基于液压舵机的船舶舵机系统的模型建立
舵机控制系统的模型建立与仿真
舵机控制系统的模型建立与仿真舵机控制系统是一种常用的自动控制系统，用于控制各种设备的转动角度或位置。
本文将介绍舵机控制系统的模型建立与仿真方法，并详细解释其原理和应用。
一、舵机控制系统的原理与结构舵机是一种具有反馈机构的执行器，主要由电机、减速器、位置传感器和控制电路组成。
其基本原理是通过电机驱动减速器转动，位置传感器测量减速器的转动角度，并将反馈信号传回控制电路。
控制电路根据期望角度和反馈信号之间的差异来控制电机的转动，从而实现对舵机位置的精确控制。
二、舵机控制系统的模型建立方法1. 机械部分建模舵机的机械部分主要由电机和减速器组成。
电机的转矩与转速之间存在非线性关系，需要使用电机的动力学方程进行建模。
减速器将电机的转速降低，并与位置传感器连接，通过测量减速器的转动角度来获取位置反馈信息。
2. 电子部分建模舵机控制系统的电子部分包括控制电路和位置传感器。
位置传感器的输出与舵机的转动角度成正比，可以使用比例关系进行建模。
控制电路负责接收期望角度信号和位置传感器的反馈信号，并根据差异来控制电机的驱动。
3. 综合建模将机械部分和电子部分建立的模型进行综合，得到完整的舵机控制系统模型。
可以使用系统的传递函数或状态空间模型来描述舵机的动态特性。
这些模型可以用于设计控制算法、参数调节和性能优化。
三、舵机控制系统的仿真方法舵机控制系统的仿真是通过计算机模拟实际系统的运行过程，以验证控制算法的有效性和系统性能。
以下是舵机控制系统的三种常用仿真方法：1. 基于物理模型的仿真基于物理模型的仿真是通过建立舵机的数学模型，使用物理量和控制算法进行仿真。
在仿真过程中，可以考虑各种因素对系统性能的影响，如摩擦、负载和环境扰动等。
这种仿真方法能够模拟系统的动态响应和稳态性能，常用软件包有Simulink和MATLAB等。
2. 基于控制算法的仿真基于控制算法的仿真是通过使用实时控制算法对舵机控制系统进行仿真。
在仿真过程中，可以对控制算法进行优化和调节，以提高系统的稳定性和响应速度。
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。
基于模糊控制的船舶舵机系统的设计与实现
基于模糊控制的船舶舵机系统的设计与实现船舶舵机是船舶操纵系统中的重要组成部分，它负责控制船舶舵角，使船舶朝着预期的航向行驶。
舵机系统的精确控制对船舶的平稳航行和安全运行至关重要。
然而，舵机系统的设计与实现存在难点，主要表现在模糊控制难以有效处理模糊和复杂的船舶运动状态及环境因素，常规PID控制很难满足复杂的控制要求等方面。
在这种情况下，基于模糊控制的舵机系统设计成为研究的热点之一。
一、舵机系统的基本原理与分类船舶舵机系统通过控制舵轮位置或角度，调整结构上的后代力矩和舵片受水动力的大小及方向，从而改变船舶的航向。
舵机系统可根据不同控制对象分为主机舵机系统、螺旋桨舵机系统、操纵桥式舵机系统等。
其中主机舵机系统是指通过控制主机推进器和螺旋桨转速来调整船舶的航向。
螺旋桨舵机系统是指通过控制螺旋桨方向盘来调整螺旋桨叶片的角度，从而改变推进器受水面阻力的大小和方向。
操纵桥式舵机系统则是指通过人员在操纵桥控制室中操作舵机操纵杆，直接控制船舶舵轮转动，从而改变船舶航向。
本文将以操纵桥式舵机系统为例，探讨基于模糊控制的舵机系统的设计与实现。
二、基于模糊控制的船舶舵机系统的设计模糊控制是一种基于人类模糊经验和智慧的控制方法，能有效处理模糊和不确定的控制环境下的问题。
在设计舵机系统的控制器时，可以考虑使用模糊控制器来提高系统对复杂、不确定的环境的适应性和容错性。
1. 模糊控制器的基本构建模糊控制器通常包含模糊化子系统、知识库和推理机三个组成部分。
其中，模糊化子系统将输入值转换为模糊量，知识库存储着运算关系，推理机通过解析事实并运用规则来求取输出值。
2. 舵机系统的设计步骤在设计舵机系统的模糊控制器时，需要遵循如下步骤：(1) 绘制摆线图，确定模糊量与控制量之间的关系。
摆线图可反映输入量和输出量之间的对应关系，可以确定模糊量与控制量之间的映射关系。
(2) 设计模糊化子系统，将输入值转换为模糊量。
将输入信号的取值范围通过模糊化函数映射到隶属度函数上，来表示输入信号所属于的模糊集合。
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。
基于EASYS的船舶舵机电液伺服系统建模与仿真
基于EASYS的船舶舵机电液伺服系统建模与仿真作者：陈跃坡林少芬朱发新引言舵机是保持或改变船舶航向，保证安全运行的重要设备。
目前，稍大一些的船舶，几乎全部采用液压舵机。
液压舵机分为阀控型和泵控型2种。
阀控型机系统简单，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，但传统的仿真一般是首先建立数学模型，然后再进行仿真分析，对工作者要求较高并且十分复杂，而采用EASYS软件进行的图形化建模方法，只需按要求连接组建和设定参数，无需建立数学模型，并且EASYS采用多种"开一关状态"判断逻辑处理非线性和不连续状态方程，结合多种改进的变步长、定步长积分算法，使得分析结果逼真、可信。
本文采用EASYS对某船舶舵机电液伺服系统进行建模并仿真，分析了系统的动、静态特性，分析结果对熟悉系统性能、优化系统提供了理论依据。
1 舵机电液伺服系统的组成和工作原理舵机电液伺服系统主要由油源、滤器(粗滤器、精滤器)、溢流阀、电液伺服阀和油缸等组成。
该系统中电液伺服阀起电信号和液压信号之间的转换作用，同时又起信号放大作用，其性能的优劣对系统的控制精度、系统的稳定性及可靠性影响很大，是系统的核心元件。
其液压系统原理图如图1所示：该舵机电液伺服系统具有完全相同的左右两套液压回路，在不同工况下可以单机工作也可以双机组并联工作。
单机工作时，从油泵P输出的压力油经精滤器F后，清洁的液压油进人串接的电液伺服阀，当电液伺服阀收到来自操舵仪的放大控制电信号时，电液伺服阀的阀心移动，使输出液压能源进人油缸C，使油缸C活塞杆产生位移，从而推动转舵机构，使舵叶转动。
舵机转动方向及角度由操舵仪给定信号决定，当舵机到位时，控制信号与反馈信号的偏差为零，放大器没有输出信号，电液伺服阀回到零位(中间位置)，舵机便停止在被控制的位置上，系统的压力由溢流阀YR决定。
浅析渔船舵机系统设计
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浅析 渔船舵机 系统设计
何 ・荆 州
４ ３ ４ ０ ２ ３）
渔船上操作控 制舵 的重要装置就是舵机 ． 其主要功能 是保证船舶在给定的航线上按照人 的意图航行 ． 确保安
全 航 行 。现代 船 舶 大 多 采用 电气 式 系统 和 机 械 式 舵 机 。但 在 现 实 应 用 中 液 压 系 统 舵 机 具有 体 积 小、 占用 空 间 ， Ｉ － 、 重 量 轻． 速度调节方便 ． 暑 于 实 现 自动 过 载保 护和 自动 化 ． 使用寿命长 ． 零 件 润 滑 性 好 等 优 势 。由 于 传 统船 舶 舵 机 系统 普 遍 存在的局限性 ． 我们 构 造 的 新 型舵 机 系统 利 用 了数 字 液 压 技 术 ． 既 具有 功能 强 大 、 知识简簟的优点。 又保 留 了传 统液 压 舵 机 原 来 的优 点 。 而 且 容 暑 与卫 星 定 位 系 统 、 上位 机 算 机 结合 ． 组 成 自动 驾 驶 系 统 ． 在 长 距 离 航 行 中实 现 自动 导航 控 制 。
冲数量决定。 数字缸 内部备有驱动装置、 传感器 、 数 字阀等 ， 从 油缸外部看， 只有一个 电插头 、 一个回油 口和 一个进 油口。例 如， 一 个电脉冲 由每零 点零一毫米 的油缸位置运动对应， 如 需 数字液压油缸在十毫米的位 置运动在十秒 内完成 ， 油缸每运动 毫米需要一秒时间 ， 而一毫米 的位移变化对应 的电脉冲为一 百。 采用频率 为一百赫兹的脉冲 ， 电脉冲信号一共发出了一千 个 ， 数字 油缸规定 的位移行程便可在规定的时间内完成。走 完相 同的行程如需在五秒内完成 ， 则 电脉冲频率提高到二百赫 兹 即可。 通过改变发 出的脉冲数量 ， 即可增大如需的运动行程。 ２ ． ２数 字 液 压舵 机 系统 原 理及 优 点 因为钢制海船 建造规范与入级时对船舶舵机的要求 ， 舵机 系统利用数 字液压 缸搭 建。脉 冲信号从 自动驾驶仪发 出由数 １ ． １ 伺 服 闽控 舵 机 系统 字液压缸接受 ， 位置闭环在其 内部构成， 位置传感器也就不再 伺服 阀控舵机系统由电液伺服阀、 舵机液压缸、 定量泵 、 电 需要 ， 自动驾驶仪 由角度仪信号输出， 角度显示完成 。该系统 动机 、 伺服放大器 、 舵角反馈机 构等组成 。工作 原理是 由 自动 蓄 能器供 浊用定量泵完成 ， 一般情况下两缸会同时工作 ， 如果 驾驶 仪或操 作人员给 出方 向角度值 为 ４ ～２ ０ ｍ Ａ ，作 为设定 缸 出现故 障， 另一缸也可 以单独完成工作， 满足钢制海船建 值送 到伺服放大器 ， 舵机上角位移传感器与其数据相比较， 比 造 规范与入级对船舶舵机的要求 。在发生紧急故障情况下如 也可 以使用人工进行操控。另外， 具有 自我锁定功能 的 较结果如果出现差值 ， 差值放大处理后， 将其转 变为伺服 阀线 停 电， 数字信 号只要不输 出， 即使施加外力作用油缸 也不会 圈的电流驱动信号， 转换成液压流量输 出，油缸被 推动前进 ， 数字缸， 在停泵期间的液压泵， 锁定舵机 可以依靠 蓄能器 的压力 带动舵机转动， 直到设定值与角位移传感器输 出值相等为止 。 摆动。 即使海 浪拍打 也不会发 生飘舵现象 。 还 可以利用 该系统 舵机靠位移传感器在液压伺服 阀系统中闭环锁定 ， 一旦在工作 进行， Ｓ电源 ， 即使 发生短时间的停 电， 也能实现远距离控制。 状态 电气系统断电， 则 闭环系统不能锁定 ， 有可能造 成伺服 阀 设置ＵＰ 在中位时有泄漏， 因此采用了一种新 的伺服泵控系统 。 数字液压舵机系统的数字缸 内部集成了执行、 控制 、 反馈功能， １ ． ２伺 服 泵 控舵 机 系统 无需任何算法调整和参数给 定， 仅连接好液压 管路和送入电脉 伺服泵控舵机系统 由电液伺服 阀、 舵机液压缸 、 变量泵、 电 冲信号， 为实现对舵机 的控制系统通过改变脉冲的数量和频 动机 、 变量机构、 伺服放大器、 舵角反馈 机构等 组成 。 为了伺服 率来完成。由液压完成该系统能量传递， 电脉冲信号完成信号 因此这种数字液压舵机 系统功能强大， 原理简单 ， 便于机 阀控系统更为完善 ， 使用双向驱动的伺服变量泵作为新 的舵机 传递， 系统控制系统， 在伺服变量泵上安装伺服 阀， 由一个小型伺服 务人员使用和管理 。数字液压舵机系 统通过 专用控 制器或计 油缸驱动变量泵的斜盘机 构 控制流量和方 向可 以通过改变斜 算机控制 ， 可 以与外界进行通信。 如与利用定位及通讯卫星进 盘 的转角实现 ， 舵机油缸的进退控制就可以完成了。 角位移传 行通信 ， 自动驾驶仪可以完成整个航 线的航行 ， 实现长距离 自 感器仍在新 的舵机上安装， 当需要位 置后尾舵到达后 ， 变量泵 动导航控制 。 的将会斜盘回到 中位， 流量输 出为零 ， 锁定舵机 。发热少和传 ３结束语 近几年我国海洋渔业进入了快速发展时期 。 但我国 目前渔 动效率高是这种闭式系统的最大优 点， 舵机锁定可以油泵泄漏 多少决定。 但需增 设补油回路， 以解 决系统泄漏是其最大缺 点。 船严 重滞后 的配 套设备制造能力 已远远不能满足船舶主体制 造 能力， 大多数高性能配套设备还需要从国外进 口， 因此在很 ２ 现代数宇液压船舶舵机系统 ２ ． １ 数 字 液 压 油 缸 大程度上 严重制约我国船舶行业发展能力 。控制船舶航 向的 其性能的好坏在船舶 的运动性能上起着 数字油缸 是数 字液 压油缸 的简称。在液压缸 内部把液压 重要设备是船舶舵机， 是船 舶主要 的辅机之一 。 新型液压 舵机 系统利用数 滑 阀、 步进电机、 闭环位置反馈组合设计， 液压油源接通 ， 所有 决定作用 ， 具有维护方便、 系统简单、 操作容易 、 控 制 的长度或角度控制功能 ， 通过专 门计算机 、 Ｐ Ｌ Ｃ可编程控制器 字 液压缸 搭建完成 ， 安全可靠等特 点， 可全 自 动、 半 自动、 手动 多种操作， 在 或 数字控 制器发出的数字脉冲信号来完成的高新科技产 品。 精度 高、 在 油缸 内安装 由数字液压 阀、 液压油缸和 电信号转换单元、 位 大型船舶舵机控 制系统优 点更加 明显 。 置反馈结合 的整体， 对外仅需连接上控制用 电脉冲信号和高压 油管、 低压油管 即可 ， 使 电脉冲信号对应每一个固定的油缸 行 参考文献 ［ １ 】 刘江华． 船舶舵机系统控制优化设计ｆ Ｄ】 ． 中山大学硕士论文 ， ２ ０ １ ３ ． 程变得简单有效， 完成 不同运动效果可以由不 同频率控制和脉 【 ２ 】 赵 飞旭 ． 船舶舵机电力保障系统设计与优化【 Ｄ 】 ． 中国海洋大学硕士论文， ２ ０ １ ２ ．
基于Modelica∕MWorks的舰船液压操舵系统建模与仿真
基于Modelica∕MWorks的舰船液压操舵系统建模与仿真舰船液压操舵系统是海洋船舶中非常重要的控制系统，它们负责将舵轮的运动转化为舵柄的旋转，从而改变船舶的方向。
为了保证船舶的运行稳定性和安全性，必须对其进行系统建模和仿真分析，以便在实际应用中发现并解决潜在问题。
本文将介绍使用Modelica∕MWorks进行舰船液压操舵系统建模和仿真分析的方法及结果。
首先，我们需要对舰船液压操舵系统进行建模。
该系统主要包括舵轮、舵链、齿轮、液压缸等多个部分。
在Modelica中，这些部分都可以被定义为一个个组件。
我们可以使用连接器将这些组件连接起来，形成完整的系统。
为了进一步简化模型，我们将使用代理组件来代替实际液压管道的建模，这样可以更方便地描述整个系统状态。
在建模过程中，我们需要确定每个组件的物理参数，例如模块的惯性、质量、弹性系数等。
这些参数通常是从船舶制造商提供的技术规格书和实验数据中获得的。
我们还需要定义控制算法和仿真参数，以便在仿真过程中模拟控制算法的交互。
接下来，我们可以使用Modelica的仿真工具MWorks来模拟系统的运行。
MWorks提供了与模型对应的仿真界面，方便用户控制仿真参数和查看模型输出结果。
在绘制结果时，我们可以添加曲线拟合和突变点检测等功能，对结果进行更深入的分析。
通过仿真结果，我们可以对舰船液压操舵系统的表现进行评估。
例如，我们可以检查系统响应时间是否足够快，是否存在过度振荡或不稳定性等问题。
如果在仿真过程中发现问题，我们可以通过调整组件参数或控制算法来改进系统性能，并通过重新仿真来测试改进效果。
总之，使用Modelic a∕MWorks进行舰船液压操舵系统建模和仿真分析是非常实用的方法，可以帮助我们发现潜在问题，并为实际应用提供指导。
在实际应用中，我们可以将该技术应用到各种不同类型的液压系统中，以支持基于仿真的设计优化。
为了更好地进行舰船液压操舵系统的建模和仿真分析，我们需要收集相关的数据，并进行分析。
基于液压舵机的船舶舵机系统的模型建立
图 ｌ泵 控 制 舵 机 的 原理 图
泵 控 型 液 压 舵 机 原 理 ：轴 向 柱 塞 变 量 油 泵设 于 舵 机 室 ， 电动 机 ｌ 动 作 单 向 回转 。油 泵 的流 量 和 吸排 由 驱 方 向 ， 通 过 与 浮 动 杆 ５的 Ｃ相 连 接 的 控 制 杆 ４控 制 。 则
１ 舵 机 控 制原 理
目前 ． 型船 舶 几 乎 全 部 采 用 液 压 舵 机 液 压 舵 机 大
１ 一 节 螺母 ５调
１一 压 遥 控 受 动 器 ６液
１ 一 气 遥 控 伺 服 油 缸 ７电
是 利 用 液 体 的 不 可 压 缩 性 及 流 量 、流 向 的 可 控 性 来 达
和 负 载 的总 质 量 （ｇ ； 负 载 和 液 压 缸 的 粘 性 阻 尼 ）Ｂ 为
系 Ｎ （ ｄ ）０２ ０５； 为 作 用 于 液 压 缸 上 的 任 意 外 负 ／ ｒ ｓ ， ．～ ． ｒ
载数 学模 型 建 立
２１ 舵 机模 型 的 建 立 ．
油缸 １ （１ ４￣ 定在机 座上１ 和撞杆 ９可在缸 中往复运动１ ｆ 等
组 成 当 油 泵 按 图 示 吸 排 方 向 工作 时 ． 就 会 通 过 油 管 泵 从 右 侧 油 缸 吸 油 ． 向左 侧 油 缸 ． 杆 ９ 油压 作 用 下 排 撞 在
向 右 运 动（ 液 可 压 缩 性 极 小 ） 撞 杆 通 过 中 央 的滑 动 接 油 。 头 与 舵柄 ７联 接 ．舵 柄 ７的 一 端 又用 键 固定 在舵 杆 １ ０ 的 上 端 撞 杆 ９的往 复 运动 就 可 转 变 为舵 叶 的偏 转 改 变 油 泵 的吸 排 方 向 ．则 撞 杆 和舵 叶 的 运 动 方 向也 就 随
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基于液压舵机的船舶舵机系统的模型建立祝中华，陈姚节（武汉科技大学计算机学院，武汉430065）关键词：液压舵机；舵机控制；建模收稿日期：2012-07-06修稿日期：2012-08-06作者简介：祝中华（1991-），男，湖北荆州人，本科，研究方向为计算机智能控制以上海江南造船厂的某船的拨叉式液压舵机为仿真对象，根据船舶特点和液压舵机的结构特点及工作过程，详细地阐述舵机控制的基本原理，并考虑船舶操作参数值以及各种环境参数建立船舶舵机系统的数学模型。
并对分舵机模型与自由舵模型两个方面进行较为透彻的叙述。
摘要：0引言随着科技迅速发展，尤其是计算机技术和信息技术的迅速发展，在各个工业领域，甚至社会科学领域，建模与仿真日益突出，正在迅速发展成为一种新兴的社会生产力。
随着人们对物理过程理解的不断深入，计算机软件和硬件的发展、建模和仿真技术必将不断发展、深化，更广泛地在各个领域发挥更大的作用[1~2]。
船舶航向控制是驾驶人员保持或改变船舶航向，保证船舶安全航行，船舶一旦失去控制，将会发生海损事故，甚至发生重大海难事故。
为了满足IMO 和国家海事局规定的驾驶员和值班水手培训任务的需要，提高远洋船舶驾驶员的船舶操纵能力，近几年我国各航海院校相继开发了针对船员培训的功能完善、性能先进的航海模拟器。
1舵机控制原理目前，大型船舶几乎全部采用液压舵机。
液压舵机是利用液体的不可压缩性及流量、流向的可控性来达到操舵目的的。
根据液压油流向变换方法的不同，有两类：①泵控型;②阀控型。
拨叉式液压舵机属于泵控型液压舵机，基本原理如图1所示。
1-电动机2-双向变量泵3-放气阀4-变量泵控制杆5-浮动杆6-储能弹簧7-舵柄8-反馈杆9-撞杆10-舵杆11-舵角指示器的发送器12-旁通阀13-安全阀14-转舵油缸15-调节螺母16-液压遥控受动器17-电气遥控伺服油缸图1泵控制舵机的原理图泵控型液压舵机原理：轴向柱塞变量油泵设于舵机室，由电动机l 驱动作单向回转。
油泵的流量和吸排方向，则通过与浮动杆5的C 相连接的控制杆4控制。
即依靠油泵控制C 偏离中位的方向和距离，来决定泵的吸排方向和流量。
此种舵机采用往复式转舵机构。
由油缸14(固定在机座上)和撞杆9(可在缸中往复运动)等组成。
当油泵按图示吸排方向工作时，泵就会通过油管从右侧油缸吸油，排向左侧油缸，撞杆9在油压作用下向右运动(油液可压缩性极小)。
撞杆通过中央的滑动接头与舵柄7联接，舵柄7的一端又用键固定在舵杆10的上端。
撞杆9的往复运动就可转变为舵叶的偏转。
改变油泵的吸排方向，则撞杆和舵叶的运动方向也就随之而变[7]。
2船舶舵机系统的数学模型建立2.1舵机模型的建立川崎舵机为泵控式舵机，舵机不设置传统的三点浮动杆机构，而是采用电反馈信号而测量实际舵角，由伺服马达控制油泵控制杆。
川崎舵机采用往复拨叉式液压转舵机构，如图2所示，两对往复式推舵油缸将油液的压力转换为缸内柱塞的机械能，推动舵柄左右转动，带动舵轴转动从而使舵叶改变角度[3]。
拨叉式转舵机构具有结构简单，侧推力由撞杆承受，无需导板，加工和拆装比较方便等特点。
图2拨叉式舵机转舵机构图图2中，Q为液压油流量；Δp为撞杆两侧油压差产生的推舵压力：D为撞杆直径；y为舵叶转动α角度后撞杆的位移；R为舵杆中心至油缸中心线的距离。
为简化分析，在推导舵机液压系统回路动态方程之前作如下假设：（1）忽略泵和液压缸之间管路与各个阀的压力损失；（2）泵和液压缸的泄漏流态为层流；（3）不考虑液压泵供油的脉动性。
①液压缸中的撞杆运动平衡方程：由于大多数液压位置控制系统其负载主要是惯性负载，往往没有弹性负载或弹性负载甚小，因而液压缸的静态力平衡方程式为：AΔp=my··+B c y·+F1（1）式中：y··为撞杆移动的加速度（m/s2）；y·为撞杆移动的速度（m/s）；A为动力缸撞杆面积和（m2）；m为液压缸和负载的总质量（kg）；Bc为负载和液压缸的粘性阻尼系N/（m/s），0.2~0.5；F1为作用于液压缸上的任意外负载力（N）。
②液压系统流量平衡方程：Q=C pΔp+V0B cΔp·+Ay·（2）式中：V为液压油发生形变前的体积（m3），可折算为油泵排出的体积，即：V0=乙Qdt（3）C p为系统泄露系数，10-14；B c液压油弹性模量，700~1000Mpa。
③油泵的流量：本模型采用斜盘式轴向柱塞变量泵，其流量可表示如下：Q=ηv A1D1Z n tanβ（4）式中：ηv为油泵的容积效率，当工作油压>20MPa时约为0.92~0.95，当<20MPa时约为0.95~0.98；A1为柱塞面积（m）；D1为柱塞中心分布圆直径（m）；N为油泵转速，1800r/min；β为斜盘倾角，最大24.5；Z为柱塞个数。
④舵角：由图2可知：α=arc tan yR（5）式中：R为舵柱中心到油缸中心线的距离（m）。
⑤舵轴的力矩平衡：舵叶所受压力FN对舵杆轴线所产生的力矩称为舵叶的水动力矩，用Ta表示T a=F N X c=（F1cosα+F D sinα）X c=12C NρAv2X c（6）式中：C N=C t cosα+CD sinα（7）式中：Ct，C D分别为升力、阻力系数，其大小随舵角α变化而变化，并与舵叶的几何形状有关；v为舵叶处的水流速度，可取航速的1.15~1.2倍；A 为舵叶单侧浸水面积；ρ为海水密度；λ为展弦比λ=h b，h 、b 分别为舵叶的平均高D 度和平均宽度；X c 为舵压力中心到舵杆轴线的距离，不平衡舵：X c =X =C x b 。
舵叶的水动力矩的大小等于舵机系统总的摩擦力矩与转舵机构产生的转舵力矩之和，即：T a =M f +M a （8）M a =F L R（9）式中：T a 为舵叶的水动力矩；M f 为总的摩擦力矩；M a 为转舵机构产生的转舵力矩；R 为舵杆中心至油缸中心线的距离（m ）；F L 为撞杆作用在舵柄上的力（N ），它与负载作用在撞杆上的力是大小相等方向相反的一对作用力。
⑥伺服油缸的模型斜盘式轴向柱塞泵通过一个伺服油缸推动油泵斜盘转动，通过改变斜盘倾角来改变供油量和供油方向。
其液压伺服控制示意图如图3所示。
伺服油缸活塞移动的位移为：x ·+kx=ku式中：u 为输入的活塞位移；x 为输出的活塞位移；k 为比例系数，与活塞面积成反比；x ·为活塞移动的速度。
⑦液压油泵的斜盘倾角为：β=arc tan （x R p）式中：R p 为连接点到支点的距离（m ）；x 为输出的活塞位移（m ）。
图3液压泵伺服机构2.2自动舵模型船舶操舵方式有三种，分别为随动操舵、自动操舵和单动操舵(应急操舵)。
三种操舵方式适用于不同的航行状况，随动操舵适用于船舶进出港或狭窄水道航行，自动舵操舵方式适用于宽广的海面上定航向航行，单动操舵即应急操舵适用于随动和自动操舵方式出现故障时，应急使用的一种操舵方式[4]。
船舶操舵的自动舵是船舶系统中的一个不可缺少的重要设备，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。
它的性能直接关系到船舶的航行安全和经济效益。
代替人力操舵的自动舵的发展在相当程度上减少了人力，节省了燃料，降低了机械磨损，直接影响到船舶航行的操纵性、经济性和安全性[5]。
舵机装置由操舵装置、舵机、传动机构和舵叶四部分组成。
（1）操舵装置：操舵装置的指令系统，由驾驶室的发送装置和舵机房的接收装置组成。
（2）舵机：转舵的动力。
（3）传动机构：能将多机产生的转舵力矩传递给舵杆。
（4）舵叶：环绕舵柱偏转，承受水流的作用力，以产生转舵力矩。
在自动操舵仪中，按控制系统分类可分为三种操舵方式：（1）直接控制系统或称单舵系统、应急操舵。
（2）随动控制系统。
（3）自动操舵控制系统，又称自动航向稳定系统。
自动操舵适用于船舶在海面上长时间航行。
随动操舵供船舶经常改变航向时使用，例如在内河、狭航道区和进出港口。
当自动航向／航迹、随动操纵出现故障时，可用应急的简单操舵，直接由人工控制电磁换向阀，使舵正、反或停转[6]。
图4自动航向原理图原理：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。
自动舵的控制原理：（1）比例舵（P舵）比例舵操舵的规律是：偏舵角β的大小与偏航角φ的大小成比例关系，即：β=-K1φβ：偏舵角，K1：比例系数，φ：偏航角，-：偏舵角方向是消除偏航。
K1是可调的比例系数，一般根据船型、吃水、装载量来确定。
但船舶载荷增加（惯量J加大）而且航速变慢，使周期T变长。
为了缩短周期使船舶偏航迅速消除，就可加大K1。
随船型而不同，对万吨船来说，一般为2~3，即偏航1°时，偏舵角为2~3°。
比例系数过大，将使船舶偏航振幅加大。
因此比例操舵虽然简单、可靠，但航向稳定精度较差。
当受一舷持续偏航力矩作用时，不能保证船舶的定向航行。
性能：可消除偏航。
特点：机构简单，航行保持精度较差，船舶营运经济性较差（会出现S形航迹）。
比例舵的不足：偏航初期偏舵角较小，不能很快阻止船舶继续偏航；回航过程中船舶具有惯性，偏舵角不能及时减小，容易反向偏航。
（2）比例—微分舵（PD舵）比例-微分舵操舵的规律是：偏舵角β的大小与偏航角φ的大小成比例-微分关系，即：β=-（K1φ+K2dφ/dt）（表示偏舵角与偏航角和偏航角速度成比例）如果传播偏航速度大，产生的-K2dφ/dt也大，则舵角β就增加，船回航时dφ/dt变号，使回舵角增加。
微分部分作用是保证偏舵速度和偏舵角，从而能较好地克服船舶惯性，提高航向的精度，减少船舶的S 航迹，使船舶较快地稳定在正航向上。
原理：船舶回到正航向前，已受到微分部分的反向舵作用，从而能有效地阻止因惯性而向反方向的偏航。
微分舵又叫纠偏舵、稳舵角或反舵角。
偏航初期，偏航角变化率大，比例-微分舵能及时给出大偏舵，有效地阻止船舶偏航（最大偏航角较小）；回航时，偏航角变化率变为负值，能适时给出反舵角，阻止船舶反向偏航，即能有效阻止反向偏航。
主要特点：具有“超前校正”的控制作用，减小船舶航向的振荡，减轻舵机负担，增加航速，提高系统灵敏度和船舶的营运效益。
（3）比例—微分—积分舵（PID舵）组成：是在比例-微分舵基础上增加积分环节。
β=-（K1φ+K2dφ/dt+K3oφdt）积分环节作用是克服不对称偏航。