《船舶航向控制器設(shè)計(jì)與仿真》.pdf

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1、船舶航向控制器設(shè)計(jì)與仿真船舶航向控制器設(shè)計(jì)與仿真馮嘉儀劉教瑜黃珍(武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430070)摘要詳細(xì)論述了船舶航向控制器的設(shè)計(jì)與仿真。首先，在MATLAB的Simulink環(huán)境中構(gòu)建船舶航向控制系統(tǒng)的仿真模型，然后通過(guò)仿真分析來(lái)確定航向控制器的關(guān)鍵參數(shù)，最后進(jìn)行調(diào)試。關(guān)鍵詞：船舶，船舶航向控制器，PID算法，MATLABAbstractThispaperdiscussesthedesignandsimulationofMATLABshipcoursecontrollerindetailItbuildsashipCOUrSecon—trolsystemsim

2、ulationmodelintheSimulinkenvironmentinMATLAB．determinethekeyparametersofthecoursecontrolerthroughsimulatingandanalyzing，anddebug．Keywords：shipcoursecontroler．MATLAB，PIDalgorithm1船舶航向控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介質(zhì)量，除了要依賴(lài)各種“高級(jí)的”航向保持、航跡保持控制算法之船舶航向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由航向給定環(huán)節(jié)、航向檢測(cè)環(huán)節(jié)、給外，還需十分注意舵機(jī)伺服系統(tǒng)這一舵角閉環(huán)的動(dòng)態(tài)行為及其定航向與實(shí)際航向比較環(huán)節(jié)、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)

3、——舵、調(diào)節(jié)對(duì)與自動(dòng)舵(航向環(huán)和航跡環(huán))之間的匹配。這一點(diǎn)雖然近來(lái)已逐步象——船等組成。航向控制問(wèn)題包含兩個(gè)方面：航向保持和航向?yàn)槿藗兯J(rèn)識(shí)，但是單從自動(dòng)舵設(shè)計(jì)者的角度進(jìn)行努力不可能機(jī)動(dòng)性。為了到達(dá)目的地和減少燃料的消耗，總是力求使船舶以根本解決問(wèn)題，而必須從自動(dòng)舵與操舵電液伺服系統(tǒng)的結(jié)合上一定的速度作直線航行，這就是船舶的航向保持問(wèn)題，即航向穩(wěn)進(jìn)行綜合考慮，在整個(gè)船舶運(yùn)動(dòng)控制的層次上，在設(shè)備的選型、定性問(wèn)題；而當(dāng)在預(yù)定的航線上發(fā)現(xiàn)障礙物或其它船舶時(shí)，或者安裝、管理以及控制方案的確定、控制算法的設(shè)計(jì)等諸多方面進(jìn)在有限航道內(nèi)航行，必須及時(shí)改變航速和航向，這就是船舶航行行細(xì)致的工

4、作，協(xié)調(diào)處理，方能收到良好效果J。的機(jī)動(dòng)性問(wèn)題。這兩個(gè)方面是衡量一艘船舶操縱性好壞的標(biāo)志，從控制理論基礎(chǔ)的觀點(diǎn)來(lái)看，舵機(jī)伺服系統(tǒng)實(shí)際上是在隨機(jī)信操縱性直接關(guān)系到船舶的使用效能和安全性。因此，船舶航向控號(hào)作用下的隨動(dòng)系統(tǒng)。偏航信號(hào)是由作用在艦船上的風(fēng)、流、浪等干制主要分航向保持與航向改變兩種模式。當(dāng)船舶處于某個(gè)設(shè)定航擾所引起的。偏航信號(hào)經(jīng)過(guò)放大變換去控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)舵葉，使艦船線航行時(shí)，即航向保持問(wèn)題；當(dāng)設(shè)定航向發(fā)生改變時(shí)，船舶需要打在舵板產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩作用下，回到原航向上，從而消除偏航。因此舵回轉(zhuǎn)，即船舶跟蹤問(wèn)題，前者是是船舶在受到各種擾動(dòng)時(shí)以最和其它伺服系統(tǒng)一樣，舵機(jī)伺服系統(tǒng)也

5、是由敏感元件、放大元件、轉(zhuǎn)小的控制力保持在設(shè)定航向上，后者希望以最小的超調(diào)迅速準(zhǔn)確換元件、執(zhí)行元件以及反饋元件等組成的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。地跟蹤新的設(shè)定航向[』]。本文主要研究船舶航向保持問(wèn)題。敏感元件：為了測(cè)量艦船偏離給定航向大小，并將其偏航信船舶在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，指令航向由指揮人員給定，船舶的實(shí)際號(hào)輸送給自動(dòng)操舵系統(tǒng)。艦船上敏感元件是由羅經(jīng)航向發(fā)送器航向～般由羅經(jīng)來(lái)測(cè)量，在受到外界干擾的情況下，會(huì)使船舶偏和與其同步聯(lián)接在自動(dòng)操舵系統(tǒng)中的航向接收器組成。接收器航，羅經(jīng)所測(cè)得的實(shí)際航向與給定的航向進(jìn)行比較，得出航向誤把偏航信號(hào)傳給自動(dòng)操舵儀系統(tǒng)。敏感元件既反映艦船在外力差信號(hào)，該信號(hào)送

6、到自動(dòng)舵系統(tǒng)中，自動(dòng)舵系統(tǒng)根據(jù)所規(guī)定的控作用下對(duì)給定航向的偏差，也能反映在舵的作用下艦船的運(yùn)動(dòng)。制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，得出一個(gè)舵角指令，在舵機(jī)的作用下，將舵轉(zhuǎn)放大轉(zhuǎn)換元件：放大敏感元件的信號(hào)，滿足控制舵機(jī)裝置的到所需的角度，使船舶修正航向，反復(fù)進(jìn)行測(cè)量，直到實(shí)際航向要求。當(dāng)采用電動(dòng)液壓舵機(jī)時(shí)，對(duì)于水面艦船通常多數(shù)用半導(dǎo)體與給定航向相一致，自動(dòng)舵系統(tǒng)輸出零舵角指令信號(hào)，船舶按照放大器，對(duì)于潛艇除半導(dǎo)體放大器外，為了便于綜合多個(gè)信號(hào)，指令航向進(jìn)行航向_2】。有時(shí)還用磁放大器。當(dāng)采用電動(dòng)舵機(jī)時(shí)，多數(shù)用電機(jī)放大器或可2船舶航向控制系統(tǒng)建模控硅作為功率放大元件。對(duì)于電動(dòng)液壓舵機(jī)來(lái)講，轉(zhuǎn)換元件

7、就是2．1船舶航向控制器模型將經(jīng)過(guò)放大了的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械的或液壓的信號(hào)，借以驅(qū)動(dòng)船舶航向控制器是總結(jié)了人的操舵規(guī)律而設(shè)計(jì)的裝置，是液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)——舵機(jī)。因此，對(duì)于電動(dòng)液壓自動(dòng)操舵系統(tǒng)，這用來(lái)控制船舶航向的設(shè)備，能使船舶在預(yù)定的航向上運(yùn)行，它能也是一個(gè)很關(guān)鍵的元件。因?yàn)樗ǔＲ嗥鸱糯笞饔?，故和放大器克服使船舶偏離預(yù)定航向的各種干擾影響，使船舶自動(dòng)地穩(wěn)定一起稱(chēng)為放大轉(zhuǎn)換元件。我國(guó)制造的艦船應(yīng)用最普遍的轉(zhuǎn)換元在預(yù)定的航向上運(yùn)行，是操縱船舶的關(guān)鍵設(shè)備，又稱(chēng)自動(dòng)操舵裝件有三種：電磁閥、伺服閥與伺服電機(jī)。前兩種將