《船舶航向控制器设计与仿真》.pdf

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1、船舶航向控制器设计与仿真船舶航向控制器设计与仿真冯嘉仪刘教瑜黄珍(武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070)摘要详细论述了船舶航向控制器的设计与仿真。首先，在MATLAB的Simulink环境中构建船舶航向控制系统的仿真模型，然后通过仿真分析来确定航向控制器的关键参数，最后进行调试。关键词：船舶，船舶航向控制器，PID算法，MATLABAbstractThispaperdiscussesthedesignandsimulationofMATLABshipcoursecontrollerindetailItbuildsashipCOUrSecon—trolsystemsim

2、ulationmodelintheSimulinkenvironmentinMATLAB．determinethekeyparametersofthecoursecontrolerthroughsimulatingandanalyzing，anddebug．Keywords：shipcoursecontroler．MATLAB，PIDalgorithm1船舶航向控制系统简介质量，除了要依赖各种“高级的”航向保持、航迹保持控制算法之船舶航向运动控制系统由航向给定环节、航向检测环节、给外，还需十分注意舵机伺服系统这一舵角闭环的动态行为及其定航向与实际航向比较环节、控制器、执行机构

3、——舵、调节对与自动舵(航向环和航迹环)之间的匹配。这一点虽然近来已逐步象——船等组成。航向控制问题包含两个方面：航向保持和航向为人们所认识，但是单从自动舵设计者的角度进行努力不可能机动性。为了到达目的地和减少燃料的消耗，总是力求使船舶以根本解决问题，而必须从自动舵与操舵电液伺服系统的结合上一定的速度作直线航行，这就是船舶的航向保持问题，即航向稳进行综合考虑，在整个船舶运动控制的层次上，在设备的选型、定性问题；而当在预定的航线上发现障碍物或其它船舶时，或者安装、管理以及控制方案的确定、控制算法的设计等诸多方面进在有限航道内航行，必须及时改变航速和航向，这就是船舶航行行细致的工

4、作，协调处理，方能收到良好效果J。的机动性问题。这两个方面是衡量一艘船舶操纵性好坏的标志，从控制理论基础的观点来看，舵机伺服系统实际上是在随机信操纵性直接关系到船舶的使用效能和安全性。因此，船舶航向控号作用下的随动系统。偏航信号是由作用在舰船上的风、流、浪等干制主要分航向保持与航向改变两种模式。当船舶处于某个设定航扰所引起的。偏航信号经过放大变换去控制舵机转动舵叶，使舰船线航行时，即航向保持问题；当设定航向发生改变时，船舶需要打在舵板产生的回转力矩作用下，回到原航向上，从而消除偏航。因此舵回转，即船舶跟踪问题，前者是是船舶在受到各种扰动时以最和其它伺服系统一样，舵机伺服系统也

5、是由敏感元件、放大元件、转小的控制力保持在设定航向上，后者希望以最小的超调迅速准确换元件、执行元件以及反馈元件等组成的一个闭环系统。地跟踪新的设定航向[』]。本文主要研究船舶航向保持问题。敏感元件：为了测量舰船偏离给定航向大小，并将其偏航信船舶在运动过程中，指令航向由指挥人员给定，船舶的实际号输送给自动操舵系统。舰船上敏感元件是由罗经航向发送器航向～般由罗经来测量，在受到外界干扰的情况下，会使船舶偏和与其同步联接在自动操舵系统中的航向接收器组成。接收器航，罗经所测得的实际航向与给定的航向进行比较，得出航向误把偏航信号传给自动操舵仪系统。敏感元件既反映舰船在外力差信号，该信号送

6、到自动舵系统中，自动舵系统根据所规定的控作用下对给定航向的偏差，也能反映在舵的作用下舰船的运动。制规律进行计算，得出一个舵角指令，在舵机的作用下，将舵转放大转换元件：放大敏感元件的信号，满足控制舵机装置的到所需的角度，使船舶修正航向，反复进行测量，直到实际航向要求。当采用电动液压舵机时，对于水面舰船通常多数用半导体与给定航向相一致，自动舵系统输出零舵角指令信号，船舶按照放大器，对于潜艇除半导体放大器外，为了便于综合多个信号，指令航向进行航向_2】。有时还用磁放大器。当采用电动舵机时，多数用电机放大器或可2船舶航向控制系统建模控硅作为功率放大元件。对于电动液压舵机来讲，转换元件

7、就是2．1船舶航向控制器模型将经过放大了的电信号转变为机械的或液压的信号，借以驱动船舶航向控制器是总结了人的操舵规律而设计的装置，是液压执行机构——舵机。因此，对于电动液压自动操舵系统，这用来控制船舶航向的设备，能使船舶在预定的航向上运行，它能也是一个很关键的元件。因为它通常亦起放大作用，故和放大器克服使船舶偏离预定航向的各种干扰影响，使船舶自动地稳定一起称为放大转换元件。我国制造的舰船应用最普遍的转换元在预定的航向上运行，是操纵船舶的关键设备，又称自动操舵装件有三种：电磁阀、伺服阀与伺服电机。前两种将