自动舵的发展及其特性

自动舵的发展及其特性

自动操舵控制装置，简称自动舵autopilot，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。它是船舶运动控制问题中具有特殊重要性的一个系统，用于航向保持/航向改变/航迹保持控制。它是根据陀螺罗经的航向信号和指定的航向相比较来控制操纵系统，自动使船舶保持在指定的航向上。由于自动舵灵敏度和准确性都较高，它替代人工操舵后，相对提高了航速和减轻了舵工的工作量。早在20世纪20年代已出现商品化的机械式PID自动舵用于商船的航向保持。在此后的历史进程中，随着科学的发展和技术，工艺的进步，自动舵的构造变化巨大，电气式，电子式，微型计算机化的产品相继问世。目前商船均配置有自动舵，当定向航行且航区没有其他船往来时，则可改手操舵为自动舵。船舶借助螺旋桨的推力和舵力来改变或保持航速和航向，实现从某港口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的控制系统，其性能直接影响着船舶航行的操纵性，经济性和安全性。因此，船舶操纵系统的性能，一直被当作是一个具有较高经济价值和社会效益的重要问题，引起人们的关注，并吸引着世界各国一代又一代的工程技术人员围绕着进一步改善该系统的性能这一课题而不断地进行研究和探索。

自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置。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；给定航向和实际航向比较环节；航向偏差与舵角反馈比较环节；控制器；执行机构；舵；舵角反馈机构等。舵系统的性能主要是由控制器的性能决定的，因此自动舵的技术发展，也主要表现在控制技术的推陈出新。

自动舵的发展是随着自动控制理论和技术的发展而发展。在自动控制理论和技术发展的不同阶段，取得了不同的研究及应用成果，开发出一代又一代新型的自动舵产品，为航运业的发展作出了巨大的贡献。

自动舵的发展及其特性：

船舶在海上航行时，由于受到海风，海浪及海流等海洋环境扰动的作用，不可避免地要产生各种摇荡和航向改变，其运动形式可以分为两大类：一是船舶的操纵运动，另一个是船舶的摇荡运动。所谓操纵运动是指驾驶者借助于操纵装置，来改变或保持船的运动状态；而摇荡运动是指在风，浪，流的干扰下产生的往复运动。

自从20世纪20年代机械式自动舵应用于船舶航向控制到现在航向自动舵及其控制算法发展可以划分为四个阶段：

（1）第一代机械自动舵：经典控制的自动舵，率先推出自动舵产品的是德国和美国。德国的Aushutz和美国的Sperry分别于1920年和1923年独立研制成了机械式的自动操舵仪，其出现是一个重要里程碑，因为它使人们看到了在船舶操纵方面摆脱体力劳动实动自动控制的希望。机械式自动舵只能进行简单的比例控制，这种自动舵需要采用低增益以避免震荡，只能用于低精度的航向保持。

（2）第二代PID自动舵：20世纪50年代，随着电子学和伺服机构理论的发展与集控制技术和电子器件的发展成果于一体的PID自动舵横空出世，使得航向自动舵的控制精度明显提高。缺陷是对外界变化应变能力差，操舵频繁，幅度大，能耗显著。如对海浪高频干扰，PID控制过于敏感，为避免高频干扰引起的频繁操舵，常采用“死区”非线性来进行天气调节，但死区会导致控制系统的低

频特性恶化，产生持续的周期性偏航，这将引起航行精度降低，能量消耗加大；此外，当船舶的动态特性速度，载重，水深，外型或外界条件风浪流等发生变化时，控制参数需连续地进行人工整定，不合适的控制参数的控制器将导致差的控制效果，如操舵幅度大，操舵频繁等，而人工整定参数很麻烦。

（3）第三代自适应舵：20世纪60年代未，随着计算机技术和自适应理论的发展，人们到注意到将自适应理论引入船舶操纵成为可能，瑞典等北欧国定的一大批科技人员纷纷将自适应舵应用到实船上，继而正式形成了第三代自动舵。自适应舵在提高控制精度，减少能耗方面取得了一定的成绩，但物理实现成本高，参数调整难度大，尤其是船舶的非线性和不确定性使得控制效果难以保证，影响系统的稳定性。70年代初期，JvAmernogen等人，就开始研究基于模型参考自适应控制的自动操舵仪。70年代中期，KJAStorm等人研究了基于自校正控制的自适应操舵议。自校正控制系统包括被控制对象和自校正控制器两部分。当船舶在变海况，变速，变载航行时，舵角也在相应的改变。由于船舶运动及加在其上扰动的数学模型参数是不断变化的，因此必须通过在线辩识来实时辨识变化着的数学模型参数。自校正控制器的功能就是使数学模型的参数能在系统投入运行后动整定，且当模型参数发生变化时，控制器本身也能修正自己的参数。使控制系统在指定的性能指标下（动舵次数最少，偏航幅最小）尽可能接近最优。因此其制成的自动舵，控制规律采用最小方差自适应调节器算法。具有适应能力良好，附加阻力小的优点。

（4）第四代智能舵：20世纪80年代以来，人们开始探索类似于人工操舵的智能方法，尝试着将其具有自适应，自学习，自优化，自整定能力的智能控制，其中又可分为神经网络控制，模糊逻辑控制，混合智能控制，应用于船舶航向控制技术，产生了第四代智能式自动舵。第四代智能舵对于过程模型存在的不确定性，干扰以及量测噪声都具有良好的鲁棒性，使得自动舵的控制性能从自适应性，鲁棒性，稳定性等等各个方面均有了明显的改善和提高。不足之处是控制器复杂，参数调整仍然相对较难。

船舶的自动化，从船舶在机舱设置集中控制室到出现无人机舱值班和驾驶台对主机遥控操作及监测，船舶机舱自动化已大势所趋。计算机功能代替复杂的电子线路，发出操舵指令，送到执行中心，自动校正控制的相关参数，代替繁琐的人工指令，使船舶舵发展成为一个具有自适应功能的接受指令的自动舵。近年来，国内的学者对自适应控制的研究也相当活跃，他们在相关的学术刊物上发表了许多研制成果。自适应模糊控制，专家控制，基于神经网络的自适应控制也取得很大进步。国内外的研究动态均表明今后的自适应技术将朝着智能化的方向发展。