一种半自适应控制的船舶自动舵装置及方法与流程

1.本发明涉及自动舵设备领域，具体涉及一种半自适应控制的船舶自动舵装置及方法。


背景技术：

2.随着智能船舶技术的发展，越来越多的船舶开始配备自动舵系统。pid自动舵(比例-积分-微分控制器)因其控制逻辑简单，成为了目前主流的自动舵控制方法。pid自动舵通过设定的航向和电罗经反馈的实际航向进行航向偏差计算，利用pid算法对舵角进行控制，从而实现航向自动控制的目的。但pid自动舵由于容易出现偏航、频繁打舵等现象，航向控制效果较差，且经常需要人工干预，因此自适应自动舵技术的研究提上日程。
3.针对自适应自动舵，公开号为cn102819220a的文献，公开了一种船舶自动舵自适应控制方法，该方法通过构建船舶模型、海浪模型辨识、船舶模型辨识过程完成自动舵自整定。公开号为cn111367178a的文献，公开了一种船舶自动舵的自适应控制装置及方法，该文献利用船舶基础参数采集模块、船模参数处理模块、船舶观测状态参数计算模块等实现自发改变控制参数的目的。公开号为cn112698575a的文献，公开了一种智能船舶自动舵自适应模糊输出反馈控制方法及系统，该文献利用船载计算机平台建立航向系统模型、无约束误差转换模块、有限时间中间控制函数模块、有限时间自适应更新率，完成智能船舶自动舵系统模糊自适应输出反馈控制器设计。
4.在上述自适应自动舵控制的技术方案中，为了提高无人化水平，所有环节都要在计算机中进行实时建模、运算并实现闭环输出，使得对硬件设备的要求很高，在普通船舶上难以大规模普及。


技术实现要素：

5.本发明意在提供一种半自适应控制的船舶自动舵装置，以兼具自适应自动舵的智能化和pid自动舵的经济便利性。
6.本方案中的半自适应控制的船舶自动舵装置，包括采集模块；
7.采集模块，用于采集船舶航行时的实际速度、实际航向和实际舵角；
8.还包括舵角闭环控制模块、航向闭环控制模块、增益优化更新模块和船舶模型更新模块，所述舵角闭环控制模块、航向闭环控制模块、增益优化更新模块、船舶模型更新模块的功能依次叠加形成多种控制系统，所述控制系统包括：所述舵角闭环控制模块能够独立形成的随动舵控制系统，所述舵角闭环控制模块和所述航向闭环控制模块形成的航向控制系统，所述舵角闭环控制模块、所述航向闭环控制模块和所述增益优化更新模块形成的船速半自适应自动舵控制系统，所述舵角闭环控制模块、所述航向闭环控制模块、所述增益优化更新模块和所述船舶模型更新模块形成的船舶模型半自适应自动舵控制系统。
9.本方案的有益效果是：
10.本方案的装置在使用时，以舵角闭环控制模块、航向闭环控制模块、增益优化更新
模块、船舶模型更新模块四个架构进行船舶自动舵的控制，能够兼容现有pid自动舵，应用更加广泛，方便产品迭代升级，提高经济便利性。
11.进一步，所述舵角闭环控制模块作为随动舵控制系统时通过预设电路进行控制，所述舵角闭环控制模块用于获取船舶的实际舵角，并将实际舵角与指令舵角进行对比，生成液压舵机的控制指令，发送至船舶的液压舵机进行船舶转向控制；
12.所述航向闭环控制模块用于采集船舶的实际航向，并将实际航向与设定航向进行对比得到对比结果，根据对比结果和航向闭环控制模块的航向偏差生成指令舵角，发送至所述舵角闭环控制模块；
13.所述增益优化更新模块用于采集船舶的实际速度，并根据半自适应方式获取的性能增益和实际速度在修正后的船舶模型上生成优化后的增益，并发送至所述航向闭环控制模块；
14.所述船舶模型更新模块用于接收船舶的实际舵角和航向闭环控制模块的航向偏差，进行干扰模型辨识，在预存的基本船舶模型基础上修正当前航行的船舶模型，并发送至所述增益优化更新模块。
15.有益效果是：将半自适应方式获取的性能增益用于进行航向的闭环控制，在面对复杂海况、非线性干扰的船舶运动控制时，支持手动选择性能增益，可以快速调整控制参数，减少控制器计算资源的消耗；同时，以船舶更新模块的更新操作，在面对常规船舶运动控制时，支持自适应控制，可以实现控制参数自动调整，减少人工干预。
16.进一步，所述增益优化更新模块包括增益输入器和性能索引增益计算器，所述增益输入器用于输入性能增益，所述性能索引增益计算器用于自动生成性能增益，所述增益优化更新模块以增益输入器或者从性能索引增益计算器获取性能增益。
17.有益效果是：通过输入方式或自动生成方式获取性能增益，以半自适应控制方式进行船舶控制，便于快速地根据船舶航行状况切入控制进程。
18.进一步，所述航向闭环控制模块包括航向设定器、偏差计算器和指令舵角计算器，所述航向设定器用于输入设定航向，所述偏差计算器从采集模块获取实际航向和从航向设定器获取设定航向作差得到航向偏差，所述指令舵角计算器从偏差计算器获取航向偏差和性能索引增益计算器获取性能增益生成指令舵角。
19.有益效果是：将采集到的实际航向与设定航向作差得到航向偏差，并利用该航向偏差进行指令舵角生成，设定航向直接获得，无需建立模型进行计算，提高指令舵角生成的速度。
20.进一步，所述船舶模型更新模块包括船舶基本模型库和模型辨识器，所述船舶基本模型库存储有基本船舶模型，所述模型辨识器从偏差计算器获取航向偏差，并将基本船舶模型与航向偏差作差后进行干扰模型辨识，再将基本船舶模型与干扰模型作差进行船舶模型的修正。
21.有益效果是：在船舶模型具有变化时，对船舶模型进行更新，而不是实时生成，能够降低模型运算时的运算量，提高变化后船舶模型的更新速度。
22.进一步，所述性能索引增益计算器将性能增益和实际速度在修正后的船舶模型上生成优化后的增益。
23.进一步，所述舵角闭环控制模块获取指令舵角计算器的指令舵角和采集模块的实
际舵角作差，得到液压舵机的控制指令。
24.进一步，所述采集模块包括计程仪、电罗经和舵角反馈器，所述计程仪检测船舶的实际速度，所述电罗经检测船舶的实际航向，所述舵角反馈器检测船舶的实际舵角。
25.有益效果是：分别进行多个参数的实时监测，提高检测的准确性。
26.半自适应控制的船舶自动舵方法，包括以下内容：
27.采集船舶的实际速度、实际航向和实际舵角；
28.获取船舶的设定航向，计算实际航向与设定航向的航向偏差；
29.基于实际舵角在船舶基本模型库中查找最接近当前船舶运动状态的基本船舶模型，利用基本船舶模型和航向偏差对船舶模型的干扰模型进行辨识，若具有干扰模型，若基本船舶模型与当前船舶模型不同，则将基本船舶模型减去干扰模型进行更新修正得到当前船舶模型，否则就不更新；
30.将当前船舶模型的参数数据集发送给性能索引增益计算器，如果选择自动模式，就优化更新自动舵增益控制参数，如果选择手动模式，则获取输入的参数调整自动舵增益控制参数；
31.将优化更新后的自动舵增益控制参数发送给指令舵角计算器，计算指令舵角，并发送给舵角闭环控制模块，实现船舶自动转向。
32.本方案的有益效果是：
33.本方案的方法，将半自适应获取的性能增益用于进行航向的闭环控制，在面对复杂海况、非线性干扰的船舶运动控制时，支持手动选择性能增益，可以快速调整控制参数，减少控制器计算资源的消耗；同时，对船舶模型进行更新操作，而不是每次都生成船舶模型，在面对常规船舶运动控制时，支持自适应控制，可以实现控制参数自动调整，减少人工干预。
附图说明
34.图1为本发明实施例半自适应控制的船舶自动舵装置的原理框图；
35.图2为本发明实施例半自适应控制的船舶自动舵方法的流程框图。
具体实施方式
36.下面通过具体实施方式进一步详细说明。
37.实施例
38.半自适应控制的船舶自动舵装置，如图1所示：包括采集模块，采集模块用于采集船舶航行时的实际速度、实际航向和实际舵角，采集模块包括计程仪、电罗经和舵角反馈器，计程仪、电罗经和舵角反馈器使用现有船舶上的产品，计程仪检测船舶的实际速度，电罗经检测船舶的实际航向，舵角反馈器检测船舶的实际舵角。
39.还包括舵角闭环控制模块、航向闭环控制模块、增益优化更新模块和船舶模型更新模块，航向闭环控制模块用于采集船舶的实际航向，并将实际航向与设定航向进行对比，生成指令舵角，发送至所述舵角闭环控制模块。航向闭环控制模块包括航向设定器、偏差计算器和指令舵角计算器，航向设定器用于输入设定航向，航行设定器可以通过现有的按键或按钮进行设定航向的输入，偏差计算器从采集模块获取实际航向和从航向设定器获取设
定航向作差得到航向偏差，指令舵角计算器从偏差计算器获取航向偏差和性能索引增益计算器获取性能增益生成指令舵角，例如可以采用模糊pid算法或者模糊神经网络算法生成指令舵角。
40.船舶模型更新模块用于接收船舶的实际舵角和航向闭环控制模块的航向偏差，进行干扰模型辨识，干扰模型辨识依据gb/t 24952-2010/iso 16329:2003中的方法进行，干扰模型即为该标准中在海浪和海况的干扰条件下的k-t模型和舵向控制装置传递函数，在预存的基本船舶模型基础上修正当前航行的船舶模型，并发送至所述增益优化更新模块。船舶模型更新模块包括船舶基本模型库和模型辨识器，船舶基本模型库存储有基本船舶模型，基本船舶模型是指船舶沿着航线进行航行时的控制模型，比如船舶从a地至b地过程中的航向和舵角等参数控制，模型辨识器从偏差计算器获取航向偏差，并将基本船舶模型与航向偏差作差后进行干扰模型辨识，再将基本船舶模型与干扰模型作差进行船舶模型的修正，得到当前船舶模型。
41.增益优化更新模块用于采集船舶的实际速度，并根据半自适应方式获取的性能增益和实际速度生成优化后的增益，该优化后的增益为标准gb/t 24952-2010/iso 16329:2003中的舵向控制装置参数，增益优化更新模块将优化后的增益发送至所述航向闭环控制模块。增益优化更新模块包括增益输入器和性能索引增益计算器，增益输入器用于输入性能增益，性能索引增益计算器用于自动生成性能增益，增益优化更新模块以增益输入器或者从性能索引增益计算器获取性能增益。半自适应方式是指通过输入方式获取性能增益或者自动生成性能增益。因为不同的船舶模型，控制参数不同，性能索引增益计算器会根据不同的船舶模型自动计算当前的控制参数，从而确保控制精度。
42.舵角闭环控制模块作为随动舵控制系统时通过预设电路进行控制，预设电路为现有硬件电路，在此不再赘述，舵角闭环控制模块用于获取船舶的实际舵角，并将实际舵角与指令舵角进行对比，生成液压舵机的控制指令，控制指令的生成通过标准gb/t 24952-2010/iso16329:2003中的舵机模型公式b.4进行，舵角闭环控制模块将控制指令发送至船舶的液压舵机进行船舶转向控制。舵角闭环控制模块获取指令舵角计算器的指令舵角和采集模块的实际舵角作差，得到液压舵机的控制指令。
43.舵角闭环控制模块、航向闭环控制模块、增益优化更新模块、船舶模型更新模块的功能依次叠加形成多种控制系统，控制系统包括：舵角闭环控制模块能够独立形成的随动舵控制系统，随动舵控制系统不使用自动生成参数的软件进行控制，仅利用预设电路进行，随动舵控制系统是指在随动操舵方式中，舵角是自动调节的，其闭环调节系统的调节对象是舵叶，被调节量是舵角；舵角闭环控制模块和航向闭环控制模块形成的航向控制系统，航向控制系统是通过航向设定进行船舶航向的调节，被调节量是航向；舵角闭环控制模块、航向闭环控制模块和增益优化更新模块形成的船速半自适应自动舵控制系统，船速半自适应自动舵控制系统是能够通过手动输入性能增益或者自动生成性能增益的方式进行舵角控制，适应不同船速的控制；舵角闭环控制模块、航向闭环控制模块、增益优化更新模块和船舶模型更新模块形成的船舶模型半自适应自动舵控制系统，船舶模型半自适应自动舵控制系统是通过输入参数或自动生成参数进行相应的船舶模型更新修正，适应不同海况的控制。
44.半自适应控制的船舶自动舵方法，如图2所示，包括以下内容：
45.采集船舶的实际速度、实际航向和实际舵角；
46.获取船舶的设定航向，计算实际航向与设定航向的航向偏差；
47.基于实际舵角在船舶基本模型库中查找最接近当前船舶运动状态的基本船舶模型，利用基本船舶模型和航向偏差对船舶模型的干扰模型进行辨识，若具有干扰模型，若基本船舶模型与当前船舶模型不同，则将基本船舶模型减去干扰模型进行更新修正得到当前船舶模型，否则就不更新；
48.将当前船舶模型的参数数据集发送给性能索引增益计算器，参数数据集依据iec62065标准提供的船舶模型计算过程和参数数据集获取，参数数据集如标准中表1.4，如果选择自动模式，就优化更新自动舵增益控制参数，如果选择手动模式，则获取输入的参数调整自动舵增益控制参数；
49.将优化更新后的自动舵增益控制参数发送给指令舵角计算器，计算指令舵角，并发送给舵角闭环控制模块，实现船舶自动转向。
50.本实施例通过舵角闭环控制模块、航向闭环控制模块、增益优化更新模块、船舶模型更新模块对船舶的自动舵设计了四层架构，以及将半自适应获取的性能增益用于进行航向的闭环控制，且以船舶更新模块的更新操作，不再现场生成船舶模型。相较于现有的自适应控制方式，本实施例能够兼容现有pid自动舵，应用更加广泛，方便产品迭代升级；且在面对复杂海况、非线性干扰的船舶运动控制时，支持手动选择性能增益，可以快速调整控制参数，减少控制器计算资源的消耗；减少了计算量，控制相关的计算速度更快。
51.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。