船舶自动舵控制系统设计与比较.pdf

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1、船 舶宫林国，等：船舶自动舵控制系统设计与比较船舶自动舵控制系统设计与比较112宫林国 朱 昊 翟春荣（1.上海电力学院 上海200090；2.国核工程有限公司 上海200233）［摘要］文中建立船舶操纵控制系统数学模型，设计了传统PID控制和基于频域法的超前控制这两种船舶自动舵控制系统，通过MATLAB/Simulink仿真平台，对设计的控制系统进行仿真研究。仿真结果表明：新设计的频域控制器控制特性明显优于传统PID控制结构，具有良好的操纵性能，能够为航渡任务的安全与顺利完成提供有力保障。［关键词］船舵操纵；航向控制；自动

2、舵；频域超前控制；PID［中图分类号］TB556［文献标志码］A［文章编号］1001-9855（2014）01-0072-06Designandcomparisonofshipautopilotcontrolsystem112GONGLin-guoZHUHaoZHAIChun-rong(1.ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China;2.StateNuclearPowerEngineeringCompany,Shanghai200233,China)Abstr

3、act:Thispapermakesthemathematicalmodeloftheshipmaneuveringcontrolsystem,anddesignsthetwoshipautopilotcontrolsystems,whicharetraditionalPIDcontrollerandadvancedcontrollerbasedonthefrequencydomainmethod.ItsimulatesandstudiestheircontrolsystemthroughtheMATLAB/Simulink

4、simulationplatform.ThesimulationresultsshowthatthecontrolcharacteristicsofthenewlydesignedfrequencydomaincontrollerisbetterthanthetraditionalPIDcontrollerstructure,andhastheexcellentmaneuveringperformance,whichcanofferthestrongguaranteeforthesafetyandaccomplishment

5、oftheferrytasks.Keywords:shipmanipulation;headingcontrol;autopilot;advancecontrolinthefrequencydomain;PID引言研究满足航行要求、性能优良的自动舵控制系统具有重要的实际意义。船舶控制系统具有大惯性、慢时变、非线性船舶运行系统是处于不确定环境下的复杂动等特点。船舶自动舵是用来自动保持船舶在给定航力学系统，但由于航速、载重等航行工况的变化又向或给定航迹航行的操纵装置，是保证船舶自动导造成模型参数的不确定性。因此，寻求控制特性安航

6、时的操纵性能的关键设备。性能优良的自动舵不全节能又具有强鲁棒性的自动舵控制系统，是目前但具有良好的航向（航迹）保持功能，还能够保证该领域的研究热点。合适的灵敏机动性能，且尽量减少转舵次数和幅传统PID自动舵控制系统对高频干扰过于敏［1］度，从而节省燃料和减少舵机系统的磨损。因此，感，缺乏对船舵动态特性及海上不确定因素的适应［基金项目］上海市教育委员会重点学科建设项目（J51303）。［收稿日期］2013-06-21；［修回日期］2013-07-15［作者简介］宫林国（1987-），男，硕士在读，研究方向：船舶控制系统设计，微

7、电网技术等。朱昊（1989-），男，硕士在读，研究方向：船舶控制与逆变器控制技术。翟春荣（1989-），男，硕士在读，研究方向：船舶控制与核电技术。72船舶电气与通信第1期 总第145期［12-13］能力。然而自适应自动舵控制系统成本高、参数调时针方向转动。由此动力方程可以看出，船［2］节复杂，控制效果又不理想。随着现代控制理舶的转动速率会逐渐趋于一个常数，因此如果船舶论的发展，一些智能控制策略应用到船舶自动舵控以直线运动，而艉舵偏转为一个恒定值，那么船舶［3-4］［5］制系统中，如神经网络控制、模糊控制、变就会以螺旋形的进

8、入一个圆形运动轨迹（因为转动［6］［7］结构控制、鲁棒控制等，但是该类控制策略的速率为常数）。存在多经验、较粗糙的成分，往往难以优化自动舵把掌舵齿轮看成一个简单的惯性环节，即方控制系统，控制效果不太理想。向盘转动的角度引起艉舵的偏转，时间常数为TG。本文基于经典频域分析理论，设计了一种自动