船舶航迹舵控制技术研究与设计

李圆明

摘 要：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。

关键词：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）.