1、毕业设计开题报告 电气工程及其自动化 船舶舵机控制系统改进设计 一、 综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 舵机是保持或改变船舶航向，保证船舶安全运行的重要设备，素有“舵机是舰船的生命”之称 .目前低速柴油机船舶，均采用电液舵机 . 远洋船舶上装备的都是远距离控制自动操舵仪，简称自动舵，几乎全部是电动液压舵机。电液舵机分为阀控型和泵控型两种，阀控型舵机系统简单，造价低，控制方便，但传统大多采用一般的换向阀，液压冲击较大，可靠性较低 .随着自动化技术和液压技术的发展，电液伺服系统以其控制精度高、响应速度快 、信号处理灵活、输出功率大等优点，在船舶电液舵机系统中应用越来越广泛 .计算机仿
2、真技术的发展，使得液压系统的动、静态特性可以通过仿真分析来得到 . 当舵机损坏或发生故障，船舶将因丧失机动性，而失去控制。因此，一旦舵机失灵，后果不堪设想。舵机是保证船舶机动性和生命力的主要设备之一，也是船上最重要的机电设备之一。舵机由舵和拖动装置组成。它的工作相当频繁，在进出港口和狭窄水域，每小时接通次数可达 300 600 次，在江上航行时可高达 1200 次。工作负荷在偏舵过程中变化很大，有时可能出现过载，甚至出现堵转，因此要求偏 舵速度稳而快，与其它辅机电力拖动有所不同，必须保证工作可靠。近年来，着对航行安全及营运需求的增长，人们对自动舵的要求也日益提高，自动操舵仪的出现及自动化技术的
3、成熟运用为船舶无人驾驶的发展目标奠定了基础。根据船舶自动舵的发展历史和控制方法的不同，它大致可分为四个发展阶段，即机械舵、 PID 舵、自适应舵和智能舵，其中智能舵为目前最先进的自动舵，它分为专家系统、模糊舵和神经网络舵等。不管怎样，就整个船舶而言，各种设备系统很多，航行过程复杂，智能化程度不一，如果把他们统一到一种算法中进行系统设计，难度很大，适应力不 强。因此如何对船舶各种设备的控制进行协调，达到共同的控制目标，成为船舶航行运动控制中的首要问题。正是基于这，对船舶舵机进行深入研究，并谈谈自己的看法。 率先推出自动舵产品的是德国和美国，分别于 1920 年和 1923 年独立研制成了机械式的
4、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。它的出现是个里程碑。尽管它极不完善，难而它使人们看到在船舶操纵的工作中摆脱长时间连续的体力劳动和提高操纵精度的希望。这种自动舵被称为第一代自动舵。五十年代，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，然而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一微分一积分 (PID)控制。伴随着经典控制理论的发展， PID 自动舵在五十年代开始发展起来。 1950 年日本研制出“北辰”自动舵， 1952 年美国研制出了自动舵，采用的都是 Pm 的控制规律。由于PD 调节器不需要详细的有关受控过程的先
5、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 自动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 Pm 自动舵仍然存 在着某些不足。这是因为 PD 自动舵的设计，一般是以确定性数学模型为基础，而船舶运动特性是随着航速、载荷、水深等因素变化而变化的，扰动特性随着海浪、风、流等海况变化而不同，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 自动舵没有考虑上述变化，所以它不可能有很好的控制性能，往往是舵角幅度大，摆舵频繁，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
6、对海况变化的处理，一般采用人工调节“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。尽管人们早已认识到自动舵 的缺点，但限于当时控制理论发展水平，加上当时海船的状况，并没有使 PID 自动舵的缺点显得十分严重，因此，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。 自 70 年代起 ,国内一些科研院所、高校开展自动舵的理论与开发工作 ,并取得了不少成果 ,一些航海仪表厂家也独立或与研究所、高校合作开展了自动舵的试制和生产 ,其产品以模拟 PID 舵为主。目前虽然国产自适应舵已经投入实船使用 ,但效果并不明显。智能控制舵还处于理论研究阶段
7、 ,还没有产品化。航迹舵基本上也处于研究阶段 ,还没有过硬的产品。近几年发展起来的智 能控制及其它近代控制在自动舵上应用尚处于方案可行性论证及实验仿真阶段 ,还有待于进一步工程实现研究。 设计船舶自动操舵系统首先要确定船舶舵机的数学模型和船舶航行动态模型。船舶舵机的传动机构主要有两类 ,机械传动和液压传动。随着船舶排水量和航速的增加 ,舵机上的转矩迅速增大。采用机械传动机构的舵机其重量和体积将变得很大 ,同时它的效率较低 ,电动机的容量势必很大。因而目前大型船舶均采用液压传动舵机 ,甚至中小型船舶也不例外。 建造于上世纪 80年代的采油船、补给船，它们的随动舵控制系统都不同程度地出现了相同的故
8、障 .在港内系 泊操舵试验时，出现舵角跟踪静态偏差较大、舵机抖动、转舵速度慢的现象 .舵机控制单元采用了分立式电子元器件的印刷电路板，制板工艺落后，精度低，可靠性差 .本文通过对船舶舵机控制系统的分析，使用集成元件设计制作了随动舵控制电路板，从根本上消除了静态偏差大、舵机抖动等故障现象 .转舵速度慢是由于液压供油回路的油流量小，通过调节供油回路上溢流阀的开度就可解决 . 每个船舶都有其固有的运动特性 , 其动态特性即为通常所称的船舶数学模型 . 船舶数学模型随船速、装载、吃水和海况等因素而变化 . 常规 PID 自动舵在不断变化着的运行环 境下不能实时精确地辨识船舶数学模型参数 , 也不能随着
9、船舶数学模型参数的变化而自动调节其参数 , 所以常会偏离其最佳工作状态 , 造成动舵次数多、转舵角和偏航角大的后果 . 一般来说 , 动舵次数越多、转舵角度越大 , 船舶在转舵时所受到的海水阻力也越大 . 阻力增大会加重船舶主机的负荷 , 导致主机转速下降 , 使燃油消耗增大 . 此外 , 阻力和偏航角的增大会降低船速 , 从而降低船舶营运的生产率和经济效益 . 动舵次数多的另一恶果是会产生无效舵 , 当操舵频率超过船舶开始转向的极限频率时 , 无论转多大的舵角 , 船都不会转向 , 转 舵成为无效舵 . 为了提高船舶的操纵性能 , 避免上述无效舵的发生 , 对常规 PID 自动舵历来是靠驾驶
10、员的经验以手动方式调节 PID 旋钮来操纵的 . 如果 PID 旋钮调节不当 ,不仅会增加主机燃料的消耗、降低船速 , 而且在遇到大风浪时 , 还会造成大角度左右偏舵和大角度左右偏航 , 这是很危险的 .自适应自动舵根据可测量到的船舶现时状态的信息 ( 如舵角、船首向、偏航角、船速等 ) 不断地实时辨识船舶模型参数和扰动模型参数 , 或有效地滤除噪声 , 实行有效的控制 ,使船舶按设定的性能指标尽可能达到和接近最优控制 , 以避免无效操舵 , 达到节能和安全航行的目的 .由于自适应自动舵属于专利技术 , 生产厂往往只提供板面布置图及操作步骤等不完整的资料 , 如何根据这些资料来分析其线路 ,
11、从而对其进行很好的管理、使用、保养和维修 , 是船舶机电人员需要解决的问题 . 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题： 本设计针对电动液压舵机进行研究，须在了解国内外科技发展动态的基础上，通过已学的基础知识的相互结合，综合运用现代工程、船舶、机械、电气控制等技术，对船舶舵机实际运行的观察分析，在原有控制系统的基础上，改进设计船舶舵机控制系统的总体方案。 主要分析现有 船舶舵机系统工作急安全方面的缺陷，进行相应的设计改进。 三、研究步骤、方法及措施： 步骤及方法： (1)了解 国内外船舶舵机控制系统的发展动态。 (2)熟悉液压舵机控制系统的工作原理 。 (3)重点讨论船舶舵机控制系统的工作方式、
12、控制策略并进行实验仿真研究分析。 (4)设计出船舶舵机控制系统改进方案并进行仿真比较。 (5)实现船舶舵机控制系统改进方案，可行性分析。 (6)得出结论。 措施： 图书馆查找相关的书籍、期刊、杂志等，通过上网寻找相关的一些资料，查看当代对该技术的研究成 果和最新的动态。然后通过对这些资料的学习和研究进一步的熟悉和理解设计所需的相关知识。在设计过程中及时与指导老师探讨，对不了解的问题及时向老师请教。在不断的实验分析与仿真对比中寻找突破口，进行船舶舵机控制系统的改进设计 四、 参考文献 1. 张显库 蒋丹东 贾欣乐 船舶自动舵的研究 大连海事大学学报 第 23 卷第 1 期 1997 年 2 月 2. 陈雪丽 程启明 船舶自动舵控制技术的发展 南京化工大学学报 第 23 卷第 4 期 2001 年 7 月 3. 施 周 自动舵的新发展 航海科技动态 第 9 期 2000 年 4. 孔庆峰 船舶舵机建模与航迹舵系统研究 哈尔滨工程大学硕士毕业论文 2009 年 3 月 5.曾文火 ,邱炎保 . 电液位置伺服系统伪微分反馈控制 J 1 华东船舶工业学院学报 ,1996 ,10 (3) :58 65.
