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1、船舶操纵的控制技术发展综述摘 要 介绍与比较了船舶操纵的各种自动舵控制方法,船舶自动舵可分为4个发展阶段,即机械舵、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,它分为专家系统、模糊舵和神经网络舵.关键词 船舶操纵;自动舵;PID控制;自适应控制;智能控制分类号 TP273.2;U666.153OverviewontheDevelopmentandComparisonoftheControlTechniquesonShipManeuveringChengQiming WanDejun (
2、DepartmentofInstrumentScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096)Abstract: Thecontrolmethodsofshipmaneuveringautopilotaredescribedandcompared.Theshipautopilotscontainfourdevelopmentalstages,thatis,mechanical,PID,adaptiveandintelligentcontrol
3、autopilot.Theintelligentautopilotisnowthemostadvancedautopilot,itscontrolmethodscanbedividedintoexpertsystem,fuzzycontrolandneuralnetwork.Keywords: shipmaneuvering;autopilot;PIDcontrol;adaptivecontrol;intelligentcontrol 船舶操纵的自动舵［1,2］是船舶系统中不可缺少的重要设备,随着对航
4、行安全及营运需求的增长,人们对自动舵的要求也日益提高.本世纪20年代,美国的Sperry和德国的Ansuchz在陀螺罗径研制工作取得实质进展后分别独立地研制出机械式的自动舵［3］,它的出现是一个里程碑,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,这是第1代自动舵.机械式自动舵只能进行简单的比例控制,为了避免振荡,需选择低的增益,它只能用于低精度的航向保持控制.本世纪50年代,随着电子学和伺服机构理论的发展及应用,集控制技术和电子器件的发展成果于一体的、更加复杂的第2代自动舵问世了,这就是著
5、名的PID舵［4］.自然PID舵比第1代自动舵有长足进步,但缺乏对船舶所处的变化着的工作条件及环境的应变能力,因而操舵频繁,操舵幅度大,能耗显著.到了60年代末,由于自适应理论和计算机技术得到了发展,人们注意到将自适应理论引入船舶操纵成为可能,瑞典等北欧国家的一大批科技人员纷纷将自适应舵从实验室装到实船上,正式形成了第3代自动舵［5～18］.自适应舵在提高控制精度、减少能源消耗方面取得了一定的成绩,但物理实现成本高,参数调整难度大,特别是因船舶的非线性、不确定性,控制效果难以保证,有时甚至影响系统的稳定
6、性,尽管存在这些困难,熟练的舵手运用他们的操舵经验和智慧,能有效地控制船舶,为此,从80年代开始,人们就开始寻找类似于人工操舵的方法,这种自动舵就是第4代的智能舵［19～29］.此外,80年代前船舶上安装的自动舵一般只能进行航向控制,它可把船舶控制在事先给定的航向上航行.随着全球定位系统(GPS)等先进导航设备在船舶上装备,人们开始设计精确的航迹控制自动舵,这种自动舵能把船舶控制在给定的计划航线上.1 PID控制 直到70年代早期,自动舵还是一个简单的控制设备,航向偏差给操舵设备提供修正信号,此时控制
7、方程为式中,δ,e分别为舵角信号和航向偏差信号;K为比例常数,它应被整定以适应载重和环境要求,为避免振荡,K应取较低值. 对于稳定低速航行的船舶,式(1)控制效果基本上是令人满意的,但对不稳定的船舶,式(1)是不合适的.一个更为先进的控制系统应包含航向误差导数项,它的形式为 当存在由横向风引起的下风或上风力矩干扰时,为使航向保持不变,应加入航向偏差的积分项,此时方程式变为这就是经典的PID控制器结构. 根据Mort的论文［4］,积分项的加入可能会降低舵的响应速度,这会使船舶反应迟钝,为抵消这种影响
8、,可再加入一个加速项,这样控制方程又成为整定好控制参数K1～K4的式(3)或式(4)能得到较好的操纵性能. 对海浪高频干扰,PID控制过于敏感,为避免高频干扰引起的频繁操舵,常采用“死区”非线性天气调节,但死区会导致控制系统的低频特性恶化,产生持续的周期性偏航,这将引起航行精度降低,能量消耗加大. 此外,当船舶的动态特性(速度、载重、水深、外型等)或外界条件(风、浪、流等)发生变化时,控制参数需连续地进行人工整定,控制参数不合适的控制器
