自动舵控制系统设计

自动舵控制系统设计

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。自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置，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。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；给定航向与实际航向比较环节；航向偏差与舵角反馈比较环节；控制器；执行机构；舵；调节对象—船；舵角反馈机构等。自1922年自动舵问世到今天, 代替人力操舵的自动舵的发展确实取得了长足的进展, 在

相当程度上减少了人力, 节约了燃料, 降低了机械磨损, 但是

距离真正意义上的操舵自动化还有相。当大的距离。

一国内外研究现状

自70 年代起,国内一些科研院所、高校开展自动舵的理论与开发工作,并取得了不少成果,一些航海仪表厂家也独立或与研究所、高校合作开展了自动舵的试制和生产,其产品以模拟PID 舵为主。目前虽然国产自适应舵已经投入实船使用,但效果并不明显。智能控制舵还处于理论研究阶段,还没有产品化。航迹舵基

本上也处于研究阶段,还没有过硬的产品。

目前国外市场上有多种成熟的航向舵、航迹舵产品,其控制方法大多为比较成熟的自适应控制,例如日本Tokimec 公司的PR - 8000 系列自适应自动舵、德国Anschuz 公司的NAU TO CONTROL 综合系统中的自动舵、美国Sperry 公司VISIONTECHNOLOGY系统中的自适应自动舵等。近几年发展起来的智能控制及其它近代控制在自动舵上应用尚处于方案可行性论证及实验仿真阶段,还有待于进一步工程实现研究。

我国对自适应舵的研究起步较晚，自80年代以来，有关单位开展了对自适应舵的研究工作，发表了一些设计方案，仿真研究结果和产品。

1980年，南开大学袁著祉、卢桂章老师采用Norrbin性能指标，利用最小方差自校正控制器自适应律设计了船舶航向保持的自适应舵，发表了仿真结果。

1984年，中船总公司系统工程部林钧清利用最小方差自校正调节器，设计了自适应自动舵的软件，并进行了仿真研究。

1986年，大连海事大学陆样润、黄义新老师等人，采用了对偏航速率进行加权的最小方差自校正控制方案，进行了自适应舵的研制，他们先在实验室的实时仿真器上进行了联机实验，随后

又在该校的万吨实习船“育红”轮上进行了实船海上实验。试验结果表明，该自适应舵比PID舵具有更好的控制效果。

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展。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。

二系统功能

自动舵控制系统实现实时综合数据船桥系统功能。此系统是一种航行、控制、通讯和监控综合系统,用先进的船舶运动理论、WINDOWS 软件和多种传感器硬件,整个系统由工业标准(以太网) 局域网LAN 把各子系统连在一起,将航行和控制系统与决策支持系统结合,包括海洋环境预报、卫星通讯、自动航行和航迹保持等功能。整个系统采用模块化结构,扩展灵活,可以根

据用户要求,选配航向或航迹控制模块,还可选配气象站、气象航行计划和航行优化等模块。以满足用户的不同需求。系统采用开放式结构,硬件和软件均可升级。系统全部菜单化人界面,采用游戏杆或跟踪球等进行操作。采用双罗经、双计算机控制系统配置以提高可靠性和安全性自动舵有智能、自适应和PID 等多种控制模式,有自动、手动、非跟踪和遥控舵等多种工作模式。航迹舵包括航行计划、定位和航向保持等功能模块,有狭窄水域和宽阔水域两种航行模式。航行计划模块通过设置转向点编辑航线,有

恒向线航行、大圆航行和混合大圆航行3 种方式;定位模块用GPS 实时确定船舶实际位置;航向保持模块自动决定最优船首向在转向点处自动改变航向,保持船舶航行。与“航向舵”相比,航迹舵可以实现更精确,更经济的航迹控制。航迹舵有直接和间接两种控制模式。间接控制的航迹舵根据航迹偏差信号、速度信号和实际航向信号计算出最佳航向,作为航向舵的设置航向,通过操舵使船舶沿预定航线航行;直接控制的航迹舵根据船舶本身的数学模型,计算并控制所需的舵运动,使船舶自动沿着输入的航迹航行。雷达舵把雷达的显示功能和航迹舵的控制功能集中在一个控制台上进行航行计划、航迹控制和避碰操作,雷达管理系统采用高分辨率大屏幕彩色显示器,触摸式屏幕或跟踪球操作。速度舵通过与主机自动化系统的接口控制船舶的速度,保证在输入的计划到达时间内到达,同时优化燃料消耗。配备电子海图显示和信息系统( 简称ECDIS) 。ECDIS 最重要的特点是面向对象的结构,使得它可以提取海图上任何部分的详细背景信息。此外,控制台可把雷达图象和电子海图重叠显示,为船舶的操纵和监控提供一个完整而紧凑的系统。中央控制台按照设备功能集成的原理,把“监督(雷达,ECDIS) ”和“控制(航迹舵) ”等集成在一起。控制台可在高分辨率彩色显示器上显示所有安全航行和经济操纵所需的重要信息,包括导航信息、主机数据和有关速度及燃料消耗的信息。另外,特别显示帮助船舶在港口中的操纵,例如入坞和靠泊显示。航行优化和安全系统。它综合几天的天气预报、海况、

船舶经济性和计划时间等信息,制定航行策略。气象数据每天更新,为船长提供决策支持。具有恶劣天气下的事故避免和船舶驾驶决策支持功能;利用专家系统提供最佳速度和航向的建议,以减小船体受力和受损的风险;能提前警告危险的驾驶环境,为驾驶者提供航行决策支持;航行

优化功能,推进效率管理达到节省燃料的目的。

三系统硬件设计

可靠的系统硬件是系统稳定运行的保证,在自己没有很强的设计加工能力及很高的工艺水平的情况

下,为了保证系统硬件的可靠性,同时为了缩短开发周期,本系统的设计思想之一是尽可能选用市场上的

成型产品,尽量减少自主开发工作量。另一个设计思想是增强开发环境及系统实现的兼容性,即本舵为PC 机全兼容产品,系统的软件开发平台既可为STD及PC/ 104 工控机,亦可为普通PC 机,当然系统亦可用以上任一机种实现。

1 系统结构

航迹自动舵硬件系统结构如图1 所示。其中,386/ 486 工控机、电子盘、串行通信卡、VGA 显示卡等均为市购产品,联机仿真及数据采集亦通过通用微机完成,只有GPS、舵角及航向信号板以及面板上的状态、报警灯及薄膜键盘需自主开发或外加工。系统硬件接口的标准化保证了系统开发环境及系统实现的兼容性。由硬件系统结构图可以看出, GPS、舵角及航向信号板均以串行通信