自动舵控制系统设计

船舶舵轮系统的自动化控制策略研究导言：舵轮是船舶中非常重要的组件之一，它用于控制船舶的航向。

随着科技的发展和航运业的进步，舵轮系统的自动化控制策略变得越来越重要。

本文将探讨船舶舵轮系统的自动化控制策略研究，包括传统的PID控制和现代的模型预测控制等。

传统控制策略：PID控制PID（比例积分微分）控制是一种经典的控制策略，广泛应用于船舶舵轮系统的自动化控制中。

PID控制通过测量船舶的偏离角度，并与目标角度进行比较，实现对船舶舵轮的控制。

具体而言，PID控制根据偏离角度的大小来调整舵轮的活动范围，使船舶保持在预期的航向上。

尽管PID控制简单易行，但它对于系统动态性能的改善还存在一定的局限性。

现代控制策略：模型预测控制模型预测控制（MPC）是一种基于数学模型的控制策略，用于预测系统的未来行为并优化控制信号。

在船舶舵轮系统中，MPC通过建立船舶的数学模型，并使用该模型预测船舶在不同控制量下的响应。

然后，MPC计算出最优的控制信号，使船舶能够实现更快的响应和更好的航向控制。

与PID控制相比，MPC可以更好地解决系统的非线性和时变性，提高控制性能。

船舶舵轮系统的自动化控制策略研究的挑战：在研究船舶舵轮系统的自动化控制策略时，我们面临着诸多挑战。

首先，在设计自动化控制策略之前，我们需要充分了解船舶和舵轮系统的特性。

这包括船舶的动态响应、舵轮系统的非线性特性以及水流和风力对船舶舵轮的影响等。

其次，船舶舵轮系统的自动化控制需要考虑到不同的工况和环境条件，例如航速、船型和水深等。

只有充分考虑到这些条件，才能设计出更加稳定和可靠的自动化控制策略。

结论：船舶舵轮系统的自动化控制策略研究对于现代航运业的发展非常重要。

传统的PID控制策略可以很好地应用于船舶舵轮系统的自动化控制，而现代的模型预测控制策略则可以进一步提高控制性能。

然而，研究船舶舵轮系统的自动化控制策略仍然面临着挑战，包括对船舶和舵轮系统特性的充分了解以及考虑不同工况和环境条件等。

船舶自动舵的设计-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1船舶自动舵的设计吕振望，高帅（大连海事大学航海学院大连 116026 ）摘要：自动舵作为船舶改变航向和保持船舶航行在给定航向上的重要设备，对于船舶航行的安全性和经济性具有至关重要的作用。

本文就自动舵设计所采用的二阶响应数学模型（Nomoto模型）进行了介绍。

同时，主要以在线自整定PID（Proportional Integral Differential）船舶自动舵为例，简述了继电型自整定PID控制的基本原理及PLC（Programmable Logic Controller）实现的基本方法，给出了基于PLC的在线自整定PID船舶自动舵的设计原理和实现方案。

关键词：船舶自动舵；自整定PID；船舶0 引言自动舵是一种自动操舵装置控制系统，能模拟并代替人力操舵，还可和其他导航设备结合组成自动导航系统，使船舶全程无人驾驶成为可能，大大提高了自动化水平。

随着智能控制理论与计算机工业的飞速发展，许多新型的控制理论伴着微型计算机的广泛应用，同样也应用到自动舵上。

本文主要以自整定PID 自动舵为例，说明了船舶自动舵的设计原理，对在自动舵设计中，所采用的数学模型进行了探讨，同时介绍自整定PID 的算法以及如何正确地使用自动舵。

1 船舶自动舵的设计原理船舶自动舵的主要结构是控制系统，其标准反馈结构图1如下：信号部分r ，d ，y ，u ；控制部分K ；被控对象部分P ；和传感器部分M 。

图1 控制系统的框图1.1 船舶运动响应模型研究船舶自动舵的设计需从船舶运动的数学模型开始，船舶运动的数学模型是船舶自动舵设计原理中很重要的一部分。

本文以响应模型[1]为例来说明船舶的运动。

响应模型略去了横漂速度，抓住船舶动态从舵角到航向的导数再到航向的主要脉络，所获得的微分方程可保留非线性影响，把风浪干扰作用折合成为某一种干扰舵角构成一种输入信号与实际舵角δ一道进入船舶模型。

船舶自动控制及舵机系统的设计优化一、引言航运作为世界贸易的主要方式之一，已成为全球经济发展不可分割的一环。

随着科技的不断进步和应用，船舶的自动控制和舵机系统的优化设计显得越来越重要。

本文将从船舶自动控制和舵机系统的设计优化两方面进行探讨。

二、船舶自动控制1. 船舶自动控制概述船舶自动控制是指通过计算机和电子技术实现对船舶自身的动力系统、舵机系统、导航系统等进行自动化管理和控制。

这种自动化控制系统能够使船舶在海上航行更加安全、稳定、高效。

2. 船舶自动控制的优点（1）提高航行安全性：船舶自动化控制系统能够监测船舶动力、水流等方面的数据，并及时作出调整，从而确保船舶在海上航行中不会出现危险情况。

（2）节省船舶人力资源：自动化控制系统不需要很多人手来操作，解放了一部分人力资源。

同时，自动化控制还能提高船员的工作效率和安全性。

（3）提高航行效率：船舶自动化控制系统能够根据航路和天气等信息，制定最优航行方案，这能够增加船舶行驶的速度并提高船舶的作业效率。

3. 船舶自动控制技术（1）船舶动力系统自动控制技术：船舶动力系统自动控制技术主要包括发动机控制、舵机控制和电缆控制等方面，通过计算机程序实现自动化控制。

（2）舵机系统自动控制技术：舵机系统自动控制技术主要是指利用计算机程序和传感器对舵机的运动轨迹进行控制。

（3）导航自动控制技术：通过利用卫星导航和高精度地图等技术，实现船舶在海上自主导航控制。

三、舵机系统的设计优化1. 舵机系统的基本原理舵机系统是船舶的主要控制装置，其作用是通过转动船舶舵轮实现对船舶方向的控制。

舵机系统由舵机、传动机构和控制装置组成。

在设计舵机系统时，应考虑到的因素包括舵机的扭矩、传动机构的总重量和总长度、控制信号的传输方式等。

2. 舵机系统的设计优化（1）舵机选型的优化：选用与所需扭矩最接近的舵机，可以实现最高效率的控制，并能大大降低成本。

（2）传动机构的优化：传动机构应尽可能精简，能够实现最佳的机械传动效率和稳定性。

船舶舵机控制系统的优化设计船舶在海洋中航行，舵机控制系统就如同船舶的“方向盘”，其性能的优劣直接关系到船舶的航行安全和操控性能。

随着船舶技术的不断发展，对舵机控制系统的要求也越来越高。

为了提高船舶的操纵性、稳定性和可靠性，优化舵机控制系统的设计变得至关重要。

一、船舶舵机控制系统的基本原理与组成船舶舵机控制系统主要由舵机、传感器、控制器和执行机构等部分组成。

舵机是将电能转化为机械能，驱动舵叶转动的装置；传感器用于检测船舶的航向、航速、舵角等参数，并将这些信息反馈给控制器；控制器则根据传感器的反馈信号，按照预定的控制算法计算出控制指令，驱动执行机构调整舵叶的角度，从而实现对船舶航向的控制。

在传统的船舶舵机控制系统中，通常采用PID（比例积分微分）控制算法。

PID控制算法简单易懂、易于实现，但在面对复杂的海洋环境和船舶动态特性时，其控制性能往往难以满足要求。

例如，在船舶受到风浪等干扰时，PID控制可能会出现超调量大、响应速度慢等问题，影响船舶的操纵稳定性。

二、现有船舶舵机控制系统存在的问题1、控制精度不足由于船舶在航行过程中受到多种因素的影响，如水流、风浪、负载变化等，现有的舵机控制系统在控制精度方面存在一定的不足，导致船舶的航向偏差较大，影响航行安全和效率。

2、响应速度慢在紧急情况下，如避让障碍物或应对突发海况，现有的舵机控制系统可能无法迅速响应，导致船舶的操纵灵活性下降，增加了潜在的危险。

3、抗干扰能力弱海洋环境复杂多变，风浪、水流等干扰因素对船舶的影响较大。

现有的舵机控制系统在抗干扰能力方面表现不佳，容易受到外界干扰的影响，使船舶的航向发生较大的波动。

4、可靠性有待提高船舶在海上航行时间长，工作环境恶劣，舵机控制系统的零部件容易出现故障。

现有的系统在可靠性设计方面存在不足，一旦出现故障，可能会导致船舶失去控制，造成严重的后果。

三、船舶舵机控制系统的优化设计思路为了解决现有船舶舵机控制系统存在的问题，提高系统的性能，需要从以下几个方面进行优化设计：1、先进控制算法的应用采用现代控制理论中的先进控制算法，如模糊控制、神经网络控制、自适应控制等，取代传统的PID控制算法。

自动舵控制系统设计船舶借助螺旋桨的推力和舵力来改变或保持航速和航向，实现从某港出发按计划的航线到达预定的目的港。

由此可见，操舵系统是一个重要控制系统，其性能直接影响着船舶航行的操纵性、经济性和安全性。

自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置，是用来控制船舶航向的设备,能使船舶在预定的航向上运行，它能克服使船舶偏离预定航向的各种干扰影响，使船舶自动地稳定在预定的航向上运行，是操纵船舶的关键设备.系统的调节对象是船，被调节量是航向。

自动舵是一个闭环系统，它包括:航向给定环节；航向检测环节；给定航向与实际航向比较环节;航向偏差与舵角反馈比较环节；控制器；执行机构；舵；调节对象—船;舵角反馈机构等。

自1922年自动舵问世到今天，代替人力操舵的自动舵的发展确实取得了长足的进展,在相当程度上减少了人力,节约了燃料，降低了机械磨损,但是距离真正意义上的操舵自动化还有相。

当大的距离。

一国内外研究现状自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,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。

目前国外市场上有多种成熟的航向舵、航迹舵产品，其控制方法大多为比较成熟的自适应控制,例如日本Tokimec公司的PR—8000系列自适应自动舵、德国Anschuz公司的NAUTOCONTROL综合系统中的自动舵、美国Sperry公司VISIONTECHNOLOGY系统中的自适应自动舵等。

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。

我国对自适应舵的研究起步较晚，自80年代以来，有关单位开展了对自适应舵的研究工作，发表了一些设计方案，仿真研究结果和产品。

基于ARM 的小型船舶自动操舵系统的设计与实现 0基于ARM 的小型船舶自动操舵系统的设计与实现2009年11月10日内容提要：介绍小型船舶自动舵系统的自主研发设计。

该设计选用Philips 公司的ARM LPC2214控制器、大电流MOS 管IRF9540N 、上海直川电子科技有限公司生产的ZCC04型磁罗经转换器等产品，并利用常开常闭继电器解决了手动-随动操舵转换，设计485总线接口电路解决舵角信号的传输。

某渔船试用证实，该设计可靠性高、稳定性好，节能效果明显，有望改变国内小型船舶自动舵产品基本依赖进口的局面。

关键词：船舶 自动操舵装置 手动-随动转换 舵角信号传输 设计0引言自动舵是船舶控制系统中不可缺少的重要设备。

它可以通过航向设定使船舶航迹更接近直线，避免了“蛇行”从而更节能更经济，还能节省人力资源。

我国在从70年代就开始自动舵的研究，并取得了一定的成就，但国内自动舵的研究侧重于理论方面的算法仿真，很少做出实际产品。

迄今为止，国内船舶安装的自动舵基本完全依赖进口。

因此，我们自行开发了基于ARM 的小型船舶自动舵系统，包括手动（应急）操舵、随动操舵、自动操舵三部分。

1自动舵系统的工作原理及其系统结构设计船舶自动舵时，船舶航向控制系统模型一般采用如下所示的野本模型式中：ψ是航向；δ是舵角；T 和K 是模型的参数。

T 和K ，一般表示为：T=T'·L/V 和K=K'·V/L其中：V 是船速；L 是船长；T'和K'是模型的无因次系数，是船型参数和装载状态等的函数，一般由海上实船试验获得。

[1]根据上列舵角与航向关系式，设计自动舵闭环系统结构框图，见图1。

随动操舵部分，不包括磁罗经传感器参与的外环，只包括角度传感器参与的内环，是单闭环系统。

其工作原理是：①角度传感器检测实际舵角信号；②控制器比较实际舵角信号与给定舵角信号（偏航角）得出它们的偏差；③控制器根据偏差控制电磁阀驱动电路的相应电磁阀开闭；④液压舵机改变舵的方向和角度，直至实际舵角与给定舵角信号二者偏差为零。

舵机控制系统的设计湖南涉外经济学院本科毕业论文（设计）题目舵机控制系统的设计作者nnnnn学院信息科学与工程学院专业电子信息工程学号nnnnn指导教师nnnnn二〇年月日湖南涉外经济学院本科毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立开展工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或创作过的作品成果。

对本文工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

本科毕业论文（设计）作者签名：二○○ 年月日摘要智能汽车可以说是一种智能的机器人,这种汽车可以更好的适应不同的工作环境,不会受到温度和湿度和空间辐射和磁场以及重力条件的影响,可以到人们无法进入的环境中完成人们无法的使命,适合于国防等很多领域。

这次设计主要是智能车的设计和实现,主要讲述了智能汽车从硬件到软件的设计和实现的全过程。

我们可以用一个微分模型的驱动车作为智能汽车的基本载体,系统使用的是可靠性高,抗干扰能力强,工作频率高,系统实时好的16位单片机MC9S12DG l28b作为控制的核心系统。

安装CMOS相机负责收集道路信号,作为汽车导航。

设计的目标是为了可以使智能汽车可以弯曲不平的道路上跟踪独立运行,不偏离路径,越快越好。

在智能车设计目标中,介绍了相应的软件系统和硬件电路的设计,硬件电路主要包括有电源模块、相机模块、日志模块、电机驱动模块,无线通信模块,手动设置模块电路等。

在软件控制系统中,设计了一个相机收集信息和图像处理程序,根据道路的信息,可以采用不同的控制方法来控制智能车的速度和方向。

汽车的速度系统是采用的PID控制的快速最优控制车速,其结构简单,具有很强的灵活性能,不一定需要一个精确的数字模型;车的方向控制主要是采用的模糊控制的方法,还充分的利用了单片机MC9S12DG l28b本身带来的一些模糊控制命令,简化了模糊调整速度和算法过程,大大减少了计算的时间,更加有利于模糊推理机。