船舶自動(dòng)舵的發(fā)展

船舶自動(dòng)舵的發(fā)展0942813220劉磊摘要：綜述了航海自動(dòng)舵的技術(shù)史和今后發(fā)展趨向以及就船舶操縱自動(dòng)舵的工作原理和方法方面進(jìn)行了綜述。關(guān)鍵詞：自動(dòng)舵技術(shù)發(fā)展過程自動(dòng)舵發(fā)展趨向自動(dòng)舵的原理自動(dòng)舵的工作方法船舶借助螺旋槳的推力和舵力來改變或保持航速和航向，實(shí)現(xiàn)從某港出發(fā)按計(jì)劃的航線到達(dá)預(yù)定的目的港。由此可見，操舵系統(tǒng)是一個(gè)重要控制系統(tǒng)，其性能直接影響著船舶航行的操縱性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。自動(dòng)操舵儀是總結(jié)了人的操舵規(guī)律而設(shè)計(jì)的裝置，是用來控制船舶航向的設(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)定在預(yù)定的航向上運(yùn)行，是操縱船舶的關(guān)鍵設(shè)備。系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對(duì)象是船，被調(diào)節(jié)量是航向。自動(dòng)舵是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，它包括：航向給定環(huán)節(jié)；航向檢測(cè)環(huán)節(jié)；給定航向與實(shí)際航向比較環(huán)節(jié)；航向偏差與舵角反饋比較環(huán)節(jié)；控制器；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；舵；調(diào)節(jié)對(duì)象一船；舵角反饋機(jī)構(gòu)等。自1922年自動(dòng)舵問世到今天，代替人力操舵的自動(dòng)舵的發(fā)展確實(shí)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在相當(dāng)程度上減少了人力，節(jié)約了燃料，降低了機(jī)械磨損，但是距離真正意義上的操舵自動(dòng)化還有相。當(dāng)大的距離。本文在展望人工智能控制舵之前先對(duì)目前的自動(dòng)舵進(jìn)行簡(jiǎn)要的回顧，再對(duì)船舶操縱自動(dòng)舵的構(gòu)成和工作原理方面進(jìn)行了綜述。一.自動(dòng)舵的技術(shù)發(fā)展歷史傳統(tǒng)的自動(dòng)舵1922年Minorsky和Sperry分別從數(shù)學(xué)角度和陀螺羅經(jīng)在船舶上的運(yùn)用角度各自發(fā)表了論文，這兩篇論文可以看作是對(duì)船舶自動(dòng)舵作出了最早的貢獻(xiàn)。1923年,Minorsky設(shè)計(jì)的自動(dòng)舵就裝在新墨西哥的戰(zhàn)艦上投人了試驗(yàn)。早期自動(dòng)舵以機(jī)械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),僅能對(duì)航向進(jìn)行初步控制，今天我們將這種控制方法稱為“比例（P）控制”。這是由于自動(dòng)舵舵角的偏轉(zhuǎn)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規(guī)律：8= 巾）=_Ke心式中命舵角小航向油j偏航角gn：設(shè)定航向；K”比例常數(shù)（可根據(jù)船型和外界環(huán)境人為調(diào)節(jié)"在實(shí)際工作中，用陀螺羅經(jīng)測(cè)出即時(shí)航向信號(hào)并與設(shè)定的航向進(jìn)行比較，然后將二者的差值輸人到控制器中去，由控制器輸出并驅(qū)動(dòng)舵輪伺服機(jī)構(gòu)。但“比例控制”法用于慣性很大的船舶效果不理想，原因是這種控制方法會(huì)使船舶在設(shè)定的航向兩邊來回?cái)[動(dòng)，結(jié)果使轉(zhuǎn)舵裝置過度磨損，而且燃料消耗要高出許多，這些問題限制了它的使用。直到1949年Schiff等人提出了速率控制的概念，即速率控制與偏航角的微分成正比，目前將其稱為“比例和微分（PD）控制”其公式如下：日=口十K0°其中：偏航角的改變速率；Kd:微分系凱引入微分控制概念以后提高了自動(dòng)操舵時(shí)航向的準(zhǔn)確性，偏舵角不僅與偏航角有關(guān)，還與偏航速率有關(guān)。1972年Bech等人提出了一個(gè)三項(xiàng)控制理論，即在PD控制系統(tǒng)中加上一個(gè)低頻濾波器，以便使航向穩(wěn)定性保持在適當(dāng)范圍內(nèi)的情況下減少舵機(jī)高頻運(yùn)動(dòng)。這一控制可以表達(dá)為：E—-（Kri^i；卜K［加「K.這種形式的控制器被稱作比例-微分-積分控制系統(tǒng)，或簡(jiǎn)稱為PID控制器。增加的積分環(huán)節(jié)依靠偏航角的積累值，自動(dòng)地使舵葉從首尾線偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，產(chǎn)生一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)船力矩，用以抵消外界風(fēng)流等持續(xù)力矩的作用。（這一理論其實(shí)在1949年Schiff的論文中就提出過，但被擱置了多年。）1980年以前，幾乎所有海船上的自動(dòng)舵都采用PID控制。自適應(yīng)自動(dòng)舵20世紀(jì)50年代，隨著電子學(xué)和伺服機(jī)構(gòu)理論的發(fā)展及應(yīng)用，集控制技術(shù)和電子器件的發(fā)展成果于一體的更加復(fù)雜的第二代自動(dòng)舵問世了，這就是著名的PID舵。而傳統(tǒng)的PID自動(dòng)舵至少在三個(gè)方面存在嚴(yán)重缺陷：一是需要手動(dòng)調(diào)節(jié)Kp，K1，Kd參數(shù),補(bǔ)償船舶狀態(tài)的改變和風(fēng)流環(huán)境的改變，這種調(diào)節(jié)無法實(shí)現(xiàn)其精確整，更難做到適時(shí)調(diào)節(jié)；二是PID自動(dòng)舵由于對(duì)高頻海浪干擾采取的高頻轉(zhuǎn)舵實(shí)際上是無效舵，無效舵反而導(dǎo)致船舶阻力增加，引起推進(jìn)能耗增加，機(jī)械磨損增大。常規(guī)PID自動(dòng)舵用加大死區(qū)的辦法抑制海浪干擾雖有一定效果，但增大死區(qū)也會(huì)導(dǎo)致低頻特性惡化，引起持續(xù)周期性偏航；三是在大風(fēng)浪中常常由于產(chǎn)生大角度的轉(zhuǎn)舵，導(dǎo)致更嚴(yán)重的偏航，這在大風(fēng)浪中是相當(dāng)危險(xiǎn)的。因此，幾乎所有海上航行法規(guī)都要求在大風(fēng)浪和特殊環(huán)境下禁止使用自動(dòng)舵，而必須改用手動(dòng)舵。在70年代后期和80年代早期，自適應(yīng)自動(dòng)舵的研究和發(fā)展異常迅速。從80年代起，微處理技術(shù)和復(fù)雜的自適應(yīng)控制理論應(yīng)用于自動(dòng)舵大大提高了控制的準(zhǔn)確性，增加了航行速度，減少了操縱工作量，最主要的是減少風(fēng)、浪、流、吃水等因素對(duì)于工設(shè)定參數(shù)的補(bǔ)償，提高了各種氣候條件下使用自動(dòng)舵的可能。最早的自適應(yīng)自動(dòng)舵控制法是1975年Oldenburg等人提出的對(duì)一般的PID自動(dòng)舵用直接推斷法進(jìn)行修正。這一功能包括對(duì)波浪信號(hào)、船速、負(fù)載變化等選擇最佳控制參數(shù)。其中波浪是通過一個(gè)海浪分析器進(jìn)行測(cè)量的，其不規(guī)則性可輸入計(jì)算程序并利用卡爾曼濾波器提取信息。1977年,Kallslrom和Astrom在關(guān)于船舶控制的文章中研究了另外一種方法，被稱為自校正自適應(yīng)控制。1981年BrinkK^Tiano提出使用Ricatti方程的一個(gè)計(jì)算穩(wěn)定狀態(tài)的解答方法，可以基本上設(shè)計(jì)出自校正自適應(yīng)自動(dòng)舵由于船在風(fēng)浪中變速變載航行，船舶的動(dòng)力狀態(tài)及其數(shù)學(xué)模型參數(shù)是不斷變化的，因此必須通過在線識(shí)別技術(shù)來實(shí)時(shí)辨識(shí)變化著的數(shù)學(xué)模型參數(shù)，以保證在風(fēng)浪變化、負(fù)載變化時(shí),控制器能本身修正自己的參數(shù)，使控制系統(tǒng)做到動(dòng)舵次數(shù)少、偏航幅值最小。問題是模擬真實(shí)的波浪系統(tǒng)，在數(shù)學(xué)方面確有困難。在解Ricatti方程的繁重計(jì)算工作中也會(huì)提出很多附加問題。1982年由VanAmerongen提出了模型參考自適應(yīng)控制理論，根據(jù)線性疊加原理，一艘船舶對(duì)不規(guī)則的海面狀態(tài)的響應(yīng)可以從不規(guī)則海面的規(guī)則波浪的分量響應(yīng)的總和推導(dǎo)出來。對(duì)模型參考法的主要批評(píng)意見是真實(shí)船舶相當(dāng)于一個(gè)高度非線性系統(tǒng)，在風(fēng)大浪高，負(fù)載急變時(shí)其適應(yīng)程度很差。1990年Fairbairn和Grimble將七設(shè)計(jì)法用到了自動(dòng)舵上。七的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)在設(shè)備模型中的那種尚有某些參數(shù)具有不可測(cè)性的設(shè)備可進(jìn)行一定程度的控制，然而要成功地應(yīng)用七控制需要具有線性船舶模型方面有關(guān)轉(zhuǎn)移函數(shù)的全面知識(shí)，還必須有足夠的液壓動(dòng)力學(xué)方面的數(shù)據(jù)?？傊赃m應(yīng)自動(dòng)舵在一定范圍內(nèi)取得了十分有效的自動(dòng)控制效果。然而，自適應(yīng)方法要么以價(jià)值函數(shù)中的參數(shù)估算為基礎(chǔ)，要么是以船舶動(dòng)力學(xué)環(huán)境干擾的模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)。沒有人能為一艘船舶所經(jīng)歷過的那種千變?nèi)f化的運(yùn)行條件提供最佳的全面自動(dòng)調(diào)節(jié)方法。人工智能自動(dòng)舵自從80年代后期90年代初期開始，研究人員對(duì)“人工智能操舵系統(tǒng)”的研究?jī)A注了極大的熱情。目前開發(fā)智能控制的方法可以劃分為以下三種：專家級(jí)智能系統(tǒng)；模擬邏輯控制器；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。專家系統(tǒng)的目標(biāo)是借助計(jì)算機(jī)開發(fā)一種新的模型來解決問題。它與用參數(shù)識(shí)別的物理模型很不相同，雖然有許多成功應(yīng)用專家系統(tǒng)的實(shí)例，但使用專家系統(tǒng)的自動(dòng)舵實(shí)例非常少。使用專家系統(tǒng)自動(dòng)舵最基本的要求是要能模擬舵工的作用。一個(gè)有用的專家系統(tǒng)也需要考慮船舶的特征和環(huán)境的干擾,形成算法。近幾年，模糊設(shè)定理論在船舶上的應(yīng)用得到了發(fā)展，Sutton和Jess于1991年介紹了一種自適應(yīng)模糊自動(dòng)舵理論。這個(gè)方法是觀察操作環(huán)境以及觀察在環(huán)境中模糊控制器所受的影響來達(dá)到查明性能指數(shù)的目的，將能被接受的性能指數(shù)儲(chǔ)存到一個(gè)矩陣格式中形成控制規(guī)則。Layne于1993年又提出了模型參考自學(xué)習(xí)控制器（FMRLC），它是在環(huán)境受干擾（例如風(fēng)）的情況下模擬船舶的駕駛，此種學(xué)習(xí)機(jī)制的作用一是從模糊控制系統(tǒng)觀察數(shù)據(jù)；二是學(xué)習(xí)當(dāng)前性能特征;三是對(duì)模糊控制器進(jìn)行自動(dòng)合成和調(diào)節(jié)。FMRLC的設(shè)計(jì)沒有依靠數(shù)學(xué)模型，但在計(jì)算方法上是比較繁瑣的。自90年代起，研究人員對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的興趣日益增長(zhǎng)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在船舶自動(dòng)舵上的研究已有報(bào)道，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅用于航向保持，而且借助其它航海定位儀器可以對(duì)航跡進(jìn)行控制，甚至在自動(dòng)靠碼頭操作中也可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種最簡(jiǎn)單方法是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能去模仿在不同工作條件下的PID自動(dòng)舵。學(xué)習(xí)過程結(jié)束后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器便可取代PID進(jìn)行獨(dú)立操作。很顯然,如果遇到新的環(huán)境或條件，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)舵需要再進(jìn)入學(xué)習(xí)過程，否則控制效果不穩(wěn)定。1993年Simensen對(duì)上述方法進(jìn)行了擴(kuò)展。Witt和Miller在1993年也提出了類似的方法，即用一個(gè)PI。自動(dòng)舵去訓(xùn)練一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)舵，這種方法雖然利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能，但在整個(gè)過程中必須引人一個(gè)學(xué)習(xí)或訓(xùn)練階段，也就是說，在實(shí)際控制之前必須有一個(gè)離線訓(xùn)練過程。Zhang等人在1995年提出了一個(gè)在線學(xué)習(xí)和控制方法，即利用一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)船舶邊控制邊學(xué)習(xí)，這種方法稱為在線直接控制。不久以后，Zhang等人將這種方法推廣到了單輸入多輸出問題，即航跡保持，以及多輸人多輸出問題，即自動(dòng)靠碼頭控制。這種在線直接訓(xùn)練和控制方法有如下特點(diǎn)：（1） 只要略知被控系統(tǒng)的一些定性特點(diǎn)，而不需要任何辯識(shí)過程。（2） 訓(xùn)練數(shù)據(jù)不需太大，只要能滿足了解系統(tǒng)的短期動(dòng)態(tài)特性即可。（3） 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不是一經(jīng)訓(xùn)練便一勞永逸，而是連續(xù)進(jìn)行自我訓(xùn)練，因而適用于在變化條件下的非線性系統(tǒng)的控制。上述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)舵與PID自動(dòng)舵的比較，已經(jīng)在不同的條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),并取得了非常滿意的效果。由此可見，目前自動(dòng)舵的研究已進(jìn)人了一個(gè)嶄新的階段，而人工智能型的自動(dòng)舵很可能成為船舶操縱的必由之路可以預(yù)見，人工智能舵的研究將對(duì)船舶實(shí)現(xiàn)無人駕駛做出決定性的貢獻(xiàn)。4.自動(dòng)舵發(fā)展趨向1實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)綜合數(shù)據(jù)船橋系統(tǒng)功能。此系統(tǒng)是一種航行、控制、通訊和監(jiān)控綜合系統(tǒng),采用先進(jìn)的船舶運(yùn)動(dòng)理論、WINDOWS軟件和多種傳感器硬件,整個(gè)系統(tǒng)由工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（以太網(wǎng)）局域網(wǎng)LAN把各子系統(tǒng)連在一起,將航行和控制系統(tǒng)與決策支持系統(tǒng)結(jié)合，包括海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、衛(wèi)星通訊、自動(dòng)航行和航跡保持等功能。4.2整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展靈活，可以根據(jù)用戶要求，選配航向或航跡控制模塊，還可選配氣象站、氣象航行計(jì)劃和航行優(yōu)化等模塊。以滿足用戶的不同需求。系統(tǒng)采用開放式結(jié)構(gòu),硬件和軟件均可升級(jí)。4.3系統(tǒng)全部菜單化人機(jī)界面,采用游戲桿或跟蹤球等進(jìn)行操作。4.4采用雙羅經(jīng)、雙計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)配置以提高可靠性和安全性4.5 自動(dòng)舵有智能、自適應(yīng)和PID等多種控制模式,有自動(dòng)、手動(dòng)、非跟蹤和遙控舵等多種工作模式。4.6航跡舵包括航行計(jì)劃、定位和航向保持等功能模塊，有狹窄水域和寬闊水域兩種航行模式。航行計(jì)劃模塊通過設(shè)置轉(zhuǎn)向點(diǎn)編輯航線，有恒向線航行、大圓航行和混合大圓航行3種方式;定位模塊用GPS實(shí)時(shí)確定船舶實(shí)際位置;航向保持模塊自動(dòng)決定最優(yōu)船首向，在轉(zhuǎn)向點(diǎn)處自動(dòng)改變航向,保持船舶航行。與“航向舵”相比，航跡舵可以實(shí)現(xiàn)更精確,更經(jīng)濟(jì)的航跡控制。4.7航跡舵有直接和間接兩種控制模式。間接控制的航跡舵根據(jù)航跡偏差信號(hào)、速度信號(hào)和實(shí)際航向信號(hào)計(jì)算出最佳航向，作為航向舵的設(shè)置航向，通過操舵使船舶沿預(yù)定航線航行;直接控制的航跡舵根據(jù)船舶本身的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算并控制所需的舵運(yùn)動(dòng)，使船舶自動(dòng)沿著輸入的航跡航行。4.8雷達(dá)舵把雷達(dá)的顯示功能和航跡舵的控制功能集中在一個(gè)控制臺(tái)上進(jìn)行航行計(jì)劃、航跡控制和避碰操作,雷達(dá)管理系統(tǒng)采用高分辨率大屏幕彩色顯示器,觸摸式屏幕或跟蹤球操作。4.9速度舵通過與主機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的接口控制船舶的速度,保證在輸入的計(jì)劃到達(dá)時(shí)間內(nèi)到達(dá),同時(shí)優(yōu)化燃料消耗。4.10配備電子海圖顯示和信息系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱ECDIS）。ECDIS最重要的特點(diǎn)是面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu),使得它可以提取海圖上任何部分的詳細(xì)背景信息。此外，控制臺(tái)可把雷達(dá)圖象和電子海圖重疊顯示，為船舶的操縱和監(jiān)控提供一個(gè)完整而緊湊的系統(tǒng)。4.11中央控制臺(tái)按照設(shè)備功能集成的原理，把“監(jiān)督（雷達(dá),ECDIS）”和“控制（航跡舵）”等集成在一起?？刂婆_(tái)可在高分辨率彩色顯示器上顯示所有安全航行和經(jīng)濟(jì)操縱所需的重要信息,包括導(dǎo)航信息、主機(jī)數(shù)據(jù)和有關(guān)速度及燃料消耗的信息。另外，特別顯示幫助船舶在港口中的操縱，例如入塢和靠泊顯示。12航行優(yōu)化和安全系統(tǒng)。它綜合幾天的天氣預(yù)報(bào)、海況、船舶經(jīng)濟(jì)性和計(jì)劃時(shí)間等信息，制定航行策略。氣象數(shù)據(jù)每天更新,為船長(zhǎng)提供決策支持。具有惡劣天氣下的事故避免和船舶駕駛決策支持功能;利用專家系統(tǒng)提供最佳速度和航向的建議，以減小船體受力和受損的風(fēng)險(xiǎn);能提前警告危險(xiǎn)的駕駛環(huán)境，為駕駛者提供航行決策支持;航行優(yōu)化功能，推進(jìn)效率管理達(dá)到節(jié)省燃料的目的。國內(nèi)外自動(dòng)舵的研究概況自70年代起，國內(nèi)一些科研院所、高校開展自動(dòng)舵的理論與開發(fā)工作,并取得了不少成果，一些航海儀表廠家也獨(dú)立或與研究所、高校合作開展了自動(dòng)舵的試制和生產(chǎn),其產(chǎn)品以模擬PID舵為主。目前雖然國產(chǎn)自適應(yīng)舵已經(jīng)投入實(shí)船使用,但效果并不明顯。智能控制舵還處于理論研究階段，還沒有產(chǎn)品化。航跡舵基本上也處于研究階段,還沒有過硬的產(chǎn)品。目前國外市場(chǎng)上有多種成熟的航向舵、航跡舵產(chǎn)品，其控制方法大多為比較成熟的自適應(yīng)控制，例如日本Tokimec公司的PR-8000系列自適應(yīng)自動(dòng)舵、德國Anschuz公司的NAUTOCONTROL綜合系統(tǒng)中的自動(dòng)舵、美國Sperry公司VISIONTECHNOLOGY系統(tǒng)中的自適應(yīng)自動(dòng)舵等。近幾年發(fā)展起來的智能控制及其它近代控制在自動(dòng)舵上應(yīng)用尚處于方案可行性論證及實(shí)驗(yàn)仿真階段,還有待于進(jìn)一步工程實(shí)現(xiàn)研究。二?自動(dòng)舵的原理和工作方法自動(dòng)舵的控制原理：（1） 比例舵（P舵）比例舵操舵的規(guī)律是：偏舵角。的大小與偏航角8的大小成比例關(guān)系，即：p=-K19。：偏舵角，K1：比例系數(shù)，8：偏航角，-：偏舵角方向是消除偏航。K1是可調(diào)的比例系數(shù)，一般根據(jù)船型、吃水、裝載量來確定。但船舶載荷增加（慣量J加大）而且航速變慢，使周腳變長(zhǎng)。為了縮短周期使船舶偏航迅速消除，就可加大K1。隨船型而不同，對(duì)萬噸船來說，一般為2?3，即偏航1°時(shí)，偏舵角為2~3°。比例系數(shù)過大，將使船舶偏航振幅加大。因此比例操舵雖然簡(jiǎn)單、可靠，但航向穩(wěn)定精度較差。當(dāng)受一舷持續(xù)偏航力矩作用時(shí)，不能保證船舶的定向航行。性能：可消除偏航。特點(diǎn)：機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，航行保持精度較差，船舶營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性較差（會(huì)出現(xiàn)，形航跡）。比例舵的不足：偏航初期偏舵角較小，不能很快阻止船舶繼續(xù)偏航；回航過程中船舶具有慣性，偏舵角不能及時(shí)減小，容易反向偏航。（2） 比例——微分舵（PD舵）比例-微分舵操舵的規(guī)律是：偏舵角。的大小與偏航角8的大小成比例-微分關(guān)系，即：P=-（K18+K2d8/dt）（表示偏舵角與偏航角和偏航角速度成比例）如果傳播偏航速度大，產(chǎn)生的-K2d8/dt也大，則舵角。就增加，船回航時(shí)d8/dt變號(hào)，使回舵角增加。微分部分作用是保證偏舵速度和偏舵角，從而能教好地克服船舶慣性，提高航向的精度，減少船舶的s航跡，使船舶較快的穩(wěn)定在正航向上。原理：船舶回到正航向前，已受到微分部分的反向舵作用，從而能有效地阻止因慣性，而向反方向的偏航。微分舵又叫糾偏舵、穩(wěn)舵角或反舵角。偏航初期，偏航角變化率大，比例-微分舵能及時(shí)給出大偏舵，有效地阻止船舶偏航（最大偏航角較?。换睾綍r(shí)，偏航角變化率變?yōu)樨?fù)值，能適時(shí)給出反舵角，阻止船舶反向偏航，即能有效阻止反向偏航。主要特點(diǎn)：具有“超前校正”的控制作用，減小船舶航向的振蕩，減輕舵機(jī)負(fù)擔(dān)，增加航速，提高系統(tǒng)靈敏度和船舶的營運(yùn)效益。比例——微分——積分舵(PID舵)組成：是在比例-微分舵基礎(chǔ)上增加積分環(huán)節(jié)。p=-(KW+K2dWdt+K3gdt)積分環(huán)節(jié)作用是一一克服不對(duì)稱偏航。K3是積分系數(shù)。積分環(huán)節(jié)工作原理：積分環(huán)節(jié)可以對(duì)偏航持續(xù)時(shí)間進(jìn)行累積，當(dāng)某舷(側(cè))偏航持續(xù)的時(shí)間比另一舷(側(cè))持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，通過環(huán)節(jié)輸出的信號(hào)(偏舵角)將繼續(xù)保持，這個(gè)信號(hào)將通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)使舵葉維持在一定的偏轉(zhuǎn)角度上，從而使船舶具有克服單向偏航的能力。船舶自動(dòng)舵的控制方法2.1PID控制直到70年代早期，自動(dòng)舵還是一個(gè)簡(jiǎn)單的控制設(shè)備，航向偏差提供操舵設(shè)備的修正信號(hào)，此時(shí)控制方程為：5=Kee(1)式中5、0e分別為舵角信號(hào)和航向偏差信號(hào);K為比例常數(shù)，它應(yīng)被整定以適應(yīng)載重和環(huán)境要求,為避免振蕩,K應(yīng)取較低值。對(duì)于穩(wěn)定低速航行的船舶,(1)式控制效果基本上是令人滿意的，但對(duì)不穩(wěn)定的船舶,(1)式是不合適的。一個(gè)更為先進(jìn)的控制系統(tǒng)應(yīng)包含航向誤差導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，它的形式為：5=K挪e+K20e(2)當(dāng)存在由橫向風(fēng)引起的下風(fēng)或上風(fēng)力矩干擾時(shí),為使航向保持不變，應(yīng)加入航向偏差的積分項(xiàng)，此時(shí)方程式變?yōu)椋?=K掘e+K20e+K3丁0edt(3)這種形式結(jié)構(gòu)就是經(jīng)典的PID控制器結(jié)構(gòu)。根據(jù)Mort的理論，積分項(xiàng)的加入可能會(huì)降低舵的響應(yīng)速度，這會(huì)使船舶反應(yīng)遲鈍，為抵消這種影響,可再加入一個(gè)加速項(xiàng)，這樣控制方程又成為：5=K10e+K2甲e+K3/(pedt+K軻?-e(4)整定好控制參數(shù)K1?K4的(3)或(4)式能得到較好的操縱性能。對(duì)海浪高頻干擾,PID控制過于敏感，為避免高頻干擾引起的頻繁操舵，常采用“死區(qū)”非線性天氣調(diào)節(jié)，但死區(qū)會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的低頻特性惡化，產(chǎn)生持續(xù)的周期性偏航，這將引起航行精度降低，能量消耗加大。此外，當(dāng)船舶的動(dòng)態(tài)特性（速度、載重、水深、外型等）或外界條件（風(fēng)、浪、流等）發(fā)生變化時(shí),控制參數(shù)需連續(xù)地進(jìn)行人工整定,不合適的控制參數(shù)的控制器將導(dǎo)致差的控制效果，如操舵幅度大、操舵頻繁等，而人工整定參數(shù)很麻煩,為此，人們提出了自適應(yīng)控制方法。2.2自適應(yīng)控制目前提出的方法主要有自適應(yīng)PID設(shè)計(jì)法、隨機(jī)自適應(yīng)法、模型參考法、基于條件代價(jià)函數(shù)的自校正法、最小方差自校正法、線性二次高斯法、H8控制法、變結(jié)構(gòu)法等，這些自適應(yīng)方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并且自適應(yīng)法還處于不斷的發(fā)展過程中。Sugimoto等提出的自適應(yīng)PID設(shè)計(jì)法把自適應(yīng)思想引入到?1?？刂圃O(shè)計(jì)中，此法著重解決使用自適應(yīng)函數(shù)的波浪條件的識(shí)別問題，這個(gè)函數(shù)根據(jù)波浪條件信號(hào)、船速和載重情況選擇最佳控制參數(shù)，此最佳參數(shù)值被送給控制器和卡爾曼濾波器。此法采用海洋分析器測(cè)量波浪，測(cè)量的結(jié)果用于計(jì)算波浪條件指標(biāo)。Merlo等的隨機(jī)自適應(yīng)法包含一個(gè)參數(shù)，此參數(shù)由海浪自回歸滑動(dòng)平均模型中的海浪功率譜決定，此法包括一個(gè)代價(jià)函數(shù)，它的形式為：N NJ=2y2fn）—皿Zu2（n） （5）W=0r J2=0也就是假定代價(jià)函數(shù)J是航向偏差^（n）和舵操作"（n）的均方加權(quán)函數(shù)，此法目標(biāo)是使J值為最小。此法與Motora提出的方法不同,Motora的代價(jià)函數(shù)形式為：J= dr （6）式中。為航向偏差,5為舵角』取為8（Norrbin建議取為4）,最優(yōu)控制的代價(jià)函數(shù)究竟采用何種形式還沒有完好的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。Akaike提出了多變量隨機(jī)系統(tǒng)的辨識(shí)方法，此法是在Ohtsu等提出的方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它的模型取決于最小Akaike信息標(biāo)準(zhǔn)，它的代價(jià)函數(shù)依賴于被控變量的偏差、控制信號(hào)大?。ǘ娼牵┖涂刂菩盘?hào)變化率的補(bǔ)償值。Amerogen的模型參考自適應(yīng)法的應(yīng)用前提為過程是線性、階次和結(jié)構(gòu)已知,且無隨機(jī)擾動(dòng)。Dennis通過假定船舶是線性、常系數(shù)、無限工作系統(tǒng)提出了船舶線性疊加原理,此原理把船舶對(duì)不規(guī)則海況的響應(yīng)用對(duì)構(gòu)成這種海況的規(guī)則分量響應(yīng)的線性累加來表示。由于船舶實(shí)際上是一個(gè)含有噪聲的非線性系統(tǒng)，因此，在平靜的天氣和“完美”的條件下，此法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作很好，但在較差海況及載重變化的條件下,這種系統(tǒng)的控制效果變差。Lim等使用Clarke等提出的基于條件代價(jià)函數(shù)的自校正方法,此法的控制器輸出被明確地加到性能標(biāo)準(zhǔn)公式中。自校正自動(dòng)舵能用每個(gè)取樣時(shí)刻的Ricatti方程穩(wěn)態(tài)解的計(jì)算值來設(shè)計(jì)，航向保持和航向改變采用不同的性能標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)一個(gè)未知參數(shù)的系統(tǒng)來說，由于波浪會(huì)使船舶動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化,因而需用在線辨識(shí)技術(shù)識(shí)別動(dòng)態(tài)參數(shù)。此法主要問題是波浪系統(tǒng)建模引起的偏差，以及Ricatti方程的求解計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。Katebi等的線性二次高斯法使用公式表示動(dòng)態(tài)代價(jià)函數(shù)，并在用多項(xiàng)式表示的隨機(jī)結(jié)構(gòu)中優(yōu)化代價(jià)函數(shù)，此法與風(fēng)和浪的測(cè)量和計(jì)算有關(guān)，波浪的模型被用作控制函數(shù)，以便使輸出信號(hào)的變化為最小。風(fēng)力由平均風(fēng)速和擾動(dòng)組成,平均風(fēng)速只用作建模，系統(tǒng)的誤差將隨風(fēng)、浪的測(cè)量和建模出現(xiàn)。Messer等的H8控制法采用橫搖與舵角之間關(guān)系式作為船舶運(yùn)動(dòng)模型，前向速度的影響包含在非維的頻率項(xiàng)中，航跡偏差表示成航向和實(shí)際船位的函數(shù)，假定的橫搖/偏航動(dòng)態(tài)特性用來確定航跡偏差與需要的航向之間要求的關(guān)系。Papoulias等提出的船舶操縱變結(jié)構(gòu)（滑模）控制采用偽線性變換將船舶操縱非線性系統(tǒng)近似地化為線性可控正則型，以簡(jiǎn)化控制設(shè)計(jì)并保證較大工作范圍內(nèi)的控制性能與精度。對(duì)線性化系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種連續(xù)的變結(jié)構(gòu)控制，以適應(yīng)較大范圍的干擾變化，完全抑制抖振,并得到理想的精度?？傊?自適應(yīng)控制技術(shù)不僅與代價(jià)函數(shù)的估計(jì)值有關(guān)，而且也與精確地建立擾動(dòng)模型有關(guān)，在船舶所遇到的寬廣的工作臺(tái)條件下,自適應(yīng)自動(dòng)舵并不能提供完全自動(dòng)的最優(yōu)操作。2.3智能控制對(duì)有限維、線性和時(shí)不變的控制過程，傳統(tǒng)控制法是非常有效的，如果這樣的系統(tǒng)是充分已知的，那么，它們能用線性分析法表示、建模和處理。但實(shí)際船舶系統(tǒng)常具有不確定性、非線性、非穩(wěn)定性和復(fù)雜性，很難建立精確的模型方程,甚至不能直接進(jìn)行分析和表示，而人工操作者通過他們對(duì)所遇情況的處理經(jīng)驗(yàn)和智能理解與解釋，就能有效地控制船舶航行。因此，人們很自然地開始尋找類似于人工操作的智能控制方法。目前已提出3種智能控制方法，即專家系統(tǒng)、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。23.1專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是一個(gè)具有大量專門知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng),它應(yīng)用人工智能技術(shù)，根據(jù)一個(gè)或多個(gè)人類專家提供的特殊領(lǐng)域知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家做決策的過程來解決那些需要專家決定的復(fù)雜問題，一般專家系統(tǒng)由知識(shí)庫、數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)、解釋部分及知識(shí)獲取5個(gè)部分組成,其關(guān)鍵技術(shù)是知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的獲取。Brown等采用了模仿人工操作的專家系統(tǒng)方法,而并沒有直接使用船舶的數(shù)學(xué)模型，通過研究人工操作與普通自動(dòng)舵控制之間的差異，建立了規(guī)則庫以便修正自動(dòng)舵的特性,也就是自動(dòng)舵與基于規(guī)則的專家系統(tǒng)之間進(jìn)行交互作用。例如，舵手把兩次連續(xù)的轉(zhuǎn)彎當(dāng)作一次長(zhǎng)的轉(zhuǎn)彎來處理，這種措施及其它類似措施都可在修正后的自動(dòng)舵上實(shí)現(xiàn)。此文還論述了這種模擬人工操作的自動(dòng)舵構(gòu)造方法，當(dāng)然,這里的舵手是選擇對(duì)不同船舶、工作條件、環(huán)境及可能發(fā)生的情況很有處理經(jīng)驗(yàn)的人。這種的自動(dòng)舵專家系統(tǒng)與船舶操縱模型無關(guān)。2.3.2模糊控制模糊控制是基于專家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)總結(jié)出若干條模糊規(guī)則,構(gòu)成描述具有不確定性復(fù)雜對(duì)象的模糊關(guān)系，通過被控系統(tǒng)輸出誤差及誤差變化率和模糊關(guān)系的推理合成獲得控制量,從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。模糊控制不需建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，它的算法簡(jiǎn)單，便于實(shí)時(shí)控制。Amerongen等提出的船舶航向模糊控制系統(tǒng)由模糊化、模糊控制規(guī)則（推理決策）、反模糊化（模糊判斷）3部分組成，此系統(tǒng)取得了較好的控制效果，但由于受船舶控制過程的非線性、高階次、時(shí)變性以及隨機(jī)干擾等因素影響，造成原有的模糊控制規(guī)則粗糙或不夠完善，影響了控制效果，為克服這些缺點(diǎn),模糊控制器向著自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)方向發(fā)展,使得模糊控制參數(shù)或/和規(guī)則在控制過程中自動(dòng)地調(diào)整、修改和完善，從而使系統(tǒng)的控制性能不斷改善，達(dá)到最佳的控制效果。Sutton等提出了船舶航向的自組織模糊控制器,它是在簡(jiǎn)單模糊控制器的基礎(chǔ)上,增加性能測(cè)量、控制量校正和控制規(guī)則修正3個(gè)功能塊而構(gòu)成的一種模糊控制器。Jeffery等提出了一種船舶航向的模型參考模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng),此法中利用參考模型表示船舶在轉(zhuǎn)向時(shí)的性能要求，然而其控制器及自適應(yīng)功能是利用模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，其控制器為基本模糊控制器借助于對(duì)象的模糊逆模型得到用于自適應(yīng)修正的校正量。2.3.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量形式相同的神經(jīng)元連結(jié)在一起組成的，而神經(jīng)元是一個(gè)多輸入單輸出的信息處理單元，它對(duì)信息的處理是非線性的。盡管單個(gè)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)和功能并不復(fù)雜，但整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)行為則是十分復(fù)雜的,它是一個(gè)高度非線性動(dòng)力系統(tǒng)，它具有非線性映射（逼近）能力以及自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)、分布存貯、聯(lián)想記憶、并行計(jì)算等能力,可用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表達(dá)實(shí)際物理世界的各種現(xiàn)象。由于BP學(xué)習(xí)算法的前向網(wǎng)絡(luò)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、算法穩(wěn)定、技術(shù)成熟，因而這種網(wǎng)絡(luò)得到廣泛應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能有兩種，即軟件法和硬件法。軟件法就是在目前使用的串行計(jì)算機(jī)上，用程序來模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能,此法靈活性大，但現(xiàn)行的二進(jìn)制計(jì)算機(jī)速度不能實(shí)時(shí)地模仿人腦的神經(jīng)功能;硬件法就是采用物理元件去實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),此法實(shí)時(shí)性好，極有發(fā)展前途,但目前技術(shù)還不成熟,實(shí)現(xiàn)成本也比較高。目前的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器還處于軟件仿真模擬階段。Witt等提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制船舶航跡保持的方法，它用GPS精確決定船舶位置,它能產(chǎn)生在-45°?+45°范圍內(nèi)隨機(jī)變化航向的一系列給定航線，它采用PD控制器作為船舶的數(shù)學(xué)模型，在給定航線的每一部分,通過使PD舵控制信號(hào)與神經(jīng)舵控制信號(hào)之間差值最小，來離線訓(xùn)練神經(jīng)控制器,一旦差值最小，神經(jīng)控制器就被認(rèn)為已學(xué)習(xí)到7PD控制器的工作特性,此后,神經(jīng)控制器就可取代PD控制器。Witt等使用100種給定航線集合訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并假定通過這里100種不同航線學(xué)習(xí)得到的知識(shí)可處理任何新選擇的航線，仿真結(jié)果表明對(duì)未學(xué)習(xí)過的任意航線,PD控制器和神經(jīng)控制器的控制效果基本相同。Burn采用更復(fù)雜的最優(yōu)控制器進(jìn)行離線學(xué)習(xí),這篇文章主要工作是訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使它與最優(yōu)船舶控制系統(tǒng)具有相同的性能，訓(xùn)練后的神經(jīng)控制器能識(shí)別出不同的前向速度或操縱情況怎樣改變船舶的動(dòng)態(tài)特性。原則上，六自由度船舶運(yùn)動(dòng)模型和舵機(jī)模型的組合可得到狀態(tài)矩陣，當(dāng)辨識(shí)出最優(yōu)控制系統(tǒng)的特性后(對(duì)不同的前向