基于PR-6000的萬噸級散貨船自動舵系統設計

李海鳳

(渤海船舶職業學院 電氣工程系，遼寧 葫蘆島 125005)

自動舵系統是船舶操縱控制中的重要系統之一。通過系統中的航向設定功能使得船舶航跡更加趨近于直線。自動舵系統的性能好壞在某種程度上決定了船舶的操縱性能、經濟性能以及安全性能。

1 自動舵的工作原理

1.1自動控制理論與自動舵的發展。

1.1.1比例微分積分控制技術與PID自動舵。PID即比例微分積分控制技術。PID功能的實現主要是依靠模擬電子電路去搭建完成。其具有簡單的結構、穩定的性能、可靠的工作度，調整也較方便。數學模型的建立需要許多確定的參數，這就決定了PID控制具有一定的確定性。[1-2]在以PID控制器為核心的自動控制系統中，參數的整定是關鍵，也就是調整比例系數、積分時間以及微分時間以符合被控制過程的特性。船舶在航行過程中，船舶的航行速度、載重量以及水的深度都在變化，這就使得船舶的運動特性也在不斷變化；與此同時風流、水流以及波浪等水面情況也在變化，對船舶的運動形成擾動。這就要求PID自動舵的操作要能對增益、積分時間和微分時間進行調節，以達到較理想的航行狀態。

1.1.2自適應控制理論與自適應自動舵。自適應控制過程中也要建立數學模型。但它對數學模型和外界擾動的先驗知識依賴性更小。它能通過在線辯識對數據進行分析處理使數學模型逐漸貼近實際。因此該系統具有自適應能力，也使得自適應控制的被控對象和環境可以具有較大的不確定性。[3]但成本相對PID控制而言要高。自適應自動舵中的自適應控制系統依靠在線辨識對于不斷變化的航行數據進行分析處理，實時調整系統中的模型參數，通過自適應算法改變船舶的舵角，最終使得船舶航行中的動舵次數最少、偏航幅度最小，船舶處于最佳航行狀態。

1.1.3智能控制理論與智能自動舵。智能控制是將人工智能理論、運籌學和控制理論相結合使控制系統在陌生的環境中在無人干預的情況下，發揮出類似人的智能，完成控制。模糊控制和神經網絡控制是目前進行智能控制的常用方法。[4]智能控制的被控對象具有很強的不確定性和非線性，要完成的控制任務通常較復雜。人工智能控制技術逐漸應用到各個領域，已經研制了智能型自動舵，它大大減少了對數學模型的依賴性。

1.2自適應自動舵的工作原理。

PID自動舵存在明顯的缺點，智能型自動舵目前還不成熟，所以選用自適應型自動舵作為本船自動舵系統的操舵儀。下面對自適應自動舵的工作原理進行簡單分析。

在自適應自動舵的控制系統中關鍵的問題是自校正控制方案的確定，如圖1所示。被控制對象與自動校正控制器是該系統的兩個重要部分。船舶在航行過程中水面狀況、速度情況、載重情況都在不斷變化，相應地，舵角也在不斷變化。船舶的運動和各種擾動使得系統的模型參數一直處于變化中，要通過在線辨識實時分析處理變化中的數據。[5]自校正控制器在系統運行中使模型參數能夠進行自動整定；若參數變化時，也可修正控制器自身的參數。“動舵次數最少，偏航幅度最小”是自適應自動舵的控制目標。

圖1 自校正控制方案圖

設計的自適應控制方案先在計算機中進行仿真然后在實船上開展試驗以使自適應控制系統能夠適應實際的水面條件，真正成為自適應自動舵的控制核心，保障船舶的航運安全和質量。自適應自動舵的控制框圖如圖2所示。

圖2 自適應自動舵控制框圖

2 自動舵的型號選擇

自適應自動舵的生產廠家和型號很多，根據船舶的噸位和船型以及性價比選擇了PR-6000 系列自動舵作為該船的操舵儀。

2.1 PR-6000自動舵的特點。

PR-6000 系列的自動舵符合IMO A.342(IX)最新性能標準。它和ECDIS相連能夠實現軌跡控制。系統具有PID和自適應控制雙重控制系統；在自適應控制系統中有標準信號線；接口功能布置合理并且進行了人性化設計；報警系統較直觀且功能全面與整個系統匹配；遙控操舵模式的設計使其能與駕控臺的集中控制系統兼容；數據接口滿足各種電羅經的連接要求；自檢功能完善，故障現象可保存，為維修做好了準備。PR-6000 系列自動舵從總體上具有較高的安全性能和可靠性能。

2.2 PR-6000自動舵的功能。

PR-6000自動舵的主要功能如下：

(1)共4種操縱模式：遠程遙控模式(又包括遠程控制模式和導航模式)、手動操縱模式、應急操縱模式、自動操縱模式(又包括自適應模式和PID模式)。

(2)可按照船速、裝載情況等進行最佳操縱調整。

(3)在自適應狀態下操縱能適應各種各樣的海況。如：開放水域模式適宜在大洋中航行，這時只需要小幅度的操縱導航；當航行在狹水道中時需要對船舶進行大幅度操縱，則可選用限制模式，這樣有利于航向維持。

(4)有PID手動調節模式可供選擇。它有3個可調節量：天氣調節(依照航行中的實際天氣情況在0到10之間調節)；舵角比率(船舶的壓載和吃水情況)；比例舵(根據旋轉舵輪的設定指令，按照給定的轉向速率對船舶進行控制)。

(5)與ECDIS相配合在導航模式下能對船舶節點導航。

(6)多種報警功能。當羅經方位與當時自動舵航向相差超過5到15度時報警；當羅經方位與其它設備的外部航向相差5到15度時報警；若系統失效時發出群組報警；當舵機失電或者24V直流電失電時發出電源故障報警；系統中各設備故障的獨立報警等。

3 萬噸級散貨船自動舵系統設計

基于PR-6000的萬噸級散貨船自動舵系統主要分布在兩個地點：駕駛室和舵機艙。駕駛室主要包括自動舵系統的操舵單元、內部舵單元、自動單元、電羅經控制單元、電氣配線和端子板單元；舵機艙主要包括自動舵的變壓器箱、反饋裝置、控制箱和非隨動操舵箱。其中操舵單元可以選擇運行的模式，接收和發出信號，查詢報警情況并能進行簡單設置；電羅經控制單元為船舶提供真實的方位并給自動舵輸送自動導航基數；控制箱能接收到操舵信號并對其進行反饋處理；反饋裝置把比較信號傳送到操舵臺對舵角度數進行處理，使其更精確。

自動舵系統所需要的外來信號主要是羅經信號、計程儀信號。自動舵系統為VDR(航行數據記錄儀)和ECDIS(電子海圖系統)提供信號。萬噸級散貨船自動舵系統的具體設計如圖3所示。

圖3 萬噸級散貨船自動舵系統圖

4 結束語

隨著電子技術、計算機技術、自動控制技術以及其它理論和技術日新月異地發展，真正實用的智能型自動舵終將應用到船舶上。以智能型自動舵為核心的自動舵系統設計將是全新的設計，也意味著船舶航運將出現嶄新的局面。

[1]季本山.基于PLC的模糊PID船舶自動舵[J].上海海事大學學報，2009,30(4)：57-62.

[2]于洋.在線自整定PID 控制的船舶自動舵[J]. 船電技術，2008,28(3)：137-139.

[3]周永余，陳永冰，周崗等. 航向、航跡自動操舵儀船舵控制系統的研制[J].中國慣性技術學報，2005，13(3)：47-51.

[4]劉文江，周風余，潘為剛.基于ARM的中小型船舶自動舵電控系統設計[J]. 船舶工程，2009,31(6)：56-59.

[5]吳建華.現代導航信息系統[M].武漢：武漢理工大學出版社，2007：21-40.