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《船舶操縱的控制技術(shù)發(fā)展綜述》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、船舶操縱的控制技術(shù)發(fā)展綜述摘 要 介紹與比較了船舶操縱的各種自動舵控制方法,船舶自動舵可分為4個發(fā)展階段,即機(jī)械舵、PID舵、自適應(yīng)舵和智能舵,其中智能舵為目前最先進(jìn)的自動舵,它分為專家系統(tǒng)、模糊舵和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)舵.關(guān)鍵詞 船舶操縱;自動舵;PID控制;自適應(yīng)控制;智能控制分類號 TP273.2;U666.153OverviewontheDevelopmentandComparisonoftheControlTechniquesonShipManeuveringChengQiming WanDejun (Depart
2、mentofInstrumentScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096)Abstract: Thecontrolmethodsofshipmaneuveringautopilotaredescribedandcompared.Theshipautopilotscontainfourdevelopmentalstages,thatis,mechanical,PID,adaptiveandintelligentcontrolautopilot.Th
3、eintelligentautopilotisnowthemostadvancedautopilot,itscontrolmethodscanbedividedintoexpertsystem,fuzzycontrolandneuralnetwork.Keywords: shipmaneuvering;autopilot;PIDcontrol;adaptivecontrol;intelligentcontrol 船舶操縱的自動舵［1,2］是船舶系統(tǒng)中不可缺少的重要設(shè)備,隨著對航行安全及營運需求的增長,人們對自動舵
4、的要求也日益提高.本世紀(jì)20年代,美國的Sperry和德國的Ansuchz在陀螺羅徑研制工作取得實質(zhì)進(jìn)展后分別獨立地研制出機(jī)械式的自動舵［3］,它的出現(xiàn)是一個里程碑,使人們看到了在船舶操縱方面擺脫體力勞動實現(xiàn)自動控制的希望,這是第1代自動舵.機(jī)械式自動舵只能進(jìn)行簡單的比例控制,為了避免振蕩,需選擇低的增益,它只能用于低精度的航向保持控制.本世紀(jì)50年代,隨著電子學(xué)和伺服機(jī)構(gòu)理論的發(fā)展及應(yīng)用,集控制技術(shù)和電子器件的發(fā)展成果于一體的、更加復(fù)雜的第2代自動舵問世了,這就是著名的PID舵［4］.自然PID舵比第1代自動舵有
5、長足進(jìn)步,但缺乏對船舶所處的變化著的工作條件及環(huán)境的應(yīng)變能力,因而操舵頻繁,操舵幅度大,能耗顯著.到了60年代末,由于自適應(yīng)理論和計算機(jī)技術(shù)得到了發(fā)展,人們注意到將自適應(yīng)理論引入船舶操縱成為可能,瑞典等北歐國家的一大批科技人員紛紛將自適應(yīng)舵從實驗室裝到實船上,正式形成了第3代自動舵［5～18］.自適應(yīng)舵在提高控制精度、減少能源消耗方面取得了一定的成績,但物理實現(xiàn)成本高,參數(shù)調(diào)整難度大,特別是因船舶的非線性、不確定性,控制效果難以保證,有時甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,盡管存在這些困難,熟練的舵手運用他們的操舵經(jīng)驗和智慧,能
6、有效地控制船舶,為此,從80年代開始,人們就開始尋找類似于人工操舵的方法,這種自動舵就是第4代的智能舵［19～29］.此外,80年代前船舶上安裝的自動舵一般只能進(jìn)行航向控制,它可把船舶控制在事先給定的航向上航行.隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)等先進(jìn)導(dǎo)航設(shè)備在船舶上裝備,人們開始設(shè)計精確的航跡控制自動舵,這種自動舵能把船舶控制在給定的計劃航線上.1 PID控制 直到70年代早期,自動舵還是一個簡單的控制設(shè)備,航向偏差給操舵設(shè)備提供修正信號,此時控制方程為式中,δ,e分別為舵角信號和航向偏差信號;K為比例常數(shù),它應(yīng)被整定
7、以適應(yīng)載重和環(huán)境要求,為避免振蕩,K應(yīng)取較低值. 對于穩(wěn)定低速航行的船舶,式(1)控制效果基本上是令人滿意的,但對不穩(wěn)定的船舶,式(1)是不合適的.一個更為先進(jìn)的控制系統(tǒng)應(yīng)包含航向誤差導(dǎo)數(shù)項,它的形式為 當(dāng)存在由橫向風(fēng)引起的下風(fēng)或上風(fēng)力矩干擾時,為使航向保持不變,應(yīng)加入航向偏差的積分項,此時方程式變?yōu)檫@就是經(jīng)典的PID控制器結(jié)構(gòu). 根據(jù)Mort的論文［4］,積分項的加入可能會降低舵的響應(yīng)速度,這會使船舶反應(yīng)遲鈍,為抵消這種影響,可再加入一個加速項,這樣控制方程又成為整定好控制參數(shù)K1～K4的式(3)或式(4)
8、能得到較好的操縱性能. 對海浪高頻干擾,PID控制過于敏感,為避免高頻干擾引起的頻繁操舵,常采用“死區(qū)”非線性天氣調(diào)節(jié),但死區(qū)會導(dǎo)致控制系統(tǒng)的低頻特性惡化,產(chǎn)生持續(xù)的周期性偏航,這將引起航行精度降低,能量消耗加大. 此外,當(dāng)船舶的動態(tài)特性(速度、載重、水深、外型等)或外界條件(風(fēng)、浪、流等)發(fā)生變化時,控制參數(shù)需連續(xù)地進(jìn)行人工整定,控制參數(shù)不合適的控制器
