船舶航向控制系统交互式平台设计研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1研究背景

伴随着各国学者对船舶运动模型的研究以及计算机和仿真技术的发展,各国开始在教学培训中应用航海模拟器。20世纪80年代初,大连海事大学从挪威引进雷达和轮机模拟器,开启了我国航海模拟器教学培训的先河。航海模拟器以其较好的仿真性能以及与实物相比较低的价格开始在我国航海院校广泛使用。2006年,大连海事大学研制成功的高品质航海模拟器及开发平台通过了交通部的鉴定,又通过国际著名船级社DNV(挪威船级社)所提出的A级航海模拟器性能指标认证,标志我国航海模拟器研究和使用总体上达到国际先进水平,打破了少数发达国家对高端航海模拟器市场的垄断,极大的提高我国在应用航海模拟器进行航海教学培训、开展科学研究领域的国际地位。

但是由于受到技术和设备的制约,不管是国产还是非国产的航海模拟器都存在一些问题。比如船舶模型的操纵性能仿真性不足:图像仿真性不足;仿真的灵活性不够;系统稳定性不够;设计标准不统一等,这是航海模拟器本身的不足。还有一些非航海模拟器本身的原因,但是也严重制约和影响了航海模拟器的使用和推广,如航海模拟器的计算机系统及仿真设备机构复杂、成本昂贵、维修费用大,同时还有专用计算机软件程序使用方面的限制。

航海模拟器无论在教学培训还是在科学研究方面都有着举足轻重的意义,这已成为航海界的共识。但是航海模拟器从学生实验角度来说费用很昂贵,操作系统复杂,而且功能繁多,对于普通的船舶运动实验来说,航向模拟器的复杂功能并不适合于一学期十几课时的教学内容,因此需要具有针对性的实验平台来满足船舶航向控制实验课的需要。

2国内外的研究现状分析

随着船舶技术和信息化技术的不断发展,船舶控制系统趋向于智能化、网络化、数字化和模块化。其中船舶航向控制问题是控制领域的研究热点,并且从事该研究的专家学者日趋增多。航向控制系统是船舶运动控制系统至关重要的一部分,随着各种新型船舶的应运而生,对安全航行的要求越来越高,船舶的航向控制分为手动控制和自动控制,通过改变舵角来改变航向。手动控制需要舵工操作舵轮,根据设定舵角调整船舶航向,在当前科技水平下,手动控制仍占据着重要作用,在船舶航行遇到紧急避险、离靠港时,需要手动操作控制航向。

20世纪20年代,美国学者Sperry和德国学者Ansuchz分别从数学和罗经在船舶上的应用角度发表了论文,并各自独立的研制出了机械式的船舶航向自动控制系统,即自动舵。直到1949年美国学者Schiff引入了微分控制的概念,船舶舵角与偏航角的微分成正比关系,形成了比例和微分联合控制的航向控制系统,即第一代自动舵。进入20世纪50年代,随着电子学、控制技术、伺服机构原理的发展,集比例、微分、积分控制为一体的第二代航向控制系统诞生了,也就是PID自动舵。PID舵控制性能良好、精度较高,符合各种船舶的控制要求,在20世纪80年代以前,几乎所有船舶都采用的是PID航向控制系统。

由于计算机技术和自适应控制理论的发展,在20世纪60年代末,荷兰的J.V.Amerongen等人开始了船舶自适应控制舵的研究,世界其他航运大国也成功研制出了自适应控制舵的样机,并在实船上进行了航行试验,能很好地满足各类船舶对航向控制的要求,因而形成了第三代航向控制自动舵。

我国也从20世纪80年代开始对自适应控制舵展开了研究,中船重工707所、武汉水运工程学院、大连海事大学等单位与上海电器厂合作,成功研制出了我国首台自适应航向控制系统,并与1986年通过了技术鉴定,成功地安装在大型远洋船舶上。

20世纪80年代以来,随着自动控制学科的发展,各种智能控制方法在船舶工程领域逐渐应用起来,为研制更高性能的船舶航向控制器带来了帮助。包括自适应模糊控制舵、神经网络自动舵等智能航向控制器,为第四代自动舵的发展奠定了基础。

目前,典型的船舶航向控制方法有PID控制、自适应控制和智能控制三种。传统的PID控制方法灵活性较高,能通过对比例参数、微分参数、积分参数的调整来应对船舶运动环境的变化,对船舶进行航向控制,具有可靠性高、稳定.性好、简单方便的特点,是被广泛采用的一种航向控制方法。自适应控制法能有效满足航向控制精度,并减少操舵时的能源消耗,但控制参数难以调整、研制成本高,不能广泛应用于实船中。

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