李海鳳

(渤海船舶職業(yè)學(xué)院 電氣工程系，遼寧 葫蘆島 125005)

自動(dòng)舵系統(tǒng)是船舶操縱控制中的重要系統(tǒng)之一。通過(guò)系統(tǒng)中的航向設(shè)定功能使得船舶航跡更加趨近于直線。自動(dòng)舵系統(tǒng)的性能好壞在某種程度上決定了船舶的操縱性能、經(jīng)濟(jì)性能以及安全性能。

1 自動(dòng)舵的工作原理

1.1自動(dòng)控制理論與自動(dòng)舵的發(fā)展。

1.1.1比例微分積分控制技術(shù)與PID自動(dòng)舵。PID即比例微分積分控制技術(shù)。PID功能的實(shí)現(xiàn)主要是依靠模擬電子電路去搭建完成。其具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的性能、可靠的工作度，調(diào)整也較方便。數(shù)學(xué)模型的建立需要許多確定的參數(shù)，這就決定了PID控制具有一定的確定性。[1-2]在以PID控制器為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，參數(shù)的整定是關(guān)鍵，也就是調(diào)整比例系數(shù)、積分時(shí)間以及微分時(shí)間以符合被控制過(guò)程的特性。船舶在航行過(guò)程中，船舶的航行速度、載重量以及水的深度都在變化，這就使得船舶的運(yùn)動(dòng)特性也在不斷變化；與此同時(shí)風(fēng)流、水流以及波浪等水面情況也在變化，對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)形成擾動(dòng)。這就要求PID自動(dòng)舵的操作要能對(duì)增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到較理想的航行狀態(tài)。

1.1.2自適應(yīng)控制理論與自適應(yīng)自動(dòng)舵。自適應(yīng)控制過(guò)程中也要建立數(shù)學(xué)模型。但它對(duì)數(shù)學(xué)模型和外界擾動(dòng)的先驗(yàn)知識(shí)依賴(lài)性更小。它能通過(guò)在線辯識(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理使數(shù)學(xué)模型逐漸貼近實(shí)際。因此該系統(tǒng)具有自適應(yīng)能力，也使得自適應(yīng)控制的被控對(duì)象和環(huán)境可以具有較大的不確定性。[3]但成本相對(duì)PID控制而言要高。自適應(yīng)自動(dòng)舵中的自適應(yīng)控制系統(tǒng)依靠在線辨識(shí)對(duì)于不斷變化的航行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)中的模型參數(shù)，通過(guò)自適應(yīng)算法改變船舶的舵角，最終使得船舶航行中的動(dòng)舵次數(shù)最少、偏航幅度最小，船舶處于最佳航行狀態(tài)。

1.1.3智能控制理論與智能自動(dòng)舵。智能控制是將人工智能理論、運(yùn)籌學(xué)和控制理論相結(jié)合使控制系統(tǒng)在陌生的環(huán)境中在無(wú)人干預(yù)的情況下，發(fā)揮出類(lèi)似人的智能，完成控制。模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是目前進(jìn)行智能控制的常用方法。[4]智能控制的被控對(duì)象具有很強(qiáng)的不確定性和非線性，要完成的控制任務(wù)通常較復(fù)雜。人工智能控制技術(shù)逐漸應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)研制了智能型自動(dòng)舵，它大大減少了對(duì)數(shù)學(xué)模型的依賴(lài)性。

1.2自適應(yīng)自動(dòng)舵的工作原理。

PID自動(dòng)舵存在明顯的缺點(diǎn)，智能型自動(dòng)舵目前還不成熟，所以選用自適應(yīng)型自動(dòng)舵作為本船自動(dòng)舵系統(tǒng)的操舵儀。下面對(duì)自適應(yīng)自動(dòng)舵的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

在自適應(yīng)自動(dòng)舵的控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的問(wèn)題是自校正控制方案的確定，如圖1所示。被控制對(duì)象與自動(dòng)校正控制器是該系統(tǒng)的兩個(gè)重要部分。船舶在航行過(guò)程中水面狀況、速度情況、載重情況都在不斷變化，相應(yīng)地，舵角也在不斷變化。船舶的運(yùn)動(dòng)和各種擾動(dòng)使得系統(tǒng)的模型參數(shù)一直處于變化中，要通過(guò)在線辨識(shí)實(shí)時(shí)分析處理變化中的數(shù)據(jù)。[5]自校正控制器在系統(tǒng)運(yùn)行中使模型參數(shù)能夠進(jìn)行自動(dòng)整定；若參數(shù)變化時(shí)，也可修正控制器自身的參數(shù)?！皠?dòng)舵次數(shù)最少，偏航幅度最小”是自適應(yīng)自動(dòng)舵的控制目標(biāo)。

圖1 自校正控制方案圖

設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制方案先在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行仿真然后在實(shí)船上開(kāi)展試驗(yàn)以使自適應(yīng)控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)實(shí)際的水面條件，真正成為自適應(yīng)自動(dòng)舵的控制核心，保障船舶的航運(yùn)安全和質(zhì)量。自適應(yīng)自動(dòng)舵的控制框圖如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)自動(dòng)舵控制框圖

2 自動(dòng)舵的型號(hào)選擇

自適應(yīng)自動(dòng)舵的生產(chǎn)廠家和型號(hào)很多，根據(jù)船舶的噸位和船型以及性?xún)r(jià)比選擇了PR-6000 系列自動(dòng)舵作為該船的操舵儀。

2.1 PR-6000自動(dòng)舵的特點(diǎn)。

PR-6000 系列的自動(dòng)舵符合IMO A.342(IX)最新性能標(biāo)準(zhǔn)。它和ECDIS相連能夠?qū)崿F(xiàn)軌跡控制。系統(tǒng)具有PID和自適應(yīng)控制雙重控制系統(tǒng)；在自適應(yīng)控制系統(tǒng)中有標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)線；接口功能布置合理并且進(jìn)行了人性化設(shè)計(jì)；報(bào)警系統(tǒng)較直觀且功能全面與整個(gè)系統(tǒng)匹配；遙控操舵模式的設(shè)計(jì)使其能與駕控臺(tái)的集中控制系統(tǒng)兼容；數(shù)據(jù)接口滿(mǎn)足各種電羅經(jīng)的連接要求；自檢功能完善，故障現(xiàn)象可保存，為維修做好了準(zhǔn)備。PR-6000 系列自動(dòng)舵從總體上具有較高的安全性能和可靠性能。

2.2 PR-6000自動(dòng)舵的功能。

PR-6000自動(dòng)舵的主要功能如下：

(1)共4種操縱模式：遠(yuǎn)程遙控模式(又包括遠(yuǎn)程控制模式和導(dǎo)航模式)、手動(dòng)操縱模式、應(yīng)急操縱模式、自動(dòng)操縱模式(又包括自適應(yīng)模式和PID模式)。

(2)可按照船速、裝載情況等進(jìn)行最佳操縱調(diào)整。

(3)在自適應(yīng)狀態(tài)下操縱能適應(yīng)各種各樣的海況。如：開(kāi)放水域模式適宜在大洋中航行，這時(shí)只需要小幅度的操縱導(dǎo)航；當(dāng)航行在狹水道中時(shí)需要對(duì)船舶進(jìn)行大幅度操縱，則可選用限制模式，這樣有利于航向維持。

(4)有PID手動(dòng)調(diào)節(jié)模式可供選擇。它有3個(gè)可調(diào)節(jié)量：天氣調(diào)節(jié)(依照航行中的實(shí)際天氣情況在0到10之間調(diào)節(jié))；舵角比率(船舶的壓載和吃水情況)；比例舵(根據(jù)旋轉(zhuǎn)舵輪的設(shè)定指令，按照給定的轉(zhuǎn)向速率對(duì)船舶進(jìn)行控制)。

(5)與ECDIS相配合在導(dǎo)航模式下能對(duì)船舶節(jié)點(diǎn)導(dǎo)航。

(6)多種報(bào)警功能。當(dāng)羅經(jīng)方位與當(dāng)時(shí)自動(dòng)舵航向相差超過(guò)5到15度時(shí)報(bào)警；當(dāng)羅經(jīng)方位與其它設(shè)備的外部航向相差5到15度時(shí)報(bào)警；若系統(tǒng)失效時(shí)發(fā)出群組報(bào)警；當(dāng)舵機(jī)失電或者24V直流電失電時(shí)發(fā)出電源故障報(bào)警；系統(tǒng)中各設(shè)備故障的獨(dú)立報(bào)警等。

3 萬(wàn)噸級(jí)散貨船自動(dòng)舵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PR-6000的萬(wàn)噸級(jí)散貨船自動(dòng)舵系統(tǒng)主要分布在兩個(gè)地點(diǎn)：駕駛室和舵機(jī)艙。駕駛室主要包括自動(dòng)舵系統(tǒng)的操舵單元、內(nèi)部舵單元、自動(dòng)單元、電羅經(jīng)控制單元、電氣配線和端子板單元；舵機(jī)艙主要包括自動(dòng)舵的變壓器箱、反饋裝置、控制箱和非隨動(dòng)操舵箱。其中操舵單元可以選擇運(yùn)行的模式，接收和發(fā)出信號(hào)，查詢(xún)報(bào)警情況并能進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置；電羅經(jīng)控制單元為船舶提供真實(shí)的方位并給自動(dòng)舵輸送自動(dòng)導(dǎo)航基數(shù)；控制箱能接收到操舵信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行反饋處理；反饋裝置把比較信號(hào)傳送到操舵臺(tái)對(duì)舵角度數(shù)進(jìn)行處理，使其更精確。

自動(dòng)舵系統(tǒng)所需要的外來(lái)信號(hào)主要是羅經(jīng)信號(hào)、計(jì)程儀信號(hào)。自動(dòng)舵系統(tǒng)為VDR(航行數(shù)據(jù)記錄儀)和ECDIS(電子海圖系統(tǒng))提供信號(hào)。萬(wàn)噸級(jí)散貨船自動(dòng)舵系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 萬(wàn)噸級(jí)散貨船自動(dòng)舵系統(tǒng)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及其它理論和技術(shù)日新月異地發(fā)展，真正實(shí)用的智能型自動(dòng)舵終將應(yīng)用到船舶上。以智能型自動(dòng)舵為核心的自動(dòng)舵系統(tǒng)設(shè)計(jì)將是全新的設(shè)計(jì)，也意味著船舶航運(yùn)將出現(xiàn)嶄新的局面。

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[2]于洋.在線自整定PID 控制的船舶自動(dòng)舵[J]. 船電技術(shù)，2008,28(3)：137-139.

[3]周永余，陳永冰，周崗等. 航向、航跡自動(dòng)操舵儀船舵控制系統(tǒng)的研制[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，13(3)：47-51.

[4]劉文江，周風(fēng)余，潘為剛.基于ARM的中小型船舶自動(dòng)舵電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 船舶工程，2009,31(6)：56-59.

[5]吳建華.現(xiàn)代導(dǎo)航信息系統(tǒng)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2007：21-40.