專利名稱：一種自動舵航向控制系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及船舶自動控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種自動舵航向控制系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
自動舵是船舶操縱系統(tǒng)中的重要設(shè)備。航向控制是指通過操縱舵機(jī)，使船舶首向角跟蹤設(shè)定航向。船舶操縱具有非線性慢時變特性，船舶運動還受到各種隨機(jī)干擾(如風(fēng)、浪、流)的影響?，F(xiàn)代自動舵要求能夠?qū)崿F(xiàn)精確的航向控制，并具有最佳的操舵性能和很好的適應(yīng)船舶動態(tài)特性變化和海況的能力。
傳統(tǒng)的PID(比例積分微分)自動舵在設(shè)計過程中通常沒有考慮各種干擾的影響，因此缺乏對船舶動態(tài)特性及海況變化的自適應(yīng)能力，并且對高頻干擾過于敏感，容易引起頻繁操舵。常規(guī)的自適應(yīng)自動舵則過分依賴船舶的數(shù)學(xué)模型，如果將各種干擾加入到船舶的數(shù)學(xué)模型中，那么其數(shù)學(xué)模型將變得十分復(fù)雜，實現(xiàn)成本高，參數(shù)調(diào)整難度大，且由于船舶操縱特性存在非線性因素，控制效果難以保證。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服PID舵和自適應(yīng)舵的缺陷，本發(fā)明設(shè)計一種新型的自動舵航向控制系統(tǒng)及其方法，有效解決船舶自動航行時的航向精確控制問題。該系統(tǒng)采用裝置化結(jié)構(gòu)，對各種隨機(jī)干擾(如風(fēng)、浪、流)建立相應(yīng)的偏航效應(yīng)裝置與補償裝置，由這些裝置及目標(biāo)航向確定出虛擬目標(biāo)航向；通過航向控制裝置求出跟蹤虛擬目標(biāo)航向所需的舵機(jī)舵角控制指令；并且設(shè)置舵角指令自調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)船舶航速和海流速引起的船舶動態(tài)特性變化，對舵角控制指令進(jìn)行實時補償；然后控制舵機(jī)舵角跟蹤舵角控制指令，實現(xiàn)對船舶動態(tài)特性變化和各種海況具有良好的自適應(yīng)能力的船舶操縱控制。
控制系統(tǒng)可以分為四部分。第一部分由偏航效應(yīng)、航向角補償、虛擬目標(biāo)航向裝置組成，主要實現(xiàn)對各種海況的適應(yīng)控制。這一部分的各個功能裝置由嵌入式控制器實現(xiàn)；偏航效應(yīng)裝置M1、M2、M3和航向角補償裝置M4以及虛擬目標(biāo)航向裝置M5通過分析各種海況(風(fēng)向S1、風(fēng)速S2、海浪S4)和船況S3對船舶操縱動態(tài)特性的影響，結(jié)合設(shè)定航向S6，計算出最佳的虛擬目標(biāo)航向。這一部分的各個功能裝置由嵌入式控制器實現(xiàn)。
第二部分由航向偏差裝置和航向控制裝置組成，主要實現(xiàn)對設(shè)定的虛擬目標(biāo)航向的跟蹤控制。航向偏差裝置包括羅經(jīng)和嵌入式控制器設(shè)備；航向控制裝置由嵌入式控制器實現(xiàn)；航向偏差裝置M6、航向控制裝置M7根據(jù)實際航向S10與虛擬目標(biāo)航向的偏差，實時決策出舵機(jī)的舵角控制指令。航向偏差裝置包括羅經(jīng)和嵌入式控制器等設(shè)備；航向控制裝置由嵌入式控制器實現(xiàn)。
第三部分由舵角指令自調(diào)節(jié)裝置、船速檢測裝置和操舵裝置組成，主要實現(xiàn)對船舶動態(tài)特性變化的自適應(yīng)控制。舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8根據(jù)船速檢測裝置M9的輸出值變化，動態(tài)地調(diào)節(jié)舵角控制指令，而操舵裝置M10則控制實際舵角，使實際舵角跟蹤舵角控制指令。舵角指令自調(diào)節(jié)裝置由嵌入式控制器實現(xiàn)，操舵裝置包括液壓傳動、舵角檢測等設(shè)備。
第四部分由顯示器裝置和安全信號箱裝置組成，實現(xiàn)舵角S9、船舶航向S10、以及各種報警信號S11等的顯示。
與傳統(tǒng)的PID舵和自適應(yīng)舵系統(tǒng)相比，本發(fā)明具有以下有益效果(1)控制系統(tǒng)設(shè)有各種海況偏航效應(yīng)分析功能裝置，對各種海況進(jìn)行動態(tài)補償，從而能保證精確的航向控制；(2)控制系統(tǒng)具有舵角指令自調(diào)節(jié)功能裝置，從而對各種海況和船舶動態(tài)特性變化具有良好的自適應(yīng)能力；(3)航向控制裝置可以采用現(xiàn)有的控制方法，也可以采用智能控制方法；(4)控制系統(tǒng)可以作為子系統(tǒng)，應(yīng)用于船橋系統(tǒng)中。


圖1是船舶自動舵航向控制系統(tǒng)圖。
圖2是自動舵航向控制系統(tǒng)的方法流程圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對自動舵航向控制系統(tǒng)的主要裝置做進(jìn)一步的描述。
圖2中，功能裝置包括偏航效應(yīng)裝置M1，偏航效應(yīng)裝置M2，偏航效應(yīng)裝置M3，航向角補償裝置M4，虛擬目標(biāo)航向裝置M5，航向偏差裝置M6，航向控制裝置M7，舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8，船速檢測裝置M9，操舵裝置M10，船舶裝置M11，安全信號箱裝置M12，顯示器裝置M13。
信號S1表示風(fēng)向，S2表示風(fēng)速，S3表示船況，S4表示海浪，S5表示海流向，S6表示目標(biāo)航向，S7表示航速，S8表示海流速，S9表示舵角，S10表示實際航向，S11表示報警信號。
自動舵航向控制系統(tǒng)的方法，其步驟如下(1)偏航效應(yīng)裝置M1根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工輸入的風(fēng)向S1、風(fēng)速S2、船況S3的信息，分析其對船舶操縱動態(tài)特性的影響，給出針對這種情況的航向角的補償指令；(2)偏航效應(yīng)裝置M2根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工輸入的海浪S4的信息，分析其對船舶操縱動態(tài)特性的影響，給出針對這種情況的航向角的補償指令；(3)偏航效應(yīng)裝置M3根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工輸入的海流向S5，分析其對船舶操縱動態(tài)特性的影響，給出針對這種情況的航向角的補償指令；(4)航向角補償裝置M4綜合偏航效應(yīng)裝置M1、偏航效應(yīng)裝置M2、及偏航效應(yīng)裝置M3輸出的補償指令，實時導(dǎo)出對航向角的補償值；(5)虛擬目標(biāo)航向裝置M5根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工設(shè)定的目標(biāo)航向S6和航向角補償裝置M4導(dǎo)出的航向角補償值，確定當(dāng)前的虛擬目標(biāo)航向指令；(6)航向偏差裝置M6比較從船舶裝置M11反饋回來的實際航向角S10和從虛擬目標(biāo)航向裝置M5給出的虛擬目標(biāo)航向指令，求出航向偏差值；(7)航向控制裝置M7根據(jù)航向偏差裝置M6得出的航向偏差值，采用控制算法，決策出最佳的舵機(jī)舵角控制指令，并輸出到舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8；(8)船速檢測裝置M9根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工輸入的航速S7和海流速S8的信息，計算船舶的實際航速；(9)舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8根據(jù)船速的變化對船舶動態(tài)特性的影響，結(jié)合船速檢測裝置M9計算的實際船速，對航向控制裝置M7推導(dǎo)的舵角控制指令進(jìn)行調(diào)節(jié)；(10)操舵裝置M10以經(jīng)過舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8調(diào)節(jié)的舵角控制指令為目標(biāo)舵角，進(jìn)行舵角跟蹤控制，使實際舵角S9達(dá)到目標(biāo)舵角，通過改變舵角，實現(xiàn)對船舶裝置M11的實際航向角S10的控制，同時，輸出實際舵角值S9給顯示器裝置M13，根據(jù)需要，還可以作為上傳信號，將實際舵角值S9上傳給船橋系統(tǒng)；(11)船舶裝置M11代表整個船舶系統(tǒng)的船舶裝置M11的航向控制是通過操舵裝置M10實現(xiàn)的，通過改變操舵裝置M10的舵角值，將船舶裝置M11的實際航向角S10調(diào)整到與目標(biāo)航向一致；(12)安全信號箱裝置M12對系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測，并將各種報警信號S11發(fā)給顯示器裝置M13；(13)顯示器裝置M13接收來自操舵裝置M10的舵角信號S9、船舶裝置M11的航向角信號S10、安全信號箱裝置M12的各種報警信號S11、及其他來自船橋系統(tǒng)的信息，在顯示器上實時顯示更新這些信息，并在發(fā)生故障時進(jìn)行報警。
權(quán)利要求
1.一種自動舵航向控制系統(tǒng)，包括四部分，第一部分由偏航效應(yīng)、航向角補償、虛擬目標(biāo)航向裝置組成，主要實現(xiàn)對各種海況的適應(yīng)控制；這一部分的各個功能裝置由嵌入式控制器實現(xiàn)；第二部分由航向偏差裝置和航向控制裝置組成，主要實現(xiàn)對設(shè)定的虛擬目標(biāo)航向的跟蹤控制；航向偏差裝置包括羅經(jīng)和嵌入式控制器設(shè)備；航向控制裝置由嵌入式控制器實現(xiàn)；第三部分由舵角指令自調(diào)節(jié)裝置、船速檢測裝置和操舵裝置組成，主要實現(xiàn)對船舶動態(tài)特性變化的自適應(yīng)控制；舵角指令自調(diào)節(jié)裝置由嵌入式控制器實現(xiàn)，操舵裝置包括液壓傳動、舵角檢測設(shè)備；第四部分由顯示器裝置和安全信號箱裝置組成，實現(xiàn)舵角、船舶航向、以及各種報警信號的顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的自動舵航向控制系統(tǒng)，其特征在于，偏航效應(yīng)裝置M1、M2、M3和航向角補償裝置M4以及虛擬目標(biāo)航向裝置M5通過分析各種海況和船況對船舶操縱動態(tài)特性的影響，結(jié)合設(shè)定航向，計算出最佳的虛擬目標(biāo)航向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的自動舵航向控制系統(tǒng)，其特征在于，航向偏差裝置M6、航向控制裝置M7根據(jù)實際航向與虛擬目標(biāo)航向的偏差，實時決策出舵機(jī)的舵角控制指令。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的自動舵航向控制系統(tǒng)，其特征在于，舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8根據(jù)實際船速裝置M9的變化，動態(tài)地調(diào)節(jié)舵角控制指令，而操舵裝置M10則控制實際舵角，使實際舵角跟蹤舵角控制指令。
5.一種自動舵航向控制系統(tǒng)的方法，其步驟如下(1)偏航效應(yīng)裝置M1根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工輸入的風(fēng)向S1、風(fēng)速S2、船況S3的信息，分析其對船舶操縱動態(tài)特性的影響，給出針對這種情況的航向角的補償指令；(2)偏航效應(yīng)裝置M2根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工輸入的海浪S4的信息，分析其對船舶操縱動態(tài)特性的影響，給出針對這種情況的航向角的補償指令；(3)偏航效應(yīng)裝置M3根據(jù)通過船系統(tǒng)或者人工輸入的海流向S5，分析其對船舶操縱動態(tài)特性的影響，給出針對這種情況的航向角的補償指令；(4)航向角補償裝置M4綜合偏航效應(yīng)裝置M1、偏航效應(yīng)裝置M2、及偏航效應(yīng)裝置M3輸出的補償指令，實時導(dǎo)出對航向角的補償值；(5)虛擬目標(biāo)航向裝置M5根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工設(shè)定的目標(biāo)航向S6和航向角補償裝置M4導(dǎo)出的航向角補償值，確定當(dāng)前的虛擬目標(biāo)航向指令；(6)航向偏差裝置M6比較從船舶裝置M11反饋回來的實際航向角S10和從虛擬目標(biāo)航向裝置M5給出的虛擬目標(biāo)航向指令，求出航向偏差值；(7)航向控制裝置M7根據(jù)航向偏差裝置M6得出的航向偏差值，采用控制算法，決策出最佳的舵機(jī)舵角控制指令，并輸出到舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8；(8)船速檢測裝置M9根據(jù)通過船橋系統(tǒng)或者人工輸入的航速S7和海流速S8的信息，計算船舶的實際航速；(9)舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8根據(jù)船速的變化對船舶動態(tài)特性的影響，結(jié)合船速檢測裝置M9計算的實際船速，對航向控制裝置M7推導(dǎo)的舵角控制指令進(jìn)行調(diào)節(jié)；(10)操舵裝置M10以經(jīng)過舵角指令自調(diào)節(jié)裝置M8調(diào)節(jié)的舵角控制指令為目標(biāo)舵角，進(jìn)行舵角跟蹤控制，使實際舵角S9達(dá)到目標(biāo)舵角，通過改變舵角，實現(xiàn)對船舶裝置M11的實際航向角S10的控制，同時，輸出實際舵角值S9給顯示器裝置M13，根據(jù)需要，還可以作為上傳信號，將實際舵角值S9上傳給船橋系統(tǒng)；(11)船舶裝置M11代表整個船舶系統(tǒng)的船舶裝置M11的航向控制是通過操舵裝置M10實現(xiàn)的，通過改變操舵裝置M10的舵角值，將船舶裝置M11的實際航向角S10調(diào)整到與目標(biāo)航向一致；(12)安全信號箱裝置M12對系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測，并將各種報警信號S11發(fā)給顯示器裝置M13；(13)顯示器裝置M13接收來自操舵裝置M10的舵角信號S9、船舶裝置M11的航向角信號S10、安全信號箱裝置M12的各種報警信號S11、及其他來自船橋系統(tǒng)的信息，在顯示器上實時顯示更新這些信息，并在發(fā)生故障時進(jìn)行報警。
全文摘要
本發(fā)明涉及船舶自動控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種自動舵航向控制系統(tǒng)及其方法。系統(tǒng)包括第一部分有偏航效應(yīng)、航向角補償、虛擬目標(biāo)航向等功能裝置；第二部分有航向偏差裝置和航向控制裝置；第三部分有舵角指令自調(diào)節(jié)裝置、船速檢測裝置和操舵裝置；第四部分有顯示器裝置和安全信號箱裝置。方法包括航向角的補償指令；求出航向偏差值；舵角指令自調(diào)節(jié)；計算船舶的實際航速；舵角控制指令進(jìn)行調(diào)節(jié)；舵角值上傳給船橋系統(tǒng)；將船舶裝置的實際航向角調(diào)整到與目標(biāo)航向一致；并將各種報警信號發(fā)給顯示器裝置；在顯示器上實時顯示更新這些信息，并在發(fā)生故障時進(jìn)行報警。
文檔編號G01C21/10GK1800782SQ20041010187
公開日2006年7月12日 申請日期2004年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者易建強(qiáng), 趙冬斌, 程金 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所