专利名称：船舶自动舵系统的频域分析方法
技术领域：
本发明涉及一种船舶自动控制方法，特别涉及一种船舶自动舵系统的频域分析方法。
背景技术：
随着21世纪对航行安全及营运需求的增长，由于船舶航行时气候和地理环境复杂，人们对船舶安全、经济的航行要求越来越高，如何科学地操纵和控制船舶，安全准时到达目的港口，是一个生命攸关、影响重大的问题。目前船舶操纵普遍使用自动舵控制液压舵机的方式，使船舶按照驾驶需要来随动或者定航向、定轨迹航行。在船舶试航时和交付使用后发现液压系统经常存在液压波动冲击，导致系统发生泄漏和液压平衡阀工作不稳定问题，影响整个系统的可靠性。船舶控制系统具有大惯性，慢时变，非线性等特点。船舶的自动控制装置(自动舵)是用来自动保持船舶在给定航向或给定航迹上航行的操纵装置，是保证船舶自动导航时的操纵性能的关键设备。性能优良的自动舵不但具有良好的航向(航迹)保持功能，还能够保证合适的灵敏机动性能， 能够尽量减少转舵次数和幅度以节省燃料和减少舵机系统的磨损。因此，研究满足航行要求、性能优良的自动舵控制系统具有重要的实际意义。船舶运行系统是处于不确定环境下的复杂动力学系统；由于航速、载重等航行工况的变化又造成了模型参数的不确定性。因此，寻求控制特性节能、安全、强鲁棒性的自动舵控制系统是目前该领域的研究热点。传统PID自动舵控制系统对高频干扰过于敏感，缺乏对船舵动态特性及海上不确定因素的适用能力。自适应自动舵控制系统成本高，参数调节复杂，控制效果不理想。随着现代控制理论的发展，一些智能控制策略应用到船舶自动舵控制系统中，如神经网络控制、模糊控制、变结构控制、鲁棒控制等，但是该类控制策略存在多经验，较粗糙的成分，往往难以优化自动舵控制系统，控制效果不尽理想。
发明内容
本发明是针对现在船舶自动舵控制系统存在不足的问题，提出了一种船舶自动舵系统的频域分析方法，此方法使自动操舵平稳性好、次数较少、舵叶转动幅度合理，减少舵机系统磨损、泄漏和转舵时推力损耗而节约能耗，为航渡任务的安全、顺利完成提供了有力保障。本发明的技术方案为:一种船舶自动舵系统的频域分析方法，具体包括如下步骤:
O构建船舶自动舵控制系统受控对象的数学模型，建立自动舵控制系统:尾舵的角坐
标偏转S，会在引起船只在参考方向上发生固定的偏转F，受控对象的数学模型为:
ψ _ -m+T-ss)
^~(i+TlS)(i+T2s) ’其中，A、A和G分别表示模型的追随操纵性指数，Γ表示旋回性操纵性指数，自动舵
控制系统为陀螺罗经送来的船舶的实际航向与设定的航向值比较，将其差值放大后作为控制信号送入控制器，控制器经过被视为惯性环节的掌舵齿轮后，再作用于受控对象的数学模型输出；
2)设计基于频域法的船舵自动舵控制器:根据自动舵闭环系统响应期望超调量和调节时间，确定控制系统闭环主导极点，再通过自动舵控制系统的根轨迹图和伯德图，从而确定控制器的零极点，设计基于频域法的船舶自动舵二阶超前控制器；
3)基于Matlab/simulink仿真平台，构建船舵自动舵控制系统仿真框图，对船舶自动舵控制系统和传统PID控制系统进行仿真对比分析，验证船舶自动舵控制系统有效性和可行性。所述船舶自动舵控制系统的闭环主导极点根据系统响应期望超调量和调节时间来确定，在根轨迹中由等阻尼比线来确定主导极点，从而确定控制器的零极点。所述步骤2)中船舶自动舵二阶超前控制器中超前校正环节的数学模型为:
权利要求
1.一种船舶自动舵系统的频域分析方法，其特征在于，具体包括如下步骤: 1)构建船舶自动舵控制系统受控对象的数学模型，建立自动舵控制系统:尾舵的角坐标偏转S，会在引起船只在参考方向上发生固定的偏转#，受控对象的数学模型为:
2.根据权利要求1所述船舶自动舵系统的频域分析方法，其特征在于，所述船舶自动舵控制系统的闭环主导极点根据系统响应期望超调量和调节时间来确定，在根轨迹中由等阻尼比线来确定主导极点，从而确定控制器的零极点。
3.根据权利要求1所述船舶自动舵系统的频域分析方法，其特征在于，所述步骤2)中船舶自动舵二阶超前控制器中超前校正环节的数学模型为:
全文摘要
本发明涉及一种船舶自动舵系统的频域分析方法，构建船舶自动舵控制系统受控对象的数学模型，建立自动舵控制系统。根据闭环系统响应期望超调量和调节时间，确定控制系统闭环主导极点，通过自动舵控制系统的根轨迹图和伯德图，确定控制器的零极点，设计基于频域法的船舶自动舵二阶超前控制器，构建船舵自动舵控制系统仿真框图，对船舶自动舵控制系统和传统PID控制系统进行仿真对比分析，验证其有效性和可行性。本发明使自动操舵平稳性好、次数较少、舵叶转动幅度合理，减少舵机系统磨损、泄漏和转舵时推力损耗而节约能耗，自动、高精度地保持或改变船舶的航向，以保证船航的平时安全航渡和恶劣环境时船舶的避碰，在实际工程应用中具有参考价值。
文档编号G05B13/04GK103226326SQ20131007544
公开日2013年7月31日 申请日期2013年3月11日 优先权日2013年3月11日
发明者朱昊, 韦钢, 陈秋南, 吴万禄 申请人:上海电力学院