船舶舵机建模与航迹控制系统设计【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建模与航迹控制系统设计一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义人类文明的进步与海洋运输紧密相关。随着世界贸易的迅速发展，港口航运业发展相当迅速，大量船舶在港口及其附近水域航行，再加上现在的船舶都越来越大型化和高速化，海上航行安全威胁日益增加。因而对船舶的运动控制提出了的要求也越来越高。如何在提高经济效益前提下科学地操纵控制船舶，使其安全且准时到达目的地，成为一个日益严重的问题。船舶自动操舵仪，俗称“自动舵”，是根据指令信号自动完成操纵舵机的装置，是一个重要的船舶控制设备。它能代替舵手操舵，保证船舶在给定航

2、迹上航行。性能优良的自动舵不仅可以减轻舵手的劳动，高精度的保持船舶航向、航迹，而且相同的航行条件下，可以减少偏航次数和减小偏航值，因而可提高实际航速，缩短航程的航行时间，节省燃料，提高航行的经济效益。一般说来，自动舵按控制功能可分为两类:一类是航向自动舵，保证船舶自动跟踪指令航向，实现自动保持或改变航向的目的；另一类是航迹自动舵，控制船舶沿计划航线航行。由于航迹自动舵具有控制船舶精确的航迹的功能，它将是自动舵未来的发展方向。船舶自动舵在调节规律上，正在从简单的PID控制系统向自适应控制、最佳控制和智能控制系统发展。在功能上，航向自动舵发展为自动航行系统和综

3、合船桥系统。到目前为止，历经了机械式自动舵、PID自动舵、自适应自动舵和智能自动舵4个发展阶段。航迹控制是航海技术的重要组成部分。为了确保船舶安全、经济的航行，航海人员必须时刻把握船舶每一时刻准确位置和航向，由船舶当前位置、航向与给定计划航线计算出航向、航迹误差，根据航向、航迹误差给出舵角控制指令，使船舶沿预定的计划航线航行。在船舶航迹控制过程中最重要的工作是设计出性能良好的航迹自动舵。船舶操纵以经济性和安全性为根本目的。如船舶在海上进行直线航行时，一般船航迹较接近于要求的直线的，其自动舵性能较好的；而自动舵性能较差的船它的航迹较为曲折，呈现类似“S”形，

4、必须要频繁操舵以纠正航向偏差。这样不但增加了实际航程，相对降低了实3际航速，而且增加了校正航向偏差所产生的操纵机械和推进机械的功率消耗。船舶在大洋中航行时，风、浪、流等各种干扰都使船舶偏离预定航线，过去由于技术条件的限制，自动舵仅有航向控制功能，不能够精确地保证船舶沿预定航线航行。进入九十年代以来，全球定位系统的出现使在全球范围内、全天候、连续、精确的定位成为可能，航迹控制技术才开始大量地应用于自动舵中。航迹控制一直是船舶运动控制的重点研究对象。由于国内起步较晚，与国外先进水平相比仍有较大的差距。主要表现在：（1）航向舵仍占据主导地位，航迹舵产品尚未成熟的

5、，更不用说自动航行系统和综合船桥系统。（2）在控制理论上，虽然国内有些专家提出了一些控制方法，也解决了一些问题，但由于船舶操纵运动数学模型存在非线性问题、操舵执行机构存在滞后问题以及船舶航行环境和所受干扰的不确定等问题，使得一些建立的数学模型的控制方法无法得到正常实现。据国内外有关研究证明，船舶智能控制能解决上述问题。因此，将智能控制理论用于自动舵，改进我国的自动舵性能是一项迫切的任务。上世纪七十年代中期，以Mamdani为代表的一批学者提出了模糊控制的概念，这标志着模糊控制的正式诞生。其基本思想是把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列的以

6、：if和then的形式表示的控制规则，通过模糊推理得到控制作用集，作用于被控对象。常规模糊控制的两个主要问题在于改稳态控制精度和提高智能水平与适应能力。因此纯粹的模糊控制器运用在自动舵的研究中并不广泛。在实际应用中，往往是将模糊控制或模糊推理的思想，与其它相对成熟的控制理论或方法结合起来，发挥各自的长处，从而获得理想的控制效果。模糊规则和语言很容易被人们广泛接受，加上模糊化技术在微处理器和计算机中能很方便的实现，所以这种结合展现出强大的生命力和良好的效果。对模糊控制的改进方法可大致的分为模糊复合控制，自适应和自学习模糊控制，以及模糊控制与智能化方法的结合等

7、三个方面。3对于常规水面船舶而言，其推进装置主要配置为螺旋桨和舵，没有任何其它推进装置。传统意义上的船舶控制，通常通过对舵角的控制来实现对船舶航向的控制，而对于船舶位置的控制则通过控制船舶的航向来间接实现的，所以传统意义上的船舶控制可称为间接航迹控制。因此，对于传统的船舶控制策略而言，仅是舵角和船舶航向之间的关系，故其可归于完全驱动系统。但是，当需要依靠调节舵角和推进力而同时控制船舶水平面4个白山度的运动时，此时的船舶运动控制系统则属于不完全驱动系统。这类船舶控制主要用于动力定位、自动泊位和直接航迹控制。所谓直接航迹控制，也就是以船舶的位置和航向作为自接控

8、制量，当通过调节舵角和螺旋桨推进力来对其进行直接航迹控制时，因控制