CN1800782A - 一种自动舵航向控制系统及其方法 - Google Patents

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本发明涉及船舶自动控制技术领域，特别是一种自动舵航向控制系统及其方法。系统包括：第一部分有偏航效应、航向角补偿、虚拟目标航向等功能装置；第二部分有航向偏差装置和航向控制装置；第三部分有舵角指令自调节装置、船速检测装置和操舵装置；第四部分有显示器装置和安全信号箱装置。方法包括：航向角的补偿指令；求出航向偏差值；舵角指令自调节；计算船舶的实际航速；舵角控制指令进行调节；舵角值上传给船桥系统；将船舶装置的实际航向角调整到与目标航向一致；并将各种报警信号发给显示器装置；在显示器上实时显示更新这些信息，并在发生故障时进行报警。

Description

一种自动舵航向控制系统及其方法
技术领域
本发明涉及船舶自动控制技术领域，特别是一种自动舵航向控制系统及其方法。
背景技术
自动舵是船舶操纵系统中的重要设备。航向控制是指通过操纵舵机，使船舶首向角跟踪设定航向。船舶操纵具有非线性慢时变特性，船舶运动还受到各种随机干扰(如风、浪、流)的影响。现代自动舵要求能够实现精确的航向控制，并具有最佳的操舵性能和很好的适应船舶动态特性变化和海况的能力。
传统的PID(比例积分微分)自动舵在设计过程中通常没有考虑各种干扰的影响，因此缺乏对船舶动态特性及海况变化的自适应能力，并且对高频干扰过于敏感，容易引起频繁操舵。常规的自适应自动舵则过分依赖船舶的数学模型，如果将各种干扰加入到船舶的数学模型中，那么其数学模型将变得十分复杂，实现成本高，参数调整难度大，且由于船舶操纵特性存在非线性因素，控制效果难以保证。
发明内容
为了克服PID舵和自适应舵的缺陷，本发明设计一种新型的自动舵航向控制系统及其方法，有效解决船舶自动航行时的航向精确控制问题。该系统采用装置化结构，对各种随机干扰(如风、浪、流)建立相应的偏航效应装置与补偿装置，由这些装置及目标航向确定出虚拟目标航向；通过航向控制装置求出跟踪虚拟目标航向所需的舵机舵角控制指令；并且设置舵角指令自调节装置，根据船舶航速和海流速引起的船舶动态特性变化，对舵角控制指令进行实时补偿；然后控制舵机舵角跟踪舵角控制指令，实现对船舶动态特性变化和各种海况具有良好的自适应能力的船舶操纵控制。
控制系统可以分为四部分。第一部分由偏航效应、航向角补偿、虚拟目标航向装置组成，主要实现对各种海况的适应控制。这一部分的各个功能装置由嵌入式控制器实现；偏航效应装置M1、M2、M3和航向角补偿装置M4以及虚拟目标航向装置M5通过分析各种海况(风向S1、风速S2、海浪S4)和船况S3对船舶操纵动态特性的影响，结合设定航向S6，计算出最佳的虚拟目标航向。这一部分的各个功能装置由嵌入式控制器实现。
第二部分由航向偏差装置和航向控制装置组成，主要实现对设定的虚拟目标航向的跟踪控制。航向偏差装置包括罗经和嵌入式控制器设备；航向控制装置由嵌入式控制器实现；航向偏差装置M6、航向控制装置M7根据实际航向S10与虚拟目标航向的偏差，实时决策出舵机的舵角控制指令。航向偏差装置包括罗经和嵌入式控制器等设备；航向控制装置由嵌入式控制器实现。
第三部分由舵角指令自调节装置、船速检测装置和操舵装置组成，主要实现对船舶动态特性变化的自适应控制。舵角指令自调节装置M8根据船速检测装置M9的输出值变化，动态地调节舵角控制指令，而操舵装置M10则控制实际舵角，使实际舵角跟踪舵角控制指令。舵角指令自调节装置由嵌入式控制器实现，操舵装置包括液压传动、舵角检测等设备。
第四部分由显示器装置和安全信号箱装置组成，实现舵角S9、船舶航向S10、以及各种报警信号S11等的显示。
与传统的PID舵和自适应舵系统相比，本发明具有以下有益效果：
(1)控制系统设有各种海况偏航效应分析功能装置，对各种海况进行动态补偿，从而能保证精确的航向控制；
(2)控制系统具有舵角指令自调节功能装置，从而对各种海况和船舶动态特性变化具有良好的自适应能力；
(3)航向控制装置可以采用现有的控制方法，也可以采用智能控制方法；
(4)控制系统可以作为子系统，应用于船桥系统中。
附图说明
图1是船舶自动舵航向控制系统图。
图2是自动舵航向控制系统的方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对自动舵航向控制系统的主要装置做进一步的描述。
图2中，功能装置包括偏航效应装置M1，偏航效应装置M2，偏航效应装置M3，航向角补偿装置M4，虚拟目标航向装置M5，航向偏差装置M6，航向控制装置M7，舵角指令自调节装置M8，船速检测装置M9，操舵装置M10，船舶装置M11，安全信号箱装置M12，显示器装置M13。
信号S1表示风向，S2表示风速，S3表示船况，S4表示海浪，S5表示海流向，S6表示目标航向，S7表示航速，S8表示海流速，S9表示舵角，S10表示实际航向，S11表示报警信号。
自动舵航向控制系统的方法，其步骤如下：
(1)偏航效应装置M1：根据通过船桥系统或者人工输入的风向S1、风速S2、船况S3的信息，分析其对船舶操纵动态特性的影响，给出针对这种情况的航向角的补偿指令；
(2)偏航效应装置M2：根据通过船桥系统或者人工输入的海浪S4的信息，分析其对船舶操纵动态特性的影响，给出针对这种情况的航向角的补偿指令；
(3)偏航效应装置M3：根据通过船桥系统或者人工输入的海流向S5，分析其对船舶操纵动态特性的影响，给出针对这种情况的航向角的补偿指令；
(4)航向角补偿装置M4：综合偏航效应装置M1、偏航效应装置M2、及偏航效应装置M3输出的补偿指令，实时导出对航向角的补偿值；
(5)虚拟目标航向装置M5：根据通过船桥系统或者人工设定的目标航向S6和航向角补偿装置M4导出的航向角补偿值，确定当前的虚拟目标航向指令；
(6)航向偏差装置M6：比较从船舶装置M11反馈回来的实际航向角S10和从虚拟目标航向装置M5给出的虚拟目标航向指令，求出航向偏差值；
(7)航向控制装置M7：根据航向偏差装置M6得出的航向偏差值，采用控制算法，决策出最佳的舵机舵角控制指令，并输出到舵角指令自调节装置M8；
(8)船速检测装置M9：根据通过船桥系统或者人工输入的航速S7和海流速S8的信息，计算船舶的实际航速；
(9)舵角指令自调节装置M8：根据船速的变化对船舶动态特性的影响，结合船速检测装置M9计算的实际船速，对航向控制装置M7推导的舵角控制指令进行调节；
(10)操舵装置M10：以经过舵角指令自调节装置M8调节的舵角控制指令为目标舵角，进行舵角跟踪控制，使实际舵角S9达到目标舵角，通过改变舵角，实现对船舶装置M11的实际航向角S10的控制，同时，输出实际舵角值S9给显示器装置M13，根据需要，还可以作为上传信号，将实际舵角值S9上传给船桥系统；
(11)船舶装置M11：代表整个船舶系统的船舶装置M11的航向控制是通过操舵装置M10实现的，通过改变操舵装置M10的舵角值，将船舶装置M11的实际航向角S10调整到与目标航向一致；
(12)安全信号箱装置M12：对系统进行故障检测，并将各种报警信号S11发给显示器装置M13；
(13)显示器装置M13：接收来自操舵装置M10的舵角信号S9、船舶装置M11的航向角信号S10、安全信号箱装置M12的各种报警信号S11、及其他来自船桥系统的信息，在显示器上实时显示更新这些信息，并在发生故障时进行报警。

Claims (5)

1.一种自动舵航向控制系统，包括四部分，第一部分由偏航效应、航向角补偿、虚拟目标航向装置组成，主要实现对各种海况的适应控制；这一部分的各个功能装置由嵌入式控制器实现；
第二部分由航向偏差装置和航向控制装置组成，主要实现对设定的虚拟目标航向的跟踪控制；航向偏差装置包括罗经和嵌入式控制器设备；航向控制装置由嵌入式控制器实现；
第三部分由舵角指令自调节装置、船速检测装置和操舵装置组成，主要实现对船舶动态特性变化的自适应控制；舵角指令自调节装置由嵌入式控制器实现，操舵装置包括液压传动、舵角检测设备；
第四部分由显示器装置和安全信号箱装置组成，实现舵角、船舶航向、以及各种报警信号的显示。
2.根据权利要求1的自动舵航向控制系统，其特征在于，偏航效应装置M1、M2、M3和航向角补偿装置M4以及虚拟目标航向装置M5通过分析各种海况和船况对船舶操纵动态特性的影响，结合设定航向，计算出最佳的虚拟目标航向。
3.根据权利要求1的自动舵航向控制系统，其特征在于，航向偏差装置M6、航向控制装置M7根据实际航向与虚拟目标航向的偏差，实时决策出舵机的舵角控制指令。
4.根据权利要求1的自动舵航向控制系统，其特征在于，舵角指令自调节装置M8根据实际船速装置M9的变化，动态地调节舵角控制指令，而操舵装置M10则控制实际舵角，使实际舵角跟踪舵角控制指令。
5.一种自动舵航向控制系统的方法，其步骤如下：
(1)偏航效应装置M1：根据通过船桥系统或者人工输入的风向S1、风速S2、船况S3的信息，分析其对船舶操纵动态特性的影响，给出针对这种情况的航向角的补偿指令；
(2)偏航效应装置M2：根据通过船桥系统或者人工输入的海浪S4的信息，分析其对船舶操纵动态特性的影响，给出针对这种情况的航向角的补偿指令；
(3)偏航效应装置M3：根据通过船系统或者人工输入的海流向S5，分析其对船舶操纵动态特性的影响，给出针对这种情况的航向角的补偿指令；
(4)航向角补偿装置M4：综合偏航效应装置M1、偏航效应装置M2、及偏航效应装置M3输出的补偿指令，实时导出对航向角的补偿值；
(5)虚拟目标航向装置M5：根据通过船桥系统或者人工设定的目标航向S6和航向角补偿装置M4导出的航向角补偿值，确定当前的虚拟目标航向指令；
(6)航向偏差装置M6：比较从船舶装置M11反馈回来的实际航向角S10和从虚拟目标航向装置M5给出的虚拟目标航向指令，求出航向偏差值；
(7)航向控制装置M7：根据航向偏差装置M6得出的航向偏差值，采用控制算法，决策出最佳的舵机舵角控制指令，并输出到舵角指令自调节装置M8；
(8)船速检测装置M9：根据通过船桥系统或者人工输入的航速S7和海流速S8的信息，计算船舶的实际航速；
(9)舵角指令自调节装置M8：根据船速的变化对船舶动态特性的影响，结合船速检测装置M9计算的实际船速，对航向控制装置M7推导的舵角控制指令进行调节；
(10)操舵装置M10：以经过舵角指令自调节装置M8调节的舵角控制指令为目标舵角，进行舵角跟踪控制，使实际舵角S9达到目标舵角，通过改变舵角，实现对船舶装置M11的实际航向角S10的控制，同时，输出实际舵角值S9给显示器装置M13，根据需要，还可以作为上传信号，将实际舵角值S9上传给船桥系统；
(11)船舶装置M11：代表整个船舶系统的船舶装置M11的航向控制是通过操舵装置M10实现的，通过改变操舵装置M10的舵角值，将船舶装置M11的实际航向角S10调整到与目标航向一致；
(12)安全信号箱装置M12：对系统进行故障检测，并将各种报警信号S11发给显示器装置M13；
(13)显示器装置M13：接收来自操舵装置M10的舵角信号S9、船舶装置M11的航向角信号S10、安全信号箱装置M12的各种报警信号S11、及其他来自船桥系统的信息，在显示器上实时显示更新这些信息，并在发生故障时进行报警。
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