船舶航迹舵控制技术研究与设计
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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
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第３ ４卷ຫໍສະໝຸດ 第５ 期 仪 器 仪 表 学 报
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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。
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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）.。