船舶舵机控制系统改进设计【文献综述】
【文献综述】船舶舵机建模与航迹控制系统设计
文献综述电气工程及其自动化船舶舵机建模与航迹控制系统设计1．引言船舶自动操舵仪，俗称“自动舵”，是根据指令信号自动完成操纵舵机的装置，是一个重要的船舶控制设备。
它能代替舵手操舵，保证船舶在指令航向或给定航迹上航行。
自动舵在相同的航行条件下，不仅可以减轻驾驶员的工作，而且在远航时，可以减少偏航次数，减小偏航值。
因而可以提高实际航速，缩短航程的航行时间，节省燃料，提高航行的经济效益。
一般说来，自动舵按控制功能可分为两类：一类是航向自动舵，保证船舶自动跟踪指令航向，实现自动保持或改变航向的目的；另一类是航迹自动舵，控制船舶沿计划航线航行。
由于航迹自动舵具有控制船舶精确的航行轨迹的功能，它将是自动舵未来的发展方向。
航迹控制一直是船舶运动控制的重点研究对象。
由于国内起步较晚，与国外先进水平相比仍[]2有较大的差距。
主要表现在：(l)航向舵仍占据主导地位，航迹舵产品尚未成熟的，更不用说自动航行系统和综合船桥系统。
(2)在控制理论上，虽然国内有些专家提出了一些控制方法，也解决了一些问题，但由于船舶操纵运动数学模型存在非线性问题、操舵执行机构存在滞后问题以及船舶航行环境和所受干扰的不确定等问题，使得一些建立的数学模型的控制方法无法得到正常实现。
据国内外有关研究证明，船舶智能控制能解决上述问题。
因此，将智能控制理论用于自动舵，改进我国的自动舵性能是一项迫切的任务。
2．国内船舶自动舵的研究概况[]2自动舵发展的大致经历：第一代是以继电器机械结构为代表；第二代是以电子管磁放大器为核心控制部件为代表；第三代是以半导体、线性运行放大器为核心控制部件为。
1921年德国安修斯公司发明了自动舵，即利用罗经的电讯号，通过继电器、机械结构来实现控制电动舵机。
1930年苏联也相继研究出以电罗经为航向接收讯号的自动舵。
我国对自动舵系统的研究相对国外起步比较晚，从二十世纪50年代开始以仿造苏联自动舵，其自动舵是磁放大器为控制核心。
到了60年代末才自行研制成功以半导体分立元件为核心的自动舵典型产品。
船舶舵轮系统的自动化控制策略研究
船舶舵轮系统的自动化控制策略研究导言：舵轮是船舶中非常重要的组件之一，它用于控制船舶的航向。
随着科技的发展和航运业的进步，舵轮系统的自动化控制策略变得越来越重要。
本文将探讨船舶舵轮系统的自动化控制策略研究，包括传统的PID控制和现代的模型预测控制等。
传统控制策略：PID控制PID（比例积分微分）控制是一种经典的控制策略，广泛应用于船舶舵轮系统的自动化控制中。
PID控制通过测量船舶的偏离角度，并与目标角度进行比较，实现对船舶舵轮的控制。
具体而言，PID控制根据偏离角度的大小来调整舵轮的活动范围，使船舶保持在预期的航向上。
尽管PID控制简单易行，但它对于系统动态性能的改善还存在一定的局限性。
现代控制策略：模型预测控制模型预测控制（MPC）是一种基于数学模型的控制策略，用于预测系统的未来行为并优化控制信号。
在船舶舵轮系统中，MPC通过建立船舶的数学模型，并使用该模型预测船舶在不同控制量下的响应。
然后，MPC计算出最优的控制信号，使船舶能够实现更快的响应和更好的航向控制。
与PID控制相比，MPC可以更好地解决系统的非线性和时变性，提高控制性能。
船舶舵轮系统的自动化控制策略研究的挑战：在研究船舶舵轮系统的自动化控制策略时，我们面临着诸多挑战。
首先，在设计自动化控制策略之前，我们需要充分了解船舶和舵轮系统的特性。
这包括船舶的动态响应、舵轮系统的非线性特性以及水流和风力对船舶舵轮的影响等。
其次，船舶舵轮系统的自动化控制需要考虑到不同的工况和环境条件，例如航速、船型和水深等。
只有充分考虑到这些条件，才能设计出更加稳定和可靠的自动化控制策略。
结论：船舶舵轮系统的自动化控制策略研究对于现代航运业的发展非常重要。
传统的PID控制策略可以很好地应用于船舶舵轮系统的自动化控制，而现代的模型预测控制策略则可以进一步提高控制性能。
然而，研究船舶舵轮系统的自动化控制策略仍然面临着挑战，包括对船舶和舵轮系统特性的充分了解以及考虑不同工况和环境条件等。
船舶自动控制及舵机系统的设计优化
船舶自动控制及舵机系统的设计优化一、引言航运作为世界贸易的主要方式之一，已成为全球经济发展不可分割的一环。
随着科技的不断进步和应用，船舶的自动控制和舵机系统的优化设计显得越来越重要。
本文将从船舶自动控制和舵机系统的设计优化两方面进行探讨。
二、船舶自动控制1. 船舶自动控制概述船舶自动控制是指通过计算机和电子技术实现对船舶自身的动力系统、舵机系统、导航系统等进行自动化管理和控制。
这种自动化控制系统能够使船舶在海上航行更加安全、稳定、高效。
2. 船舶自动控制的优点（1）提高航行安全性：船舶自动化控制系统能够监测船舶动力、水流等方面的数据，并及时作出调整，从而确保船舶在海上航行中不会出现危险情况。
（2）节省船舶人力资源：自动化控制系统不需要很多人手来操作，解放了一部分人力资源。
同时，自动化控制还能提高船员的工作效率和安全性。
（3）提高航行效率：船舶自动化控制系统能够根据航路和天气等信息，制定最优航行方案，这能够增加船舶行驶的速度并提高船舶的作业效率。
3. 船舶自动控制技术（1）船舶动力系统自动控制技术：船舶动力系统自动控制技术主要包括发动机控制、舵机控制和电缆控制等方面，通过计算机程序实现自动化控制。
（2）舵机系统自动控制技术：舵机系统自动控制技术主要是指利用计算机程序和传感器对舵机的运动轨迹进行控制。
（3）导航自动控制技术：通过利用卫星导航和高精度地图等技术，实现船舶在海上自主导航控制。
三、舵机系统的设计优化1. 舵机系统的基本原理舵机系统是船舶的主要控制装置，其作用是通过转动船舶舵轮实现对船舶方向的控制。
舵机系统由舵机、传动机构和控制装置组成。
在设计舵机系统时，应考虑到的因素包括舵机的扭矩、传动机构的总重量和总长度、控制信号的传输方式等。
2. 舵机系统的设计优化（1）舵机选型的优化：选用与所需扭矩最接近的舵机，可以实现最高效率的控制，并能大大降低成本。
（2）传动机构的优化：传动机构应尽可能精简，能够实现最佳的机械传动效率和稳定性。
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。
船舶自动化控制系统设计与优化
船舶自动化控制系统设计与优化一、引言船舶自动化控制系统是现代化船舶的核心控制装置。
随着信息技术的不断发展和应用，船舶自动化控制系统越来越复杂、高效、智能化。
本文将重点讨论船舶自动化控制系统的设计和优化。
二、船舶自动化控制系统概述1. 船舶自动化控制系统的组成船舶自动化控制系统由船舶动力系统、船舶导航与位置系统、船舶管理与监控系统、船舶通信系统和船舶自动化控制信息处理与分析系统组成。
2. 船舶自动化控制系统的工作原理船舶自动化控制系统根据船舶所处的各种不同工况和航行状态，自动地对船舶进行动力、导航等方面的控制，保证船舶的安全和正常运行。
三、船舶自动化控制系统的设计1. 设计前的准备工作在进行船舶自动化控制系统的设计之前，需要对所要控制的船舶的工作环境、不同工况和航行状态进行充分的了解。
2. 设计思路根据前期所做的准备工作，对船舶自动化控制系统进行模块化设计，选择合适的传感器和执行机构，确定数据采集和处理方式，建立系统控制逻辑和数据传输方式，并进行可靠性、安全性和智能化的设计，同时需要对系统进行测试和验证。
四、船舶自动化控制系统的优化1. 优化目标船舶自动化控制系统的优化目标主要是提高系统的稳定性和可靠性，降低使用成本，提高船舶的运行效率和安全性。
2. 优化方法船舶自动化控制系统的优化方法主要包括以下几个方面：(1) 传感器和执行机构的优化：选择适当的传感器和执行机构类型，使其具有更好的性能和可靠性；(2) 系统控制逻辑的优化：优化调整控制逻辑，提高系统对不同工况和航行状态的适应性；(3) 数据采集和处理方式的优化：优化数据采集和处理方式，提高系统数据的精度和稳定性；(4) 数据传输方式的优化：优化数据传输方式，减少数据传输的延迟和丢失，提高数据传输的稳定性和可靠性。
五、结论船舶自动化控制系统是船舶的核心控制装置，对保证船舶的安全和正常运行至关重要。
设计合理的船舶自动化控制系统，在实际使用中可以通过不断优化，提高系统的稳定性和可靠性，提高船舶的运行效率和安全性，降低使用成本，使船舶更加智能化。
船舶自主导航控制系统设计与优化
船舶自主导航控制系统设计与优化随着科技的不断发展，人们对于航海安全和航行效率的要求越来越高，使得船舶自主导航控制系统的研究与优化备受关注。
本文将从设计和优化两个方面进行探讨。
设计船舶自主导航控制系统的设计需要考虑多个方面的因素，包括传感器技术、通信技术、控制策略以及人机交互等。
其中传感器技术是至关重要的一环。
船舶自主导航控制系统需要实时获取海洋环境、船舶状态以及周围障碍物等信息，并对这些信息进行处理和分析，从而制定相应的控制策略。
常见的传感器技术包括全球定位系统(GPS)、雷达、惯性导航系统(INS)、视觉传感器等。
通信技术也是设计中需要考虑的一个因素。
船舶自主导航控制系统需要实时传输数据，以便对船舶状态进行监控和控制。
目前，常用的船舶通信技术包括卫星通信、激光通信以及无线电通信等。
在控制策略方面，船舶自主导航控制系统需要应对不同的航行场景和复杂的海洋环境。
目前，常用的控制策略包括基于规则的方法和基于学习的方法。
基于规则的方法通常是根据经验和先验知识来制定控制策略，而基于学习的方法则是通过机器学习来获取控制策略。
两者各有优缺点，在应用中需要权衡选择。
人机交互环节也是设计中需要考虑的一个方面。
船舶自主导航控制系统需要提供清晰明了的信息和指示，以便船员了解船舶状态和控制策略。
同时，系统需要具备友好、易操作的界面，以提高船员操作的效率和安全性。
优化优化是指对船舶自主导航控制系统进行改进和提升，以达到更高的性能指标。
常用的优化方法包括模型预测控制、增量式学习以及深度强化学习等。
模型预测控制是一种基于预测模型驱动的控制方法。
模型预测控制通过对未来状态的预测，制定出相应的控制动作，从而实现系统对状态的优化控制。
该方法的优点在于可以预测未来状态，从而制定更优的控制策略。
增量式学习是一种用于动态系统控制的在线学习算法。
与传统的静态系统不同，动态系统具有时变性、不确定性等复杂性质，增量式学习可以在不断接收新数据的情况下，实时更新模型，从而实现动态控制。
船舶舵机控制系统故障分析及其改造
船舶舵机控制系统故障分析及其改造本文通过实例分析，进而对舵机自激振荡的分析、自动操舵系统的主要故障修理，以及原舵机系统故障源分析与改造对策这三个方面对船舶舵机控制系统故障分析及其改造进行阐述。
标签：船舶舵机；控制系统；故障分析；改造前言：随着我国航海运输行业的不断发展，人们对于船舶舵机的控制系统提出了更高的要求，为了保障系统的稳定，我们需要对系统中出现故障进行分析，以便找出相对应的解决方法。
1、实例分析“胜利221”轮配有左、右舵两套舵机装置、两台舵机油泵和两个控制箱，2台舵机油泵可同时工作，也可单独工作。
无论哪台油泵工作，均可同时对左、右舵机进行转舵控制。
操舵系統操舵控制方式较多，设有舵机房应急操舵方式、驾驶台操舵方式。
驾驶台操舵可以在前台操作，也可以在后台操作。
前台和后台均可进行随动、手动操舵，随动和手动又均可进行单动和联动控制。
舵机控制系统目前采用继电器及分立和集成电子元件控制，在控制箱中有4块电子电路板，是操舵控制的核心部件，随动操舵时由自整角机检测的舵角偏差信号送至电子电路板进行处理，并输出转舵控制信号，由控制箱中继电器控制转舵电磁阀通断电。
2、舵机自激振荡的分析众所周知，工程中往往要求根据实际需要在放大电路中引入适当的负反馈，以改善放大电路的性能。
不同的负反馈类型对放大电路性能的改善侧重不同，应根据实际要求的功能选择合适的组态。
为了获得运算放大器的精度-必须提高其开环放大倍数，但对于多级放}大电路（超过三级），在引入负反馈之后容易产生高频自激振荡。
放大电路中耦合电容、旁路电容等越多，引人负反馈后就越易产生低频自激振荡。
若电路组成不合理，反馈程度过深，反而会使放大电路产生自激振荡而不能稳定工作。
自激振荡是由放大器A和正反馈F网络组成的闭合环路，其幅度条件|AF|=1，相位条件∠AF=2nп，这是形成自激振荡必须满足的振荡条件，这两个条件缺一不可。
附加相移ФAF，能使负反馈转变为正反馈，极易产生自激振荡，破坏放大器的正常工作。
船舶控制系统的研究与优化设计
船舶控制系统的研究与优化设计一、引言船舶控制系统作为船舶重要的组成部分，对于船舶的安全性、可靠性以及经济效益都起着至关重要的作用。
近年来，随着科技的不断发展和航行技术的不断提高，船舶控制系统的研究和优化设计需求日益增长。
本文将对船舶控制系统的研究现状和优化设计方法进行探讨。
二、船舶控制系统概述1.船舶控制系统的作用船舶控制系统是指用来控制船舶运行的各种设备和仪器的集合。
它的作用在于维持舵机、发动机、锚泊系统等所有设备在合适的工作状态下，从而保证航行的安全性和经济性。
具体包括如下功能：（1）保证船舶的定位；（2）确保船体方向和描迹的稳定；（3）对船舶航行速度、转向半径等参数进行控制；（4）保证船舶的平稳运行；（5）保证船舶与外界通信的连贯性。
2.船舶控制系统的组成船舶控制系统的组成包括以下部分：（1）桥舱面板：是操作员控制船舶所有设备的主要设备；（2）确保船体方向和描迹的稳定，主要由航向控制器和自动舵系统组成；（3）对船舶航行速度、转向半径等参数进行控制，主要有船速控制器和制动系统组成。
三、船舶控制系统的研究现状船舶控制系统是船舶重要的组成部分，其研究现状主要表现在如下几个方面：1.发动机控制技术的研究目前，发动机控制技术主要采用全电子控制系统。
这种系统通过控制发动机的电子装置来分配燃料量和空气量，掌握着发动机的有效效率和建设性能，确保发动机的正常运行。
2.舵机技术的研究船舶控制系统中的舵机技术，其控制方案主要有以下几种：（1）机械传力控制：通过经典的伺服技术对转向快慢的正反反应信号进行控制；（2）液压控制：通过液压变形和通过液压推动舵机实现。
此间，由于液压的大储存性能，液压舵机有较强的扭矩保障能力，且能够完成较大转角的操作；（3）电子控制：通过利用电子科技、液压科技和计算机控制技术，对电磁阀进行控制，遂毫无传递环节，能够制造出更加精密的舵机。
3.锚链电动绞盘系统的研究船舶的锚泊系统主要采用电动绞盘来控制锚泊。
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文献综述
电气工程及其自动化
船舶舵机控制系统改进设计
引 言
设计船舶自动操舵系统首先要确定船舶舵机的数学模型和船舶航行动态模型。
船舶舵机的传动机构主要有两类,机械传动和液压传动。
随着船舶排水量和航速的增加,舵机上的转矩迅速增大。
采用机械传动机构的舵机其重量和体积将变得很大,同时它的效率较低,电动机的容量势必很大。
因而目前大型船舶均采用液压传动舵机,甚至中小型船舶也不例外。
船舶舵机
船舶舵机是能够转舵并保持舵位的装置。
舵机的大小由外舾装按照船级社的规范决定，选型时主要考虑扭矩大小。
船用舵机目前多用电液式，即液压设备由电动设备进行遥控操作。
有两种类型：一种是往复柱塞式舵机，其原理是通过高低压油的转换而作工产生直线运动，并通过舵柄转换成旋转运动。
另一种是转叶式舵机，其原理是高低压油直接作用于转子，体积小而高效，但成本较高。
船舶操舵系统是实现船舶操纵功能的一个自动控制系统。
它把电罗经，舵角传感器等送来的船舶实际航向信号，预定航向信号，及给定的各种限束条件自动地按照一定的调节规律进行信号处理，从而控制舵机，使船舶沿着给定的航向航行。
由此可见，该系统的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。
自动舵
自动舵是根据电罗经送来的船舶实际航向与给定航向信号的偏差进行控制的。
在舵机投入自动工作时，如果船舶偏离了航向，不用人的干预，自动舵就能自动投入运行，转动舵叶，使船舶回到给定航向上来。
电动—液压式自动舵
国产“HD—5L型自动舵应用半导体无触点控制的比例-微分-积分控制系统。
驾驶室具有自动、随动及应急操作三种操舵方式。
两套参数相同的放大器互为备用，通过转换开关选择其中一套为自动、随动操舵时使用。
应急操舵为随动控制方式，单独使用一套放大器。
该型自动舵有A、B、C、D四种型式。
A型为电液伺服阀变量泵系统；B型为电磁换向阀、伺服油缸、变量泵系统；C型为伺服马达变量系统；D型为地磁功率阀定量泵系统，它们的电气系统基本上是一致的。
液压伺服系统
液压伺服系统是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。
液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。
电液伺服系统
电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。
最常见的有电液位置伺服系统﹑电液速度控制系统和电液力(或力矩)控制系统
发展现状
众所周知，自动控制系统是自动控制理论在工业生产中应用的产物。
船舶操舵系统也不例外。
在自动控制理论发展的不同历史阶段，取得了不同的研究成果，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。
船舶操纵的自动舵[1～2 ]是船舶系统中一个不可缺少的重要设备。
20 世纪20 年代,美国的Sper2ry 和德国的Ansuchz 在陀螺罗径研制工作取得实质性进展后分别独立研制出机械式自动舵,它的出现是一个里程碑,它使人们看到了在船舶操纵方面摆脱体力劳动实现自动控制的希望,这种自动舵称为第一代。
20 世纪50 年代,随着电子学和伺服机构理论的发展及应用,集控制技术和电子器件的发展成果于一体的更加复杂的第二代自动舵问世了,这就是著名的PID 舵。
到了60 年代末,由于自适应理论和计算机技术得到了发展,人们注意到将自适应理论引入船舶操纵成为可能,瑞典等北欧国家的一大批科技人员纷纷将自适应舵从实验室装到实船上,继而正式形成了第三代自动舵。
从80 年代开始,人们就开始寻找类似于人工操舵的方法,这种自动舵就是第四代的智能舵。
智能舵的控制方法有3 种,即专家系统、模糊控制和神经网络控制。
随着全球定位系统等先进导航设备在船舶上装备,人们开始设计精确的航迹控制自动舵,这种自动舵能把船舶控制在给定的计划航线上。
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。
小结
本文规划了船舶舵机，船舶舵机控制系统的定义和简单的发展历史。
在理论基础上描述了船舶控制系统应用中的研究现状。
参考文献
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