船舶舵机控制系统改进设计【开题报告】

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1、毕业设计开题报告电气工程及其自动化船舶舵机控制系统改进设计一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义舵机是保持或改变船舶航向，保证船舶安全运行的重要设备，素有“舵机是舰船的生命”之称.目前低速柴油机船舶，均采用电液舵机.远洋船舶上装备的都是远距离控制自动操舵仪，简称自动舵，几乎全部是电动液压舵机。电液舵机分为阀控型和泵控型两种，阀控型舵机系统简单，造价低，控制方便，但传统大多采用一般的换向阀，液压冲击较大，可靠性较低.随着自动化技术和液压技术的发展，电液伺服系统以其控制精度高、响应速度快、信号处理灵活、输出功率大等优点，在船舶电

2、液舵机系统中应用越来越广泛.计算机仿真技术的发展，使得液压系统的动、静态特性可以通过仿真分析来得到.当舵机损坏或发生故障，船舶将因丧失机动性，而失去控制。因此，一旦舵机失灵，后果不堪设想。舵机是保证船舶机动性和生命力的主要设备之一，也是船上最重要的机电设备之一。舵机由舵和拖动装置组成。它的工作相当频繁，在进出港口和狭窄水域，每小时接通次数可达300～600次，在江上航行时可高达1200次。工作负荷在偏舵过程中变化很大，有时可能出现过载，甚至出现堵转，因此要求偏舵速度稳而快，与其它辅机电力拖动有所不同，必须保证工作可靠。近年来，着对航行安

3、全及营运需求的增长，人们对自动舵的要求也日益提高，自动操舵仪的出现及自动化技术的成熟运用为船舶无人驾驶的发展目标奠定了基础。根据船舶自动舵的发展历史和控制方法的不同，它大致可分为四个发展阶段，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等。不管怎样，就整个船舶而言，各种设备系统很多，航行过程复杂，智能化程度不一，如果把他们统一到一种算法中进行系统设计，难度很大，适应力不强。因此如何对船舶各种设备的控制进行协调，达到共同的控制目标，成为船舶航行运动控制中的首要问题。正是基于这，对

4、船舶舵机进行深入研究，并谈谈自己的看法。率先推出自动舵产品的是德国和美国，分别于1920年和1923年独立研制成了机械式的自动操舵仪。该产品是自动舵的雏形，所采用的是经典控制理论中最简单最原始的比例放大控制规律。它的出现是个里程碑。尽管它极不完善，难而它使人们看到在船舶操纵的工作中摆脱长时间连续的体力劳动和提高操纵精度的希望。这种自动舵被称为第一代自动舵。五十年代，经典理论达到了旺盛时期，经典控制理论有着各种控制方法，然而其中最重要最典型而且在工业生产中最常用的一种是比例一微分一积分(PID)控制。伴随着经典控制理论的发展，PID自动舵

5、在五十年代开始发展起来。1950年日本研制出“北辰”自动舵，1952年美国研制出了自动舵，采用的都是Pm的控制规律。由于PD调节器不需要详细的有关受控过程的先验知识，且具有结构简单、参数易于调整和具有固有的鲁棒性等特点，PID自动舵得到了广泛的认可，几乎所有的船都装有这种操舵仪。这种自动舵被称为第二代自动舵。尽管它比第一代自动舵有了长足的进步，但常规的Pm自动舵仍然存在着某些不足。这是因为PD自动舵的设计，一般是以确定性数学模型为基础，而船舶运动特性是随着航速、载荷、水深等因素变化而变化的，扰动特性随着海浪、风、流等海况变化而不同，因此

6、船舶航向控制的数学模型与扰动模型具有明显的不确定性。常规PID自动舵没有考虑上述变化，所以它不可能有很好的控制性能，往往是舵角幅度大，摆舵频繁，从而产生明显的船舶推进附加阻力并造成舵机磨损。特别是它对海况变化的处理，一般采用人工调节“死区”的方法，不可能有效地处理高频海浪扰动，反而降低航向精度，带来额外的能源消耗。尽管人们早已认识到自动舵的缺点，但限于当时控制理论发展水平，加上当时海船的状况，并没有使PID自动舵的缺点显得十分严重，因此，五六十年代，自动舵的发展一直停留在PID舵的水平上，没有多大的进展。自70年代起,国内一些科研院所、

7、高校开展自动舵的理论与开发工作,并取得了不少成果,一些航海仪表厂家也独立或与研究所、高校合作开展了自动舵的试制和生产,其产品以模拟PID舵为主。目前虽然国产自适应舵已经投入实船使用,但效果并不明显。智能控制舵还处于理论研究阶段,还没有产品化。航迹舵基本上也处于研究阶段,还没有过硬的产品。近几年发展起来的智能控制及其它近代控制在自动舵上应用尚处于方案可行性论证及实验仿真阶段,还有待于进一步工程实现研究。设计船舶自动操舵系统首先要确定船舶舵机的数学模型和船舶航行动态模型。船舶舵机的传动机构主要有两类,机械传动和液压传动。随着船舶排水量和航速

8、的增加,舵机上的转矩迅速增大。采用机械传动机构的舵机其重量和体积将变得很大,同时它的效率较低,电动机的容量势必很大。因而目前大型船舶均采用液压传动舵机,甚至中小型船舶也不例外。建造于上世纪80年代的采油船、