船舶航跡舵控制技術研究與設計

李圓明

摘 要：航跡舵在船舶的操縱系統中是不可缺少的設備。對航跡舵的要求隨著運行安全效益的提高也日益提高。綜合我國現有的經濟因素以及現有的航行設備來看，文章提出了一些新的控制軌跡間接式的方法。對于軌跡的控制是文章很重要的一部分。新的軌跡控制法，也就是間接式的軌跡控制是根據原先軌跡控制的基本原理以及類型和計算航跡的基礎上來實現的。這種新的方法航跡的控制是通過控制其航向來實現的。這種新的控制航跡的方法在航海方面具有很大的潛力。

關鍵詞：航跡控制；航跡舵；PID控制

自動舵只是其俗稱，全名是船舶自動操舵儀。這個裝備是根據發出的信號指令來進行控制航跡的。它能代替人工的操作，并且能有效保證船舶在規定的航向上航行。它的優點就是減少舵手勞動力，還能減少偏離值，從而使得航行時間的縮短，速度得到了相應的提高，便減少了燃料的燃燒。能帶來一定的經濟效益。自動舵的功能可以分為兩種，一種是航向自動舵，還有另一種功能是航跡自動舵。前者的具體功能是自動的保持或改變航向，減少偏值，而后者能夠使船舶的航線航向得到更好的控制。

1 船舶操縱控制系統的現狀以及發展

在整個船舶的操縱系統中離不開自動舵，這是一個很重要的設備，主要的功能是控制船舶的航向，人們早在20世紀20年代就開始了對自動舵的研究工作。到現在為止，自動舵一共經歷了4個發展過程。

1.1 機械式自動舵

德國的Aushutz和美國的Seprry早在1920年和1923年率先提出了關于機械式自動舵的研究方法。這一設置是船舶自動舵的雛形，其方法是最原始的采用最簡單的比例放大控制規律。被歷史稱為第一代船舶自動舵。

1.2 PID自動舵

經典理論在20世紀50年代發展成為頂峰，其中存在著多種的航跡控制方法。此時的微分和積分在工業領域中得到廣泛的應用。積分控制也就是相關的PID控制。日本在1950年研究出了關于PID自動舵，被稱為北辰自動舵。后來美國在1952年研究出了新型的Seprry自動舵，都是采用PID來進行控制的。本來就有的魯棒性以及參數易被調整和結構簡單是PID自動舵所具有的特點。由此PID自動舵被廣泛的認可。這種操作儀器幾乎存在于所有的船舶當中。因此被稱為第二代自動舵。

1.3 自適應自動舵

自適應自動舵有兩大類控制設計。第一種是可以根據自我校正的原理來設計的。第二種是模型的自適應和參考來進行設計的。模式是由美國麻省理工大學教授根據在航行過程當中出現的問題來設計的。自我校正是Kalman在1958年根據相關的研究提出的。那時相關航行理論和技術都不夠成熟，所以自適應自動舵沒有得到廣泛應用。到了70年代人們意識到了自適應自動舵的優點，決定將關于自適應自動舵的理論應用到實際的生活當中來。于是實際的船舶當中也都紛紛裝上了自適應自動舵，于是便形成了第三代自動舵。

1.4 智能自動舵

由于傳統的方法對于控制限維、線性和時不變性具有一定的局限性，所以就要有新的控制航線方法。因為在現實航行當中，其實際船舶系統具有不穩定、不確定性以及復雜性和非線性。所以很難構成精確地模型方程，甚至是沒有確定的分析式來表達。然而自適應自動舵所具有的穩定性應用到實際的航行當中時還不能完全的達到要求，但是舵手具有很豐富的有關于這方面的知識，還是可以很好的控制航跡。所以在80年代，人們就開始研究有關于這方面的人工控制航跡的方法。這種新的人工操作舵就是第四代新自動舵。現在已經有了三種關于這方面的智能控制，分別是神經網絡控制、專家系統控制和模糊控制。

2 船舶運動控制仿真的設計

要想設計出有關于船舶運動控制仿真，就必須對這方面有一定的了解，才能生產出有關于航跡自動舵的產品。只有通過好的實驗再設計出好的產品，便能減少在海上的實驗次數，從而節約了能源同時也使得實驗成本得到了降低，使產品更快的開發出來。設計仿真通常被應用到船舶控制技術的研究當中去，其仿真系統中一般存在著三種形式，是物理、單機和雙機仿真。

物理仿真是用試驗船去代替真實的船去做船舶運動來進行各項實驗，其中包括靠離碼頭自動化、船舶運動控制器和自動操舵儀，還有一些其他自動化方面的實驗。雙機仿真則是通過真實的船舶與運行船舶數字模型的計算機相連，這樣就可以測試船舶控制器的控制效果。單機仿真則只需要在一臺計算機上來運行船舶運動的數字模型和控制器的算法，因為這種方法只需要在計算機上進行。因此方法相對簡單，且成本低，所以被大多數采用。但是由于數學模型的精度不夠還有海況真實性難以預料等難度，單憑這一項研究結果也很難有可信度，但是單機仿真可以當作一個初步驗證手段。

對比這三種船舶運動仿真系統，最簡單是單機仿真，但這種方法只能給出初步結果。而雙機仿真為船舶控制器提供的是半物理仿真，相對于單機仿真更接近實船的控制系統。最接近實船控制系統的是物理仿真，所以物理仿真能得到更為真實、準確的數據，但是物理仿真系統需要大量資金的投入才能正常進行。

3 航跡控制研究的有關內容

操縱船舶的關鍵設備便是自動舵。關于此方法的研究工作在國內已經有很多相關人員積極的參與，而且大多數的研究是根據船舶航跡自動舵的預先演習來展開的。精確地計算出航跡的該變量，還要能準確的控制航向舵，其最終目的都是能精確地控制航跡。主要的研究內容有以下三點。第一建立在有風、浪還有氣流的影響下的單機仿真機完成相關的船舶運動模型。第二要設計好航向控制器。將PID技術應用到其中，以更好的運用到間接式航跡控制當中去。第三分析控制航線的可行性，并且讓其應用到實際當中去，設計和仿真專家模塊的控制。

總而言之，由于海上運輸這一事業的日益突出，海上出現事故這一現象也日益的突出。尤其針對那些大型的游輪和承載了大量的化學用品的船舶，如果一旦出現了事故，極大的破壞環境造成污染，事故原因包括了相關人員操作不當，還有天氣的因素。所以這一系列的問題就要求自動舵應具備的條件，能很好的控制航向，研究出即使是在有風有浪還有天氣不好的條件下也能很好的控制航向，從而控制了船舶的航行軌跡。還應該要適應海上事業的發展速度，減少實驗的次數，加快產品的產生，從而節約成本。所有這一切有關于航跡控制的研究，其目的都是為了能夠給人們帶來更方便、更安全、更科學的生活。

參考文獻

[1]鞠世瓊.船舶航跡舵控制技術研究與設計[J].哈爾濱工程大學，2007（01）.

[2]趙晴.船舶航跡智能控制算法和研究[J].集美大學，2012（04）.