浅谈自动舵

大连海事大学毕业论文

二〇一五年六月

自动舵技术的发展

专业班级：航海技术11－4班姓名：张凯

指导教师：

航海学院

摘要

此文论述了自动舵的发展在实现船舶自动化过程中的重要地位，综述了航海自动舵的发展史及今后发展的展望。此文从应用技术的观点出发，介绍与比较了船舶操纵的各种自动舵控制方法和它们的优缺点，船舶自动舵可分为四个发展阶段,即传统的机械舵、PID舵、自适应舵和智能舵，其中智能舵为目前最先进的自动舵，它的控制系统又分为专家控制、模糊控制和神经网络控制。介绍了国内外对船舶自动舵的航向保持控制、航迹保持控制及其他功能方面的研究成果，将船舶自动舵研究与IMO 的“e-Navigation”战略实施计划结合起来，说明了船舶未来的发展方向。

关键词：自动舵、机械自动舵、PID自动舵、自适应控制、智能控制；

Abstract

This article illustrates the key status of autopilot development in the process of realizing ship automation, and summarizes the phylogeny of marine autopilot and prospect for the future. From the viewpoint of technology application, this article introduces and compares several autopilot control methods of ship maneuver and corresponding merits and demerits. Evolution of marine autopilot falls into three phases, namely the traditional mechanical rudder, PID rudder, adaptive steering rudder and intelligent rudder, among which intelligent rudder is the most advanced autopilot at present, whose control system can further be divided into expert control, fuzzy control and neural network control. In addition, this article introduces domestic and overseas research achievements in terms of marine autopilot course keeping control, track keeping control and other functions, and integrates marine autopilot research with ‘e-Navigation’ strategic implementation plan of IMO, which demonstrates the development orientation of ships in the future.

Keywords: autopilot, mechanical autopilot, PID autopilot, adaptive control , intelligent control

目录

1.绪论............................................................. VI

1.1研究的意义 ..................................................................................................... V I

1.2自动舵的基本原理 ......................................................................................... V I

2.机械自动舵 .............................................................................................................. V II

3.PID自动舵 ................................................................................................................ V II

3.1PID自动舵的发展........................................................................................... V II

3.2PID自动舵的不足........................................................................................... V II

4.自适应技术与自适应舵 ......................................................................................... V III

4.1自适应技术的发展和应用 ........................................................................... V III

4.2早期自适应舵的优缺点 ............................................................................... V III

4.3自矫正控制系统的发展 ............................................................................... V III

4.4育鲲轮上的自适应舵的特点 ....................................................................... V III

5.新型智能舵的发展及未来 ....................................................................................... I X

5.1智能控制的特点 ............................................................................................. I X

5.2智能控制还需解决的问题 ............................................................................. I X

5.3智能控制的发展和应用 ................................................................................. I X

5.4典型的智能控制方法 ...................................................................................... X

5.4.1专家控制 ................................................................................................ X

5.4.2模糊控制 ................................................................................................ X

5.4.3神经网络控制 ........................................................................................ X

6.自动舵研究的发展趋势 ............................................................................................ X

自动舵技术的发展

1.绪论

1.1研究的意义

船舶借助螺旋桨的推力和舵的舵力来改变和保持航速或航向，实现从出发港到目的港的航行计划。随着科技的发展，未来船舶必会朝着结构复杂化，操作自动化的方向发展。而船舶操舵系统是非常重要的控制系统，是用来控制船舶航向的设备，它能克服使船舶偏离预定航向的各种影响，使船舶自动地稳定在预定的航向上运行，因此舵的自动化是实现船舶自动化的关键，其性能直接影响着船舶航行的操纵性、经济性和安全性，因此自动舵技术一直是被当作具有较高经济价值和社会效益的科学技术，自1922年自动舵问世以来，一代又一代的工程技术人员对如何改善该系统的性能不断进行探索和研究。

1.2自动舵的基本原理

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。自动舵的基本工作原理如下图所示:

从图中可看出，自动舵是一个闭环系统，它包括给定航向环节；航向检测环节；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；船；舵角反馈结构等。舵的性能的关键在于控制器的优劣，因此自动舵的发展主要取决于控制技术的发展。[1]

2.机械自动舵

20世纪20年代,美国的Sperry和德国的Ansuchz在陀螺罗经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，该产品是自动舵的雏形，它的出现是一个里程碑，尽管还极不完善，然而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—机械式自动舵。它所采用的是经典控制理论中最简单最原始的比例放大控制规律，为了避免引起大的震荡，需要把控制增益设置得很低，因此这种舵只能用于精度要求比较低的航向保持控制情况。[2]

3.PID自动舵

3.1PID自动舵的发展

20 世纪 50 年代，经典理论达到了旺盛时期,经典控制理论有着各种控制方法，然而其中最重要最典型而且在工业生产中最常用的一种是比例一微分一积分(PID)控制，并且随着电子学和伺服机构理论的发展应用，集控制技术和电子器件的发展成果于一体的 PID 自动舵问世了。1950年日本研制出“北辰”自动舵，1952年美国研制出新型的Sperry自动舵,采用的都是PID的控制规律。由于PID调节器不需要详细的有关受控过程的先验知识，且具有结构简单、参数易于调整和具有固有的鲁棒性等特点，PID舵得到了广泛的认可，几乎所有的船都装有这种操舵仪。这种自动舵被称为第二代自动舵。

3.2PID自动舵的不足

尽管它比第一代自动舵有了长足的进步，但常规的PID舵仍然存在着固有的不足。由于每个船舶都有其固有的运动特性，其动态特性即为通常所称的船舶数学模型。然而船舶运动特性随船速、装载、吃水和海况等因素而变化。[3]常规PID自动舵在不断变化着的运行环境下不能实时精确地辨识船舶数学模型参数。也不能随着船舶数学模型参数的变化而自动调节其参数，所以常会偏离其最佳工作状态,造成动舵次数过多、转舵角和偏航角大的后果.一般来说,动舵次数越多、转舵角度越大,船舶在转舵时所受到的海水阻力也越大。阻力增大会加重船舶主机的负荷,导致主机转速下降，使燃油消耗增大。此外，阻力和偏航角的增大会降低船速，从而降低船舶营运的生产率和经济效益。动舵次数多的另一恶果是会产生无效舵，当操舵频率超过船舶开始转向的极限频率时，无论转多大的舵角，船都不会转向,转舵成为无效舵。为了提高船舶的操纵性能，避免上述无效舵的发生，对常规PID自动舵历来是靠驾驶员的经验以手动方式调节PID旋钮来操纵的。对驾驶员的经验和技术要求较高，如果PID旋钮调节不当,不仅增加主机燃料的消耗、降低船速，而且在遇到大风浪时、还会造成大角度左右偏舵和大角度左右偏航这是很危险的.。尽管当时人们已认识到PID舵的缺点,但限于当时控制技术水平及当时海船的可操纵性较好，并没有使PID舵的缺点显得十分严重,因此,五六十年代，自动舵的发展一直停留在PID舵的水平上。

4.自适应技术与自适应舵

4.1自适应技术的发展和应用

直到60年代末现代控制理论蓬勃发展,取得了诸如状态空间法、稳定性理论、最优控制、随机控制、参数估计等一些成果，电子计算机迅速发展为在工业生产过程中实现自适应控制这种复杂的策略提供了必要的技术基础。再加70年代初发生的二次石油危机，燃油价格暴涨,营运成本上升。因此有人提出将自适应理论引入船舶操纵。首先将自适应舵应用到实船上的是瑞典等北欧国家，形成了早期的第三代自动舵。[4]

4.2早期自适应舵的优缺点

自适应控制应用于自动舵技术，大大提高了控制的准确性，减少了因风、浪、流等因素对手工设定参数的补偿，提高了各种气候条件下使用自动舵的可能性。尽管早期的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，自适应技术应用于船舶航向保持控制在一定范围内可以十分有效地进行自动控制，但自适应方法以价值函数中的参数估算为基础或以船舶动力学环境干扰的模型试验为基础，并且船舶在风浪中航行，缓变干扰与突变干扰同时存在，因此自适航向保持自动舵仍有一些关键问题，如物理实现成本高，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，影响系统的鲁棒性。由于船舶自身运动的杂性及其外部环境的难以预测性，早期自适应控制方案并不能彻底解决船舶航向保持控制问题。

4.3自矫正控制系统的发展

70年代开始以来，自适应控制理论有了显著的进展，一些学者分别在确定性的和随机的、连续的和离散的系统的自适应控制理论方面作出了杰出的贡献。其中对于船舶自动舵来说，重要的是自矫正控制系统的发展。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。

4.4育鲲轮上的自适应舵的特点

育鲲轮上所配备的由挪威公司生产的AP2000型就是典型的自适应自动舵，它是在传统的自动舵基础上并入自适应程序，该程序可以根据船舶参数和当时海况做出调整。在有限的范围内，该系统可以获取船舶操纵数据，将这些数据和系统内部存储的船舶模型数据进行对比，从而得出合适的舵角信号使船舶航行在预定的航向内，由于船舶内部模型数据有限，系统得出的舵角信号只在当船舶航行速度在预设速度加减30%内，如果超出这个范围，系统自动使用上次已知的船舶数据。速度增益程序可以操控由于速度变化而引起的操纵参数的改变，所以为了达到相同的效果该系统在船舶速度为10节时比20节使用更大的舵角。该系统还会计算出海浪对船舶的作用，这些数据在恶劣天气中可以帮助自动舵更少的受到影响。因此其制成的自动舵，具有适应能力良好，附加阻力小的优点，一定程度上解决了船舶鲁棒性的问题。[5]

5.新型智能舵的发展及未来

5.1智能控制的特点

舵的核心是控制器，因此智能舵的发展就是智能控制器的不断发展和完善。智能控制是近年来控制界新兴的研究领域,是一门边缘交叉学科。自1985年在纽约召开第一届智能控制学术会议至今,智能控制已经被广泛应用于工业、农业、服务业、军事航空等众多领域。智能控制是自动控制发展的高级阶段,为解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题提供了有效的理论和方法。它处于控制科学的前沿领域,代表着自动控制科学发的最新进程。智能控制理论不同于经典控制理论和现代控制理论的处理方法,它研究的主要目标不再是被控对象而是控制器本身。因此智能控制可以用来解决传统控制难以解决的高度非线性、强不确定性等复杂系统的控制问题。一个理想的智能控制系统应具有如下性能：①学习能力,系统对一个未知环境提供的信息进行识别、记忆、学习,并利用积累的经验进一步改善自身性能的能力;②适应功能,系统应具有适应受控对象的动力学特性变化、环境变化和运行条件变化的能力,这实质上是不依赖模型的自适应估计,较传统的自适应控制中的适应功能具有更广泛的意义。除此之外,系统还应具有较强的容错性和鲁棒性;③组织功能。对于复杂任务和分散的传感信息具有自组织和自协调功能,使系统具有主动性和灵活性,即智能控制器可以在任务要求的范围内自行决策,主动采取行动;④智能控制系统具有判断决策能力,体现了“智能递增,精度递降”的一般组织结构的基本原理,并具有高度的可靠性。总之,智能控制系统是通过智能机自动地完成其目标的控制过程,其智能机可以在熟悉或不熟悉的环境中自动或人-机交互地完成拟人任务。[6]

5.2智能控制还需解决的问题

智能控制虽有30多年的发展历史，但作为一门新学科,无论在理论上还是应用上都不够完善,有待继续研究与发展。总体来说,智能控制在以下几方面要加强研究工作;①加强理论研究,寻求更新的理论框架,目前呈现出应用前景广泛而理论研究大大滞后的状况,要重点研究智能控制系统的稳定性、可控性、可观性、鲁棒性、镇定性、跟踪性等问题。②加强对智能控制学习问题的研究工作。③解决知识获取和优化的瓶颈问题,特别是在动态系统的知识获取、分类、表达、利用及规划的相容性和完备性等问题上。④加强各种智能控制方法结合特别是人机智能结合系统、离散事件动态系统、神经网络方法、混沌方法、认知心理学等方法更深入研究以及同传统控制方法结合研究,注意开展对照研究。⑤注重技术创新进行更好的技术集成,加快研制新型智能控制硬件和软件的步伐。为此,智能控制工程研究将深入建模过程,把模型视为不断演化的实体。所开发的模型将不仅含有解析的数值,而且包括定性分析的符号。对于非完全已知的系统和非传统数学模型描述的系统,必须建立包括控制律、控制算法、控制策略、控制规则和协议等新理论。实质上,这就是要建立智能化的控制系统模型,或者建立混合(集成)控制模型,其核心就是实现控制器的智能化。⑥加强智能优化技术的发展。⑦扩宽实际应用范围,提高实时控制能力。 [7]

5.3智能控制的发展和应用

智能控制已被广泛地应用于工业、农业、军事等多个领域,已经解决了大量的传统控制无法解决的实际控制应用问题,呈现出强大的生命力和发展前景,随着基础理论不断创新和实际应用方法日益成熟,智能控制在控制领域将产生一个大的飞跃。但仍处于开创性研究阶段,最多可以说进入了初期发展阶段。

5.4典型的智能控制方法

目前，国内外智能控制研究的方向及内容主要有智能控制的基础理论和方法研究，智能控制系统结构研究、基于知识系统的专家控制、基于模糊系统的智能控制、基于神经网络的智能控制、基于信息论和进化论(遗传算法)的学习控制、基于学习及适应性的智能控制研究等。对有限维、线性、时不变的控制过程,传统控制法是有效的，但是船舶的运动具有非线性、模糊性、不确定性的特点，因此对于智能控制的研究是非常必要的。由于智能控制是未来船舶的发展趋势，因此下面对于几种具有代表性的智能控制进行简单的介绍；

5.4.1专家控制

专家系统是人工智能应用领域最成功的分支之一,始于60年代中期。80年代,专家系统的概念和方法引入控制领域,促进了专家控制系统的研究和应用,实际上可视为通过计算机模拟人的经验来实现复杂系统的控制。大多数专家系统主要由知识库、推理机、解释机制、知识取器四部分组成。专家控制可定义为具有模拟专家智能的功能、采用专家系统技术与控制理论相结合的方法设计的控制系统。

5.4.2模糊控制

1965年Zadeh创立了模糊集理论并得到了较快的发展和实际应用,成为智能控制领域中的一个重要分支。70年代中期,以Mamdani为代表的一批学者提出了模糊控制的概念,这标志着模糊控制的正式诞生。模糊控制是基于专家经验和知识总结出若干条模糊规则,构成描述具有不确定性复杂对象的模糊关系,通过被控系统输出误差及误差变化率和模糊关系的推理合成获得控制量,从而对系统进行控制。

5.4.3神经网络控制

人工神经网络是模仿生物脑结构和功能的一种信息处理系统。虽然目前的模仿还处于低级水平,但已显示出一些与生物脑相类似的特点。神经网络是由大量基本元件———神经元相互连接而成,每个神经元的结构与功能可以比较简单,但组合而成的系统则可以非常复杂,能对信息进行大规模并行处理、分布存储,具有良好的自适应性、自组织性和容错性,以及较强的学习、记忆、联想、识别等功能。由于多层神经网络具有逼近任意复杂非线性系统的能力,因此在控制、状态估计、系统建模、优化等方面大量应用。它的缺点是理论不成熟、实时性差、硬件实现成本高等。目前神经网络控制器还处于软件仿真模拟阶段。[8]

6.自动舵研究的发展趋势

目前国际海事组织 (IMO) 正在进行e-Navigation 战略实施计划，e-Navigation 中的 e含 4 层含义，即 easy，enhance，efficient，electronic[9]实现“E”计划的核心技术是导航的智能化，体现在自动舵上就是使船舶操纵控制更智能化、更容易化、更网络化。因此自动舵研究将朝着算法先进化、功能多样化、实现网络化、使用简单化和装备国产化5个方向发展。[2]随着对船舶航行要求的不断提高,船舶的自动舵系统已由PID舵发展到自适应舵再到智能舵。同时GPS等的新型导航系统出现,导航精度的不断提高,自动舵的控制目标也由航向控制逐步发展到航迹控制,并对精度与可靠性不断提出新的要求。最后针对未来自动化航行系统的发展趋势与要求,通过将智能控制技术与传统控制方法相结合,可提高自动舵的控制性能,并满足多种航行要求,为实现自动化航行奠定基础。

参考文献

[1]夏国忠.船舶结构与设备.大连.大连海事大学出版社,1998.

[2]徐国平，张显库.船舶自动舵研究综述.大连海事大学，2013.

[3]张显库. 船舶控制系统[M].大连.大连海事大学出版社，2010

[4]赵国良,姜仁锋编著.自适应控制技术与应用.人民交通出版社,1991.

[5]育鲲轮设备操作说明书

[6] 李玉清.智能控制的研究方法及其应用最新动态，2005.

[7] 李刚.智能控制理论及发展[J] .空军工程大学学报，2003.

[8]李文,欧青立,沈洪远,伍铁斌.智能控制及其应用综述.重庆邮电学院学报,2005.

[9] 中华人民共和国海事局.STCW 公约马尼拉修正案履约指南[S] .大连.大连海事大学出版社,2010.

致谢

感谢大连海事大学这四年来对我的培养，让我成长了许多；感谢我的导员在日常生活中对我的关心和帮助；感谢学校老师对我们的谆谆教导，尤其是航海学院的老师们；感谢四年中陪伴在我身边的同学、朋友，感谢他们为我提出的有益的意见和建议，因为他们的帮助和鼓励，我才能充实的度过了这四年的大学生活。