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航海知识
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1 引言

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。因此,船舶操纵系统的性能,一直被当作是一个具有较高经济价值和社会效益的重要问题,引起人们的关注,并吸引着世界各国一代又一代的工程技术人员围绕着进一步改善该系统的性能这一课题而不断地进行研究和探索。

该课题的研究伴随着自动控制理论和技术的发展而发展。在自动控制理论和技术发展的不同历史阶段,取得了不同的研究及应用成果,开发出一代又一代新型的自动舵产品,为航运业的发展作出了巨大的贡献。

自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置。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。舵系统的性能主要是由控制器的性能决定的,因此自动舵的技术发展,也主要表现在控制技术的推陈出新。以下按控制技术的发展把自动舵的演化过程作概要介绍。

2 经典控制的自动舵

率先推出自动舵产品的是德国和美国。德国的Aushütz和美国的Sperry分别于1920年和1923年独立研制成了机械式的自动操舵仪。该产品是自动舵的雏形,所采用的是经典控制理论中最简单最原始的比例放大控制规律。这种自动舵被称为第一代自动舵。

50年代,经典理论达到了旺盛时期,经典控制理论有着各种控制方法,其中最重要最典型而且在工业生产中最常用的一种是比例-微分-积分(PID)控制。伴随着经典控制理论的发展,PID舵在50年代开始发展起来。1950年日本研制出“北辰”自动舵,1952年美国研制出新型的Sperry自动舵,采用的都是PID的控制规律。由于PID调节器不需要详细的有关受控过程的先验知识,且具有结构简单、参数易于调整和具有固有的鲁棒性等特点,PID舵得到了广泛的认可,几乎所有的船都装有这种操舵仪。这种自动舵被称为第二代自动舵。

尽管它比第一代自动舵有了长足的进步,但常规的PID舵仍然存在着固有的不足。这是因为PID舵的设计,以确定性数学模型为基础,而船舶运动特性随着航速、装载、水深等因素的变化而变化,扰动特性随着风、流、浪等海况变化而不同,因此船舶航向控制的数学模型与扰动模型具有明显的不确定性。常规PID舵不能自动适应上述变化,驾驶员也难以随着航行情况的变化对PID参数进行适当的调整,所以不可能有很好的操纵性能,常表现为操舵幅度过大、操舵频率过高,从而产生明显的船舶推进附加阻力并造成舵机磨损。特别是它对海况变化的处理,只能采用人工调节“死区”的方法,不可能有效地处理高频海浪扰动,反而降低航向精度,带来额外的能源消耗。五六十年代,自动舵的发展一直停留在PID舵的水平上,没有多大的进展。

3 自适应技术的发展与自适应舵的起源

自适应控制系统的设计方法主要有两大类,一是基于自校正控制理论,另一是基于模型参考自适应控制理论。模型参考自适应控制技术是美国麻省理工学院的Whitaker教授为解决飞行器自动驾驶仪的问题而提出来的。自校正控制技术是由Kalman于1958年提出,由于当时的理论和技术发展都不充分,因此没有得到应有的重视和应用。60年代现代控制理论蓬勃发展,取得了诸如状态空间法、稳定性理论、最优控制、随机控制、参数估计等一些成果,电子计算机迅速发展为在工业生产过程中实现自适应控制这种复杂的策略提供了必要的技术基础。

70年代以来,自适应控制理论有了显著的进展,一些学者分别在确定性的和随机的、连续的和离散的系统的自适应控制理论方面作出了杰出的贡献。对于系统的控制方案、结构、稳定性、收敛性等方面都有一定突破性的进展,也正是在这一时期,海上运输事业的发展,要求船舶的吨位急剧上升,于是出现了“肥胖型”的商船。伴随之产生的是船舶的操纵性能变坏,操船难度加大,特别是在狭窄航道内,航行的安全性更是难以得到保障。再加70年代发生的二次石油危机,燃油价格暴涨,营运成本上升。为了解决上述的问题,人们开始求助现代控制理论,针对PID舵所存在的问题,提出了自适应控制方案。

自校正控制系统包括被控对象和自校正控制器两部分。当船舶在变海况、变速、变载航行时,舵角也在相应地改变。由于船舶运动及加在其上扰动的数学模型参数是不断变化的,因此必须通过在线辨识来实时辨识变化着的数学模型参数。自校正控制器的功能就是使数学模型的参数能在系统投入运行后自动整定,且当模型参数发生变化时,控制器本身也能修正自己的参数,使控制系统在指定的性能指标下(动舵次数最少,偏航幅最小)尽可能接近最优。70年代中期,船舶自适应控制方案经过计算机仿真和实船试验获得成功,一种既可以适应各种海上条件,又能加快航速,保证安全的新型自动舵,即自适应自动舵应运而生了。人们称这种自适应舵为第三代自动舵。

4 目前我国对自动舵的研究及发展方向

我国对自适应舵的研究起步较晚,自80年代以来,有关单位开展了对自适应舵的研究工作,发表了一些设计方案,仿真研究结果和产品。

1980年,南开大学袁著祉、卢桂章老师采用Norrbin性能指标,利用最小方差自校正控制器自适应律设计了船舶航向保持的自适应舵,发表了仿真结果。

1984年,中船总公司系统工程部林钧清利用最小方差自校正调节器,设计了自适应自动舵的软件,并进行了仿真研究。

1986年,大连海事大学陆样润、黄义新老师等人,采用了对偏航速率进行加权的最小方差自校正控制方案,进行了自适应舵的研制,他们先在实验室的实时仿真器上进行了联机实验,随后又在该校的万吨实习船“育红”轮上进行了实船海上实验。试验结果表明,该自适应舵比PID舵具有更好的控制效果。

近年来,国内的学者对自适应控制的研究也相当活跃,他们在相关的学术刊物上发表了许多研制成果。自适应模糊控制、专家控制、基于神经网络的自适应控制也取得很大进展。国内外的研究动态均表明今后的自适应技术将朝着智能化的方向发展。



摘自《航海技术》2000.4

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