1 船舶自动舵的发展 0942813220 刘磊 摘要：综述了航海自动舵的技术史和今后发展趋向以及就船舶操纵自动舵的工作原理和方法方面进行了综述。 关键词: 自动舵技术发展过程 自动舵发展趋向 自动舵的原理 自动舵的工作方法 船舶借助螺旋桨的推力和舵力来改变或保持航速和航向，实现从某港出发按 计划的航线到达预定的目的港。由此可见，操舵系统是一个重要控制系统，其性 能直接影响着船舶航行的操纵性、经济性和安全性。自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置，是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，使船舶自动地稳定在预定的航向上运行,是操纵船舶的关键设备。系统的调节对象是船，被调节量是航向。 自动舵是一个闭环系统，它包括：航向给定环节； 航向检测环节； 给定航向与实际航向比较环节；航向偏差与舵角反馈比较环节；控制器；执行机 构；舵；调节对象—船；舵角反馈机构等。自1922年自动舵问世到今天, 代替人力操舵的自动舵的发展确实取得了长足的进展, 在相当程度上减少了人力, 节约了燃料, 降低了机械磨损, 但是距离真正意义上的操舵自动化还有相。当大的距离。 本文在展望人工智能控制舵之前先对目前的自动舵进行简要的回顾，再对船舶操纵自动舵的构成和工作原理方面进行了综述。 一．自动舵的技术发展历史 1.传统的自动舵 1922年Minorsky和Sperry分别从数学角度和陀螺罗经在船舶上的运用角度各自发表了论文, 这两篇论文可以看作是对船舶自动舵作出了最早的贡献。1923年,Minorsky设计的自动舵就装在新墨西哥的战舰上投人了试验。 早期自动舵以机械结构为基础,仅能对航向进行初步控制, 今天我们将这种控制方法称为“比例（P）控制”。这是由于自动舵舵角的偏转大小是和船舶偏航角成比例的。下面的公式可表示比例控制的规律： 2

在实际工作中, 用陀螺罗经测出即时航向信号并与设定的航向进行比较, 然后将二者的差值输人到控制器中去, 由控制器输出并驱动舵轮伺服机构。但“比例控制” 法用于惯性很大的船舶效果不理想, 原因是这种控制方法会使船舶在设定的航向两边来回摆动, 结果使转舵装置过度磨损, 而且燃料消耗要高出许多, 这些问题限制了它的使用。 直到1949年Schiff等人提出了速率控制的概念, 即速率控制与偏航角的微分成正比, 目前将其称为“ 比例和微分（PD）控制”其公式如下：

引入微分控制概念以后提高了自动操舵时航向的准确性, 偏舵角不仅与偏航角有关, 还与偏航速率有关。 1972年Bech等人提出了一个三项控制理论, 即在PD控制系统中加上一个低频滤波器,以便使航向稳定性保持在适当范围内的情况下 减少舵机高频运动。这一控制可以表达为：

这种形式的控制器被称作比例-微分-积分控制系统, 或简称为PID控制器。增加的积分环节依靠偏航角的积累值, 自动地使舵叶从首尾线偏转一个角度, 产生一个恒定的转船力矩, 用以抵消外界风流等持续力矩的作用。（这一理论其实在1949年Schiff的论文中就提出过, 但被搁置了多年。）1980年以前, 几乎所有海船上的自动舵都采用PID控制。 2.自适应自动舵 3

20 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二代自动舵问世了,这就是著名的PID 舵。而传统的PID自动舵至少在三个方面存在严重缺陷：一是需要手动调节Kp，K1，Kd参数,补偿船舶状态的改变和风流环境的改变, 这种调节无法实现其精确整，更难做到适时调节；二是PID自动舵由于对高频海浪干扰采取的高频转舵实际上是无效舵, 无效舵反而导致船舶阻力增加, 引起推进能耗增加,机械磨损增大。常规PID自动舵用加大死区的办法抑制海浪干扰虽有一定效果, 但增大死区也会导致低频特性恶化, 引起持续周期性偏航；三是在大风浪中常常由于产生大角度的转舵, 导致更严重的偏航, 这在大风浪中是相当危险的。因此, 几乎所有海上航行法规都要求在大风浪和特殊环境下禁止使用自动舵, 而必须改用手动舵。 在70年代后期和80年代早期, 自适应自动舵的研究和发展异常迅速。从80年代起, 微处理技术和复杂的自适应控制理论应用于自动舵大大提高了控制的准确性, 增加了航行速度,减少了操纵工作量, 最主要的是减少风、浪、流、吃水等因素对手工设定参数的补偿, 提高了各种气候条件下使用自动舵的可能。 最早的自适应自动舵控制法是1975年Oldenburg等人提出的对一般的PID自动舵用直接推断法进行修正。这一功能包括对波浪信号、船速、负载变化等选择最佳控制参数。其中波浪是通过一个海浪分析器进行测量的，其不规则性可输入计算程序并利用卡尔曼滤波器提取信息。 1977年,Kallslrom和Astrom在关于船舶控制的文章中研究了另外一种方法, 被称为自校正自适应控制。1981年Brink和Tiano提出使用Ricatti方程的一个计算稳定状态的解答方法,可以基本上设计出自校正自适应自动舵由于船在风浪中变速变载航行, 船舶的动力状态及其数学模型参数是不断变化的,因此必须通过在线识别技术来实时辨识变化着的数学模型参数, 以保证在风浪变化、负载变化时, 控制器能本身修正自己的参数, 使控制系统做到动舵次数少、偏航幅值最小。问题是模拟真实的波浪系统, 在数学方面确有困难。在解Ricatti方程的繁重计算工 4

作中也会提出很多附加问题。 1982年由Van Amerongen提出了模型参考自适应控制理论, 根据线性叠加原理, 一艘船舶对不规则的海面状态的响应可以从不规则海面的规则波浪的分量响应的总和推导出来。对模型参考法的主要批评意见是真实船舶相当于一个高度非线性系统, 在风大浪高,负载急变时其适应程度很差。 1990年Fairbairn和Grimble将H∝设计法用到了自动舵上。H∝的优点是对在设备模型中的那种尚有某些参数具有不可测性的设备可进行一定程度的控制,然而要成功地应用H∝控制需要具有线性船舶模型方面有关转移函数的全面知识, 还必须有足够的液压动力学方面的数据。 总之, 自适应自动舵在一定范围内取得了十分有效的自动控制效果。然而,自适应方法要么以价值函数中的参数估算为基础, 要么是以船舶动力学环境干扰的模型试验为基础。没有人能为一艘船舶所经历过的那种千变万化的运行条件提供最佳的全面自动调节方法。 3.人工智能自动舵 自从80年代后期90年代初期开始，研究人员对“人工智能操舵系统”的研究倾注了极大的热情。目前开发智能控制的方法可以划分为以下三种： （1）专家级智能系统； （2）模拟逻辑控制器； （3）神经网络控制器。 专家系统的目标是借助计算机开发一种新的模型来解决问题。它与用参数识别的物理模型很不相同, 虽然有许多成功应用专家系统的实例, 但使用专家系统的自动舵实例非常少。使用专家系统自动舵最基本的要求是要能模拟舵工的作用。一个有用的专家系统也需要考虑船舶的特征和环境的干扰,形成算法。 近几年, 模糊设定理论在船舶上的应用得到了发展, Sutton和Jess于1991年介绍了一种自适应模糊自动舵理论。这个方法是观察操作环境以及观察在环境中模糊控制器所受的影响来达到查明性能指数的目的, 将能被接受的性能指数储存到一个矩阵格式中形成控制规则。 5

Layne于1993年又提出了模型参考自学习控制器（FMRLC），它是在环境受干扰(例如风)的情况下模拟船舶的驾驶, 此种学习机制的作用一是从模糊控制系统观察数据；二是学习当前性能特征；三是对模糊控制器进行自动合成和调节。FMRLC的设计没有依靠数学模型, 但在计算方法上是比较繁琐的。 自90年代起, 研究人员对人工神经网络的兴趣日益增长, 人工神经网络在船舶自动舵上的研究已有报道, 使用神经网络不仅用于航向保持, 而且借助其它航海定位仪器可以对航迹进行控制, 甚至在自动靠码头操作中也可利用神经网络控制器。 使用人工神经网络的一种最简单方法是利用神经网络的学习功能去模仿在不同工作条件下的PID自动舵。学习过程结束后, 神经网络控制器便可取代PID进行独立操作。很显然,如果遇到新的环境或条件, 神经网络自动舵需要再进入学习过程, 否则控制效果不稳定。1993年Simensen对上述方法进行了扩展。Witt和Miller在1993年也提出了类似的方法, 即用一个PID自动舵去训练一个神经网络自动舵, 这种方法虽然利用了神经网络的自学习功能, 但在整个过程中必须引人一个学习或训练阶段, 也就是说, 在实际控制之前必须有一个离线训练过程。 Zhang等人在1995年提出了一个在线学习和控制方法, 即利用一个神经网络对船舶边控制边学习, 这种方法称为在线直接控制。不久以后, Zhang等人将这种方法推广到了单输入多输出问题, 即航迹保持,以及多输人多输出问题,即自动靠码头控制。这种在线直接训练和控制方法有如下特点： （1）只要略知被控系统的一些定性特点, 而不需要任何辩识过程。 （2）训练数据不需太大, 只要能满足了解系统的短期动态特性即可。 （3）神经网络不是一经训练便一劳永逸, 而是连续进行自我训练, 因而适用于在变化条件下的非线性系统的控制。 上述神经网络自动舵与PID自动舵的比较,已经在不同的条件下进行了实验, 6

并取得了非常满意的效果。由此可见,目前自动舵的研究已进人了一个崭新的阶段,而人工智能型的自动舵很可能成为船舶操纵的必由之路可以预见,人工智能舵的研究将对船舶实现无人驾驶做出决定性的贡献。 4．自动舵发展趋向 4. 1 实现实时综合数据船桥系统功能。此系统是一种航行、控制、通讯和监控综合系统,采用先进的船舶运动理论、WINDOWS 软件和多种传感器硬件,整个系统由工业标准(以太网) 局域网LAN 把各子系统连在一起,将航行和控制系统与决策支持系统结合,包括海洋环境预报、卫星通讯、自动航行和航迹保持等功能。 4. 2 整个系统采用模块化结构,扩展灵活,可以根据用户要求,选配航向或航迹控制模块,还可选配气象站、气象航行计划和航行优化等模块。以满足 用户的不同需求。系统采用开放式结构,硬件和软件均可升级。 4. 3 系统全部菜单化人机界面,采用游戏杆或跟踪球等进行操作。 4. 4 采用双罗经、双计算机控制系统配置以提高可靠性和安全性 4. 5 自动舵有智能、自适应和PID 等多种控制模式,有自动、手动、非跟踪和遥控舵等多种工作模式。 4. 6 航迹舵包括航行计划、定位和航向保持等功能模块,有狭窄水域和宽阔水域两种航行模式。航行计划模块通过设置转向点编辑航线,有恒向线航行、大圆航行和混合大圆航行3 种方式;定位模块用GPS 实时确定船舶实际位置;航向保持模块自动决定最优船首向,在转向点处自动改变航向,保持船舶航行。与“航向舵”相比,航迹舵可以实现更精确,更经济的航迹控制。 4. 7 航迹舵有直接和间接两种控制模式。间接控制的航迹舵根据航迹偏差信号、速度信号和实际航向信号计算出最佳航向,作为航向舵的设置航向,通过操舵使船舶沿预定航线航行;直接控制的航迹舵根据船舶本身的数学模型,计算并控制所需的舵运动,使船舶自动沿着输入的航迹航行。 4. 8 雷达舵把雷达的显示功能和航迹舵的控制功能集中在一个控制台上进行航行计划、航迹控制和避碰操作,雷达管理系统采用高分辨率大屏幕彩色显示器,触摸式屏幕或跟踪球操作。 4. 9 速度舵通过与主机自动化系统的接口控制船 舶的速度,保证在输入的计划到达时间内到达,同时优化燃料消耗。