T’不变 的情况下增大K‘，或在K‘不 变时，使T’变小； 3）对一般民船， K‘和T’之 间存在一个近似的线性惯性， 找到了其中一个，就可预估 出另一个。
2、悬挂舵：只有上支承而无下支承，其舵叶全部悬挂在船体外的舵杆 上。广泛应用。 3、半悬挂舵：指下支承的位置设在舵叶中间的舵。
三、按舵叶的剖面形状分
1、平板舵：也称单板舵， 仅用于小船。
2、流线型舵(又称复板舵)： 海船广泛采用。 除了部分非自航船外， 绝大数机动船都采用流线型
舵的分类
舵与船体、螺旋桨组成有机的整体，考虑它们的相互影响，力求 降低航向阻力，提高推进效率。
舵设计的内容
舵的数目和形式的选择 舵的尺度和形状的设计 舵力及舵杆扭矩计算和舵机功率估算。
舵的几何要素
舵面积AR：舵叶的侧投影面积（如有部分舵叶露出水面，舵面积
指设计水线以下的舵的侧投影面积）； 舵高（展长）h，舵杆轴线方向舵叶上下缘的垂直距离；
第二节 舵装置的分类
一、按舵杆轴线在舵叶宽度上的位置分
1、不平衡舵：又称普通舵，
适用于小船。 特点：舵叶全部位于舵杆 轴线之后，舵钮支点较多， 舵杆强度容易得到保证。 需要较大的转舵力矩。
2、平衡舵：海船广泛应用。
特点：①舵杆轴线位于舵叶的前后缘之间； ②舵杆轴线之前的舵叶起平衡作用，这部分的面积与舵叶全 部面积之比称为平衡比度或平衡系数，一般在0.2～0.3之间；
船舶舵机系统的设计与建模研究
船舶舵机系统的设计与建模研究船舶舵机系统作为航行安全的保障之一，其设计和建模显得尤为重要。
船舶舵机系统不仅影响着船舶的稳定性和航行性能，而且还涉及到人员安全和船舶的经济效益。
本文将从舵机系统的概念入手，探讨舵机系统的设计和建模，旨在为相关领域的研究提供一些帮助。
一、舵机系统的概念舵机系统是自动控制装置，使用电信号控制船舶舵的转动，可以帮助船舶实现准确的转向和当场制动。
它通常包括舵机齿轮、电动机、滚珠丝杆、伺服阀和计算机控制单元等组成部分。
舵机系统的设计需要考虑船舶型号、船舶尺寸、船舶使用环境以及需要完成的任务，合理的舵机系统设计能够实现良好的船舶航行性能和控制准确性。
二、舵机系统的设计船舶舵机系统的设计可以分为机械结构设计和电气控制系统设计两个方面。
机械结构设计需要考虑舵机材料的选择、舵机机构的设计和优化等问题。
电气控制系统设计需要考虑电路的设计和优化、信号处理系统的设计和实现。
下面将分别介绍这两个方面的设计。
（一）机械结构设计在机械结构设计中，需要考虑如下几个方面。
1.舵机主体材料的选择：舵机主体材料的选择应考虑实用性、耐久性和重量等因素，以适应船舶的使用环境和性能要求。
2.舵机机构的优化设计：舵机机构的设计应优化设计，达到减少重量和空间占用的目的。
舵机的设计中也要考虑用途，例如海洋工程船需要对舵机进行特殊适应，以适应各种不同种类的工作需要。
3.舵机的自动化：舵机的自动化，包括机电一体化和智能化设计。
这种自动化可以加快控制系统的反应速度，使得船舶控制更加精确，从而提高航行安全性。
（二）电气控制系统设计在电气控制系统设计中，需要考虑如下几个方面。
1.电路的设计和实现：电路的设计和实现是舵机系统中最为重要的部分之一，其质量的好坏直接影响着舵机的控制效果。
在电路设计中，需要考虑电路器件的选择和安装，以及电流大小和电压稳定性等方面问题。
2.信号处理系统的设计和实现：信号处理系统的设计和实现可以大大提高舵机的控制效果和精度。
船舶运动控制系统的建模与优化设计
船舶运动控制系统的建模与优化设计船舶运动控制系统是现代船舶自主导航的核心，其设计与优化对于船舶的安全性、航行效率、能耗等方面具有至关重要的作用。
本文将分别就船舶运动控制系统建模和优化设计两个方面进行探讨。
一、船舶运动控制系统建模船舶运动控制系统一般包括自动舵控系统和主机电控系统，二者在船舶航行中协同作用，保证船舶运动的稳定性和效率。
在进行船舶运动控制系统建模时，需要考虑船舶的船型、物理特性、环境因素等多个因素的影响。
1. 船舶运动模型船舶运动模型是船舶运动控制系统建模的基础，其模拟船舶在水中运动时的运动规律，根据不同的需要可建立包括六自由度运动模型、航迹追踪模型、动力学模型等。
其中，六自由度运动模型能够有效地描述船舶在海上的运动状态，包括横向剪切、姿态、滚转、俯仰等关键参数。
2. 自动舵控系统模型自动舵控系统模型用于描述自动舵控系统的工作原理和控制方法，其中自动舵的控制算法是关键。
常见的自动舵控制算法有PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
3. 主机电控系统模型主机电控系统模型主要描述主机如何控制船舶的行进速度和方向，其关键要素是主机故障诊断、主机的动力学模型等。
同时，还需要对主机控制系统的回路进行建模、仿真。
二、船舶运动控制系统优化设计针对船舶运动控制系统的优化设计，主要关注船舶的航速、油耗、航迹精度等指标，同时还需控制船舶的纵横摇、螺旋桨汽蚀等不良因素。
1. 控制自动舵的响应速度自动舵的响应速度关系到船舶的稳定性，对其进行优化设计是提高船舶自主导航能力的关键之一。
具体做法包括调整舵机命令滤波时间常数、确定船舶航向的导引器位置、提高陀螺罗盘的稳定性等。
2. 优化主机控制策略合理的主机控制策略可以降低船舶的油耗、提高船速等指标，适当减小主机转速波动、改进主机排放等措施可以提高主机的控制精度。
3. 选用无侵入式传感器技术无侵入式传感器技术可以测量船舶关键参数，如船体振动、流场状态等，对船舶运动控制系统的优化设计具有重要的作用。
无人船舶中的航迹规划与协同控制系统设计
无人船舶中的航迹规划与协同控制系统设计无人船舶作为一种无需人员操纵的船舶，根据事先设定的航线和任务，在海洋中自主航行执行各项工作。
而航迹规划与协同控制系统则是无人船舶实现自主航行和任务执行的核心技术。
本文将围绕航迹规划与协同控制系统的设计展开讨论，分析其中的关键要素和技术挑战。
首先，航迹规划是无人船舶中航行路径的设定和计划的过程。
航迹规划的目标是使无人船舶能够高效、安全地完成预定任务，并考虑到环境因素和航行要求。
在设计航迹规划系统时，需要考虑以下几个方面：一是环境感知和定位。
无人船舶需要借助各种传感器技术获取周围环境的信息，如海洋测深、潮汐、海流等数据，以便规划出最佳航线。
同时，定位技术的准确性也直接影响航迹规划的精确度和可行性。
二是任务约束和船舶性能。
在规划无人船舶的航迹时，需要考虑船舶自身的性能参数，如船速、航向稳定性等，并结合任务要求制定相应的约束条件，保证船舶能够按时完成任务。
三是航行安全性。
航迹规划系统需要考虑航行安全性，避免与其他船只或障碍物相撞，并根据实时环境信息进行合理的避碰和航线调整。
基于以上要素，航迹规划系统可采用多种方法，如经典的基于规则的方法、基于优化算法的方法以及基于机器学习的方法。
其中，基于规则的方法是传统的航迹规划方法，通过预设规则和经验知识来制定航线。
而基于优化算法的方法可以通过数学模型和计算调整航线，以实现最优路径规划。
此外，近年来应用起来更加广泛的是基于机器学习的方法，通过训练模型来学习航线和环境之间的关系，从而实现智能航迹规划。
协同控制是无人船舶中保证多艘船舶之间协调运行的重要技术。
在无人船舶系统中，协同控制系统负责保持无人船舶之间的合理距离、避免碰撞、协同工作等。
协同控制系统的设计涉及以下方面：一是通信与协作。
无人船舶之间需要进行实时通信，共享位置信息、任务信息等。
在设计协同控制系统时，需要选择适合的通信协议和通信手段，并考虑通信网络的可靠性和鲁棒性，以保证船舶之间的协作顺利进行。
船舶运动学第五章舵的设计
第五章 舵的设计
第三节 舵的类型及布置
一、舵的几何要素及分类
Stock
Root Chord
Trailing Edge
Tip Chord
Span Leading Edge
Rudder Nomenclature
舵的几何要素
1.舵面积Ad
舵的外形轮廓所包围的面积。 2.舵高h 为沿舵杆轴线方向，舵叶上缘 至下缘的直线距离。 3.舵宽b 为舵叶前、后缘之间的水平距离。 对矩形舵舵宽即各剖面弦长， 对非矩形舵可用平均舵宽bm表示
加了舵的进速，横向部分还增大了舵的攻角。
在螺旋桨的尾流之中，舵的水动力特性由尾流场 决定。螺旋桨尾流的诱导速度有三个分量，轴向、 切向和径向。径向分量较小可忽略。确定舵的相 对流速VR和相对水流冲角αR。提出了各家的经验 公式。
三、舵效及舵效指数的概念及其影响因素
1、舵效的概念 操单位舵角后，船舶航行一个船长距离时，取得转向角的大小的效能
运用试验资料来估算舵的水动力特性
运用试验资料来估算舵的水动力特性
舵、船体、螺旋桨的相互影响
（二）船后舵 1。船体对舵力的影响：
有效进速-- 船后伴流降低了舵与水的相对速度。
其大小比螺旋桨处伴流的还要大。
舵二、、船船体、桨、、螺舵旋之桨间的的相综互合影影响响
1. 船体舵力的影响
有效攻角
生作用，当船舶在靠离泊作业、船速很低时几乎 没有舵效。 4、船舶回转中的舵力下降
一是：船舶绕旋回圈中心进行回转时，在舵 叶处存在一个漂角，使水流的有效流入角减小。
二是：船舶在回转中绕自身转心运动时，使 舵叶附近的水流对舵的冲角减小。
舵 影响舵力大小的因素
5、使舵力减小的流体现象 （1）失速现象：当达失速舵角或临界舵角时，舵升力骤然下降。 （2）空泡现象：当舵的背流面压力下降至该温度下的汽化压力时，在 舵的背流面产生空泡现象，使升力减小。 （3）空气吸入现象：在舵叶表面吸入空气、产生涡流而使舵力下降。
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六、自适应舵与航迹舵
2）在进行避让操船时，应终止使用航迹舵。 当定位传感器长期无船位时，航迹舵应批示提醒 驾驶员转到其他的操舵方式；
3）在利用航迹舵自动转向时，驾驶员必须对 周围的海域、船位与所采用的航迹带宽度、对转 向前后的海面状况均了解清楚。航迹带宽度应根 据航行区域与海况确定。当在自动校正风流压影 响及航向修正量过大（例如大于10度）时，应同 时发出报警指示。
六、自适应舵与航迹舵
5）最佳控制器：将卡尔曼滤波器检出的 偏航角加到最佳控制器，经处理后，产生使船舶 回到原航向的舵角指令。因此，偏航角、偏航角 速度和上述性能指标可以在有些自适应舵上自动 确定，而不需要像一般自动舵那样凭经验进行 人工手动设定；
6）增益调节器：当海况恶劣、波浪等噪声 增大时，噪声对船舶转向的影响也随之增大，会 导致卡尔曼滤波检测的精度下降。为了减少这种 影响并改善操作性能，设置增益调节器来调整 增益参数。通过软件可自动选择节能方式和保向 方式。当海况恶劣到一定程度、操纵性能变差 时，可自动转到保向方式上运行。
六、自适应舵与航迹舵
然后给出一个指标航向到自动舵组件中去 执行，使船能够沿着计划航行，并能在预定的 转向点转向，从而达到无人驾驶。
2. 基本工作原理： 1）计划航向的确定：恒向线航法和大圆航 法（在某一段时间内是不变的计划航向）； 2）实时定位的获取：一般由船舶定位仪获得。 GPS定位仪连续性好，精度高；
六、自适应舵与航迹舵
3）航迹带宽度的设置：采用实时船位连续不 断地去修正或改变航向并保持在计划航向上是极 其困难的，所以实际操作中需根据海况等因素， 设定一个允许的计划航线附近一定距离范围内的 位置偏移量与这个偏移量的极限值。
一种船舶直线航迹控制算法及控制参数的设计
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中图分类号 ： Ｔ Ｐ ２ ７ ３ Ｕ ６ ６ １ ． ３ ３ 文献标识码 ： Ａ 国 家标 准 学科 分 类 代 码 ： ５ ８ ０ ． ５ ０
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈｍ ａ ｎｄ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｆ ｏ ｒ ｓ ｈ ｉ ｐ
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第３ ４卷ຫໍສະໝຸດ 第５ 期 仪 器 仪 表 学 报
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Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ． ５
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２ ０ １ ３年 ５月
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浅谈航迹控制系统(TCS)设计
GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船2019年第4期（总第167期） 设计与研究作者简介：王志恩（1977-），男，硕士。
主要从事船舶电气设计工作。
苏珍莉（1983-），女，工程师。
主要从事船舶电气设计工作。
收稿日期：2019-07-04浅谈航迹控制系统（TCS）设计王志恩1，苏珍莉2（1.海装装备技术合作中心，北京 100841; 2.广州船舶及海洋工程设计研究院，广州510250）摘 要：本文收集各国船级社对航迹控制系统的配置要求，介绍航迹控制系统的组成配置、接口设计、功能要求、系统报警及系统设计中需要注意的事项，分析航迹控制系统未来的发展前景。
关键词：TCS；自动舵；电子海图中图分类号：U666.1 文献标识码：ADesign of Track Control System (TCS)WANG Zhien 1, SU Zhenli 2( 1.Naval Armament Technical Cooperation Center, Beijing 100841; 2. Guangzhou Marine Engineering Corporation, Guangzhou 510250 )Abstract: This paper mainly collects the configuration requirements of various classification societies for the track control system, introduces the composition and configuration of the track control system, interface design, functional requirements, system alarm and discusses the relevant matters needing attention in the system design, and analyzes the future development prospect of the track control system.Key words: TCS; Autopilot; ECDIS1 前言随着船舶自动化、智能化水平的不断提高，人们对安全便捷的驾驶方式的需求日益增大，使得航迹控制系统（简称TCS）也越来越受到船东们的重视。
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
船舶导航控制系统中的PID控制算法研究与优化
船舶导航控制系统中的PID控制算法研究与优化摘要：本文从船舶导航控制系统中的PID控制算法的原理和应用入手，探讨了PID控制算法的优化方案，并针对实际应用中的问题，提出了相应的改进策略，为船舶导航控制系统的优化提供了参考。
导航控制是船舶航行过程中的重要环节，但船舶导航控制系统面临的挑战包括环境因素、海洋动力学、自然灾害等诸多因素。
因此，为了确保船只的安全，需要建立一套可靠的导航控制系统。
船舶导航控制系统中，PID控制算法是目前应用最广泛的算法之一。
PID控制算法包含了比例、积分和微分三个部分，可以有效控制船只的航向角和航速。
然而，传统的PID控制算法存在一些问题，例如控制精度低、响应时间长等。
为了优化船舶导航控制系统中的PID控制算法，需要考虑以下几个方面：1. 系统建模与参数调节在实际应用中，不同的船只具有不同的动力学特性，因此需要对系统进行建模，以准确地描述船只的运动状态。
同时，需要通过调整PID控制算法中的参数，以便适应不同的船体运动特性和航行动态，从而提高控制精度和响应速度。
2. 线性化技术对于非线性的船体运动特性，可以采用线性化技术进行处理。
通过将非线性船体运动模型转化为线性模型，可以更加准确地控制船只的姿态和速度，并进一步提高控制精度和响应速度。
3. 自适应控制策略自适应控制策略可以根据实时船体运动状态的变化，自动调整控制参数，以适应变化的环境和负载条件。
这种策略可以进一步提高系统的鲁棒性和控制效果。
4. 智能控制算法基于人工智能的控制算法，如模糊控制算法、神经网络控制算法等，可以更好地适应船只复杂的运动环境和海洋动力学特性，从而提高船舶导航控制系统的控制精度和响应速度。
总之，船舶导航控制系统中的PID控制算法是一个复杂的控制过程，需要综合考虑多个因素，进行优化设计。
本文提出的优化方案和改进策略为船舶导航控制系统的改善提供了重要参考价值。
未来，通过进一步的研究和实践，可以不断提高船舶导航控制系统的性能和鲁棒性，为船只的航行安全提供更加可靠的保障。
船舶辅助设备中的船舶舵机系统设计与控制
船舶辅助设备中的船舶舵机系统设计与控制摘要：随着现代船舶辅助设备的快速发展，船舶舵机系统作为其中重要的部分，扮演着至关重要的角色。
船舶舵机系统的设计和控制策略对于船舶的操纵和稳定性至关重要。
本文从舵机系统的组成部分、参数选取、控制策略和应用发展等方面，对船舶舵机系统的设计与控制进行了详细介绍。
同时，也探讨了船舶舵机系统未来的发展方向，为船舶舵机系统的进一步提升和优化提供了一些有价值的思路和参考。
关键词：船舶辅助设备；船舶舵机系统；设计与控制引言船舶辅助设备中的船舶舵机系统设计与控制是船舶操纵和稳定性的关键因素之一。
舵机系统负责转动船舵以改变船舶的航向，而良好的设计和控制策略能够确保船舶的安全和操作的灵活性。
本文旨在深入探讨船舶舵机系统的设计原理和控制方法，包括系统的组成部分、参数设定和控制算法。
同时，我们还将探讨船舶舵机系统的应用领域和未来发展趋势，为船舶行业的技术进步和创新提供有益的指导和启示。
1.船舶舵机系统的设计1.1舵机系统的组成部分船舶舵机系统是由多个组成部分组成，每个部分都发挥着重要的作用，确保船舶能够准确、灵活地控制舵角。
主要的组成部分包括：舵机：舵机是舵机系统的核心部件，负责转动舵盘以改变舵角。
它通常由电机、减速器和位置反馈装置组成。
舵机的性能和质量直接影响舵机系统的稳定性和精确性。
舵机控制系统：舵机控制系统负责接收船舶操纵指令，并将信号转化为适当的电信号，控制舵机的运动。
它通常由舵机控制器、传感器和通信设备组成，确保舵机按照预定的舵角运动。
舵盘和传动装置：舵盘是操纵舵机的手柄，船舶操作员通过舵盘控制舵机的运动。
传动装置将舵盘的旋转运动转化为舵机的线性运动，使舵机能够改变舵角。
供电系统：舵机系统需要稳定的电源供电，以保证舵机的正常运行。
供电系统通常由电池、发电机和电源管理设备组成，提供所需的电能。
控制台和显示设备：舵机系统的控制台和显示设备用于监控舵机系统的运行状态和舵角变化。
操作员可以通过控制台上的按钮和控制杆来操纵舵机系统，并通过显示设备实时了解舵机系统的工作情况。
船舶舵机控制系统
船舶舵机控制系统章节一：引言船舶舵机控制系统是船舶自动化控制系统中的重要组成部分。
舵机控制系统通过对舵机的控制，实现船舶航向的调整和稳定。
舵机控制系统具有关键性功能，对船舶的操纵性和安全性具有重要影响。
本章将介绍船舶舵机控制系统的研究背景与意义。
首先，分析了船舶舵机控制系统在航海安全和船舶性能改善方面的重要性。
其次，介绍了目前船舶舵机控制系统的研究现状及存在的问题。
最后，阐述了本文的研究目的和内容，以及研究方法和论文结构。
章节二：船舶舵机控制系统原理本章将详细介绍船舶舵机控制系统的原理。
首先，阐述了舵机的基本工作原理以及其在船舶操纵中的作用。
然后，介绍了船舶舵机控制系统的基本构成和工作流程。
包括舵机操纵信号的生成、传输和控制，以及船舶航向的调整和控制过程。
最后，介绍了船舶舵机控制系统的性能指标和评价方法。
章节三：船舶舵机控制系统算法优化本章将研究船舶舵机控制系统的算法优化。
首先，分析了目前舵机控制系统中存在的问题和不足之处。
然后，介绍了一种基于XXXX算法的舵机控制系统优化方法。
该方法基于XXXX原理，通过优化舵机控制算法，提高舵机的响应速度和准确性。
最后，通过实验验证了该优化方法的有效性和可行性。
章节四：结论与展望本章对全文进行总结，并对未来的研究方向进行展望。
首先，总结了本文对船舶舵机控制系统的研究内容和方法。
然后，回顾了本文的研究成果和创新点。
最后，对船舶舵机控制系统的进一步研究方向提出了建议，包括算法优化、系统集成和智能化控制等方面的研究。
通过这些进一步研究，可以进一步提高船舶舵机控制系统的性能和稳定性，为船舶操纵和航行安全提供更好的支持。
全文总结了船舶舵机控制系统的研究背景和意义，详细介绍了船舶舵机控制系统的原理和工作过程，研究了舵机控制系统的算法优化方法，并对未来的研究方向进行了展望。
本文对船舶舵机控制系统的研究具有一定的参考价值，可为相关领域的研究和应用提供一些有益的思路和方法。
在船舶舵机控制系统的研究中，存在着一些挑战和问题。
船舶自动舵的设计
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。
该模型为Nomoto 模型的推广。
已知2阶Nomoto 模型为 δϕϕTK T 1='+'' （1） 对于某些静态不稳定船舶，式（1）左端第二项T ϕ'必须代之以一个非线性）（ϕ'H T K ，且3H ϕβϕαϕ'+'='）（ （2） 于是非线性的2阶船舶运动响应模型成为 δϕϕTK H T K ='+''）（ （3） 显然，在线性情况下为使（1）和（3）式一致，必须有.0K 1==βα，由此可看出ϕβα，，，，T K 的关系。
船舶操纵性能模拟和优化设计技术研究
船舶操纵性能模拟和优化设计技术研究在现代船舶设计中，船舶操纵性能是一个非常重要的指标。
船舶操纵性能直接关系到船舶的安全性、航行性能以及操作人员的船舶操纵的难易程度。
因此，研究船舶操纵性能的模拟和优化设计技术对于提高船舶的操纵能力和提升船舶的性能非常必要。
船舶操纵性能的模拟研究主要通过计算机仿真来进行。
通过建立船舶运动数学模型，可以模拟出在不同操纵条件下船舶的运动轨迹、姿态变化等。
这些模拟结果可以用来预测船舶在不同航行状态下的操纵性能，帮助设计师优化船舶的设计参数以提高其操纵性能。
首先，船舶操纵性能模拟的关键是建立准确的船舶运动数学模型。
这个数学模型应该能够准确地描述船舶的运动特性，包括自由运动和操纵运动。
自由运动包括船舶的漂流运动、操舵运动和纵向运动等，而操纵运动则主要包括船舶的转弯和停止等操作。
建立这个数学模型需要考虑到船舶的外形参数、质量参数、操纵系统参数以及水动力参数等。
只有通过精确建模，才能得到准确的模拟结果。
其次，船舶操纵性能模拟还需要准确的操纵输入。
即通过模拟操纵系统，向数学模型提供准确的操纵指令。
这些操纵指令可以是舵角、舵转速、螺旋桨转速等。
这些指令的准确性对于模拟结果的准确性非常重要。
因此，在设计船舶操纵性能模拟时，需要考虑到操纵系统的灵敏度、延迟等因素。
另外，船舶操纵性能的模拟还需要考虑不同的航行状态。
船舶在不同航行状态下的操纵性能可能存在差异，因此需要在模拟中考虑到这些因素。
例如，船舶在不同海况下的操纵性能可能存在差异。
此外，船舶在不同负载条件下的操纵性能也可能有所不同。
因此，模拟中需要考虑到这些因素，并进行相应的优化设计。
在船舶操纵性能的优化设计中，可以通过改变船舶的几何形状、添加辅助设备或进行控制系统优化等方式来提高船舶的操纵性能。
一种常用的优化设计方法是流线型的优化。
通过改变船舶的几何造型，尤其是船舶的船型和船尾形状，可以减小船舶在操纵时的水动力阻力，提高船舶的操纵性能。
【开题报告】船舶舵机控制系统改进设计
开题报告电气工程及其自动化船舶舵机控制系统改进设计一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义舵机是保持或改变船舶航向，保证船舶安全运行的重要设备，素有“舵机是舰船的生命”之称.目前低速柴油机船舶，均采用电液舵机. 远洋船舶上装备的都是远距离控制自动操舵仪，简称自动舵，几乎全部是电动液压舵机。
电液舵机分为阀控型和泵控型两种，阀控型舵机系统简单，造价低，控制方便，但传统大多采用一般的换向阀，液压冲击较大，可靠性较低.随着自动化技术和液压技术的发展，电液伺服系统以其控制精度高、响应速度快、信号处理灵活、输出功率大等优点，在船舶电液舵机系统中应用越来越广泛.计算机仿真技术的发展，使得液压系统的动、静态特性可以通过仿真分析来得到.当舵机损坏或发生故障，船舶将因丧失机动性，而失去控制。
因此，一旦舵机失灵，后果不堪设想。
舵机是保证船舶机动性和生命力的主要设备之一，也是船上最重要的机电设备之一。
舵机由舵和拖动装置组成。
它的工作相当频繁，在进出港口和狭窄水域，每小时接通次数可达300～600 次，在江上航行时可高达1200 次。
工作负荷在偏舵过程中变化很大，有时可能出现过载，甚至出现堵转，因此要求偏舵速度稳而快，与其它辅机电力拖动有所不同，必须保证工作可靠。
近年来，着对航行安全及营运需求的增长，人们对自动舵的要求也日益提高，自动操舵仪的出现及自动化技术的成熟运用为船舶无人驾驶的发展目标奠定了基础。
根据船舶自动舵的发展历史和控制方法的不同，它大致可分为四个发展阶段，即机械舵、PID 舵、自适应舵和智能舵，其中智能舵为目前最先进的自动舵，它分为专家系统、模糊舵和神经网络舵等。
不管怎样，就整个船舶而言，各种设备系统很多，航行过程复杂，智能化程度不一，如果把他们统一到一种算法中进行系统设计，难度很大，适应力不强。
因此如何对船舶各种设备的控制进行协调，达到共同的控制目标，成为船舶航行运动控制中的首要问题。
正是基于这，对船舶舵机进行深入研究，并谈谈自己的看法。
舵机关键机构设计
舵的示意图：
课题设计的目的、意义：
了解船用舵机，知道船用舵机对船舶航行的作用，了 解船用舵机的组成和结构，主要由舵、舵叶、舵杆、 推舵机构等组成。对船用舵机的主要参数有足够了解 ，学会设计舵机，能对主要结构部件进行布置设计。 在学习和设计中了解船舶及舵机的基本知识，熟悉复 习了以前所学知识，锻炼了我们综合运用理论知识用 于实践的能力。加强了自我解决困难和问题能力，这 对我们以后学习和工作有着重要帮助。
2.根据船只的参数进行水动力特性计算，计算船只需 要的转船力矩、舵叶面积参数。
3.根据舵叶参数和转船力矩设计校核舵杆。 4.确定推舵机构形式，由转船力矩大小，计算推舵力 大小。然后设计确定柱塞式液压缸的参数、压力，选择 与之匹配的液压泵和电机。 5.选择设计舵机的控制机构，使之满足舵机设计要求 。
设计船只参数：
推舵机构的选择：
推舵机构可大致分为回转式和往复式两大类，而往复 式推舵机构中的滑式推舵机构是目前在船舶舵机中应用 最广的一种传统型结构，故本设计选用滑式推舵机构。 本设计选用的是应用比较广的十字头式推舵机构，它主 要由转舵液压缸、液压缸中的撞杆（柱塞）以及与舵柄 相连接的十字形框架滑动接头等所组成。在柱塞往复运 动时十字耳轴能够转动，而不改变柱塞的直线往复运动 。
舵的剖面、形状示意图
舵杆设计：
考虑到舵杆的加工装配问题是用圆柱形舵杆，
由于 M W ，考虑到在自然情况下有风浪颠
簸，以及搁碰等额外负载，并且材料质地还存 在一定的不稳定性和不均匀性，这些因素，都 必须在强度校核时，要求一定的安全系数才能 保证航行安全。计算得到舵杆直径为160毫米 ，其他需要安装销、轴承处适当放大。
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
控制系统中的船舶控制技术
控制系统中的船舶控制技术船舶控制技术是指通过控制系统对船舶的运动和操作进行控制的技术手段。
在现代化的船舶中，船舶控制系统可以说是船舶的大脑，对于船舶的安全、航行、操纵能力至关重要。
本文将以控制系统中船舶控制技术为主题，介绍控制系统中常见的船舶控制技术。
一、船舶自动导航技术船舶自动导航技术是船舶控制系统中的一种重要技术，它通过使用传感器、电子设备和计算机等装置，实现船舶航行的自动导航。
船舶自动导航技术不仅可以提高船舶的航行安全性，还可以提高航行的精度和效率。
1. 全球卫星定位系统（GPS）技术全球卫星定位系统（GPS）是一种常用的船舶自动导航技术。
它通过接收卫星信号，确定船舶的位置、速度、方向等相关信息，从而实现船舶的自动导航和航行管理。
在航行中，船舶通过GPS技术可以准确地确定船舶的位置，实时更新船舶的航行路线，进一步提高船舶的航行安全性。
2. 惯性导航系统（INS）技术惯性导航系统（INS）是一种基于惯性力学原理的船舶自动导航技术。
它通过使用陀螺仪和加速度计等装置，测量船舶的加速度和转动角速度，从而推算出船舶的位置、速度和航向等信息。
惯性导航系统具有抗干扰性强、高精度等特点，可以在复杂的海况下实现船舶的自动导航。
二、船舶操纵技术船舶操纵技术是指通过操纵设备和控制系统对船舶的运动进行控制的技术手段。
船舶操纵技术的发展不仅提高了船舶的操纵能力，还提高了船舶的安全性和航行效率。
1. 舵机控制技术舵机控制技术是船舶操纵技术中的一种重要技术。
船舶通过舵机控制系统可以实现舵轮的旋转，从而改变船舶的航向。
舵机控制技术可以通过传感器和控制器等装置实时监测船舶的航向变化，并通过控制舵机的角度来实现船舶的操纵。
2. 推进器控制技术推进器控制技术是船舶操纵技术中的另一种重要技术。
船舶通过推进器控制系统可以控制船舶推进器的工作状态，从而改变船舶的速度和方向。
推进器控制技术通过控制器和电动传动装置等装置实现对推进器的控制，提高了船舶的操纵性能。
自动控制原理课程设计实验
上海电力学院自动控制原理实践报告课名：自动控制原理应用实践题目：水翼船渡轮的纵倾角控制船舶航向的自动操舵控制班级：姓名：学号：水翼船渡轮的纵倾角控制一．系统背景简介水翼船(Hydrofoil)是一种高速船。
船身底部有支架，装上水翼。
当船的速度逐渐增加，水翼提供的浮力会把船身抬离水面(称为水翼飞航或水翼航行，Foilborne)，从而大为减少水的阻力和增加航行速度。
水翼船的高速航行能力主要依靠一个自动稳定控制系统。
通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。
该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。
因此，设计上要求系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。
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。
当尾舵的角坐标偏转错误！未找到引用源。
，会引起船只在参考方向上发生某一固定的偏转错误！未找到引用源。
传递函数中带有一个负号，这是因为尾舵的顺时针的转动会引起船只的逆时针转动。
有此动力方程可以看出，船只的转动速率会逐渐趋向一个常数，因此如果船只以直线运动，而尾舵偏转一恒定值，那么船只就会以螺旋形的进入一圆形运动轨迹。
二．实际控制过程某水翼船渡轮，自重670t，航速45节（海里/小时），可载900名乘客，可混装轿车、大客车和货卡，载重可达自重量。
该渡轮可在浪高达8英尺的海中以航速40节航行的能力，全靠一个自动稳定控制系统。
通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。
该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。
因此，设计上要求该系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。
上图：水翼船渡轮的纵倾角控制系统已知，水翼船渡轮的纵倾角控制过程模型，执行器模型为F（s）=1/s。
三．控制设计要求试设计一个控制器Gc（s），使水翼船渡轮的纵倾角控制系统在海浪扰动D （s）存在下也能达到优良的性能指标。
假设海浪扰动D（s）的主频率为w=6rad/s。
本题要求了“优良的性能指标”，没有具体的量化指标，通过网络资料的查阅：响应超调量小于10%，调整时间小于4s。
舵的设计 2 船舶设备
➢不平衡舵在任何情况下是稳定的
在小舵角时不稳定
➢平衡舵
在大舵角时稳定
其 临 大小取决于 e ➢舵平衡比 e 的常用范围在0.2～0.3之间，
P33表1-3
2.4平衡比e —影响舵机功率大小
5．倒航情况 随着舵角的增加，压力中心逐渐后移，故舵 杆扭矩的绝对值总是随之而增加。
2.3舵叶剖面形状和厚度比 t
1．为了减小阻力和提高推进效率，几乎都采
用对称的流线型机翼剖面 美国的NACA翼型 ❖常用的有：P29图1-15： 苏联的HEЖ翼型
德国Jfs翼型
瑞典Nss翼型
❖选定了舵剖面的型式确定
b tmax
t
tmax b
2.3舵叶剖面形状和厚度比 t
2．t 对tCL,CP 的影响并不显著 P30图1-16 1-17 舵杆轴线位置不一定是最大厚度位置
④按各部位受力的不同分两种情况：
仅承受扭矩作用
弯矩
同时承受
作用
扭矩
4.1舵杆直径的计算
1．对仅承受扭矩作用的舵杆
= M t [ ]
Wp
对圆形截面，其抗扭剖面模数
Wp
d3
16
舵杆直径：
d 3 16Mt
[ ]
[ ] [ ]
1.3
4.1舵杆直径的计算
弯矩M b
2．对同时承受弯弯矩矩M 按第三强度理论扭矩M
舵的设计
在给定船型、航速的情况下，如何设 计出一个合适的舵装置 1．舵设计的基本思想：
①在满足回转直径的要求下，提供适宜的转舵力矩 ②小舵角状态下能及时应舵（灵敏的舵效应）
在这个前提下，要求舵设备重量轻、体积小、舵 机功率小、抗损性能好，容易制造，便于维修。
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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。
本来就有的鲁棒性以及参数易被调整和结构简单是PID自动舵所具有的特点。
由此PID 自动舵被广泛的认可。
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舵。
1.3 自适应自动舵
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原理来设计的。
第二种是模型的自适应和参考来进行设计的。
模式是由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。
自我校正是Kalman在1958年根据相关的研究提出的。
那时相关航行理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70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自适应自动舵，于是便形成了第三代自动舵。
1.4 智能自动舵
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，其实际船舶系统具有不稳定、不确定性以及复杂性和非线性。
所以很难构成精确地模型方程，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80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智能控制，分别是神经网络控制、专家系统控制和模糊控制。
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術的研究当中去，其仿真系统中一般存在着三种形式，是物理、单机和双机仿真。
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，但是单机仿真可以当作一个初步验证手段。
对比这三种船舶运动仿真系统，最简单是单机仿真，但这种方法只能给出初步结果。
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要大量资金的投入才能正常进行。
3 航迹控制研究的有关内容
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关的船舶运动模型。
第二要设计好航向控制器。
将PID技术应用到其中，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。
总而言之，由于海上运输这一事业的日益突出，海上出现事故这一现象也日益的突出。
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，其目的都是为了能够给人们带来更方便、更安全、更科学的生活。
参考文献
[1]鞠世琼.船舶航迹舵控制技术研究与设计[J].哈尔滨工程大学，2007（01）.
[2]赵晴.船舶航迹智能控制算法和研究[J].集美大学，2012（04）.。