摘 要

随着造船技术的发展，船舶日益趋向大型化、专业化、自动化，对船舶舵机提出了功率大、效率高、可靠性好、操纵灵敏和易于控制的要求，对船舶舵机的智能控制的需求也越来越高。

舵机控制系统在船舶的导航中起十分关键的作用，是一种重要的控制系统。本文运用西门子S7-200型PLC及其编程软件STEP7-Micro/WIN设计出一套自动控制程序，可以在随动操舵模式下对船舶舵机进行自动控制，能较好地满足控制系统的要求，并且测试精确，运行高速、可靠，提高了生产效率，延长了设备使用寿命。

在查阅许多国内外的文献，了解了船舶舵机的发现历程以及其工作原理后，分析自动控制中需要的重要参数，学习了PLC的组成、控制的思想、工作原理、扩展模块的功能、模拟量的采集和编程的语言。先将控制系统分为两部分：操舵系统和其他系统。对每个系统中重要的参数进行逻辑分析，设计智能控制方案，用visio软件绘制出逻辑图。然后选取PLC的模块，并对PLC输入输出接口进行分配，绘制出PLC及其扩展模块的接线图，最后用STEP7-Micro/WIN中的梯形图语言对整个系统进行编程。

关键字：船舶舵机；智能控制；PLC

Abstract

With the development of shipbuilding technology, the increasingly large scale, specialization, automation, steering system of ships is proposed with large power, high efficiency, good reliability, flexible operation and easy to control, intelligent control of ship steering demand is getting higher and higher.

This paper uses SIEMENS S7-200 PLC and STEP7-Micro/WIN programming software to design a set of automatic control procedures, in the follow-up steering mode of ship steering gear for automatic control, can better meet the requirements of the control system, and the test is accurate, reliable, high-speed operation, improve production efficiency, prolong the service life of the equipment.

After consulting many domestic and foreign literature, understanding of the history and the working principle of the steering gear, the analysis of the important parameters in the automatic control, study the composition of PLC, working principle, control idea, extension modules, analog acquisition and programming language. The control system is divided into two part: steering system and other systems. The logical analysis of the important parameters in the system, the design of intelligent control scheme, draw the logic diagram by using Visio software. Then select PLC module and the PLC input and output interface distribution, draw the wiring diagram of PLC and its extension module, finally Using the ladder diagram language in STEP7-Micro/WIN to program the whole system.

Key words: ship steering engine；intelligent control；PLC

目 录

第1章 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2国外发展现状 2

1.3国内发展现状 3

第2章 船舶舵机的介绍及选型 4

2.1船舶舵机的介绍 4

2.2实验所选船舶舵机的介绍 4

2.3 装置的管理 7

2.3.1 舵机的试验 7

2.3.2 舵机的停用 7

2.3.3 运行中的管理 7

第3章 硬件的设计 9

3.1 硬件的需求设计 9

3.2 PLC的组成及特点 9

3.3 所选PLC的型号及依据 10

3.4 模块的选择 11

3.5 PLC通道的分配 12

3.6 PLC系统接线图 12

3.7 其他硬件的介绍 13

第4章 软件设计 15

4.1操舵系统的控制及逻辑图 15

4.2其他系统的控制及逻辑图 17

4.3 PLC中PID闭环控制 18

4.4 PLC控制系统梯形图 19

4.4.1 启动部分梯形图 19

4.4.2 PID控制系统梯形图 21

4.4.3 报警系统梯形图 24

第5章 总结 25

第1章 绪论

1.1选题背景及意义

船舶通过舵机来控制船的航向，因此在所有船舶操纵装置中的舵机占有重要的地位，船舶对航向的控制能力的好坏完全取决于舵机的性能^[1]。上世纪八十年代是船舶舵机发展历程当中最重要的十年。一方面，1974年SOLAS公约的修正案在1981年的国际海事会议中被正式通过了，修正案中提出了有关舵机要求的重要的新条款。另一方面，液压传动技术从七十年代以后进入高速发展阶段，产品的集成化和高压化程度不断提高，各种新型液压元件被研制开发出来，并在船舶液压舵机中得到应用。到八十年代后，世界各地的舵机主要制造厂商都开始认真按1981年修正案的要求检查各自的舵机的缺点并进行重新设计，由此产生的新一代舵机无论是性能还是可靠性都得到加强^[2]。

自从人类开始使用舵来对船舶的航向进行操纵以来，人们对舵及其控制方法花费了大量的人力物力进行了研究和试验，舵机的控制方法也从原先的人力直接推舵发展到通过机械传动、电传动、液压传动等办法进行远距离操舵^[3]。随着电子技术水平的提高，目前已经实现了自动操舵。与计算机技术相结合以及机电液压一体化是当前液压技术发展的主要方向^[4]。同时，一些其他的技术被尝试引用到电动液压舵机的控制系统上来。如在保留了经典PID控制器优点的同时，通过对经典PID控制器进行改进而形成的自抗扰控制器^[5]；去掉了传统液压系统中的电液伺服阀，充分发挥同步电动机易于调速特点的直驱式容积控制舵机系统^[6]；解决了传统液压系统中溢流损失和节流损耗的缺点，大大提高了系统中异步电动机的工作效率的变频液压调速系统等^[7][8][9]。其中，像将变频液压调速技术运用到船舶舵机上的研究在国内外早已广泛开展，国外KazuoNakano等人研究分析了交流变频电机驱动变量泵和定量泵、普通电机驱动变量泵和定量泵在节能效果及动态特性等方面进行了实验对比，结果表明：交流变频电机驱动变量泵系统效率最高^[10][11]。该系统中负载、油温和系统的泄漏都对油马达转速产生影响，造成系统精度和实时性下降，响应速度变慢。为此系统采用模糊自适应 PID 控制器和单神经元自适应 PID 控制器来获得良好的控制性能^[12][13]。

舵机按其所使用的动力的差别可以划分为蒸汽舵机、电动舵机、电动液压舵机三种。随着技术的进步蒸汽舵机已被淘汰；电气舵机虽然易于实现自动化、响应迅速，但振动、湿度、温度和腐蚀等环境因素对其工作的影响比较明显，且换向慢、运动部件惯性较大等缺陷使其应用受到了限制。电动液压舵机因其优点众多，体积小、重量轻、结构紧凑、能够产生较大的力矩、能在较高的压力下工作、系统反应快、动作灵敏，因而处于目前市场上的主导地位^[14]。航向自动舵自上世纪二十年代机发展至今可以分为机械自动舵、PID自动舵、自适应舵、智能舵^[15]四代。

智能舵为目前最先进的自动舵，其在自适应性、鲁棒性、稳定性等等各个方面都比较优秀，但存在结构复杂、参数调整困难的问题^[16]。虽然近几年来控制技术和控制理论的发展突飞猛进，许多先进的控制方法被提出，但目前舵机控制系统上应用最多的仍是PID控制器。本文所选的对象为PID控制的电动液压自动舵，在了解船舶舵机工作原理的基础上，给出随动操舵模式下基于PLC控制的控制系统智能化设计方案，提高了船舶舵机控制系统的稳定性和自动化水平。由于所学知识的限制，本文研究的对象为PID自动舵而不是目前最先进的智能舵。因此本次设计的意义更多的是让我学习设计自动控制系统的思路和方法。虽然PID自动舵与智能舵的控制方法不同，但是船舶舵机的基本原理是相似的，通过本次研究可以让我对船舶舵机的结构组成、控制原理有比较深入地认识，而通过进行船舶舵机自动化控制的设计和PLC编程的过程，让我学习到了设计自动控制系统中涉及到的设计流程的顺序、逻辑制图以及编程时需要注意的事项等。将学到理论知识运用到实际生活当中，可以提升我对理论知识实际运用的能力，将对我以后参加工作会有很大的帮助。

1.2国外发展现状

第一代经典控制的自动舵产品是由美国和德国相继于1923年和1920年率先独立研发制造出来的。机械自动舵的出现标志着船舶舵机向实现自动控制迈进了一大步，意义重大。由于该舵采用的比例控制方法相对粗糙，需要使用低增益以防止震荡，因此其保持航向精度的能力较低。

上世纪五十年代，由于伺服机构理论和电子学的发展，将电子器件和控制技术发展成果集于一身的第二代自动舵——PID自动舵问世。该舵的控制精度相比于机械式有了大幅的提升。由于PID调节器对操舵者具体的受控过程没有要求，且在参数易于调整、结构简单和固有的鲁棒性等方面优点明显，几乎被运用到所有的船上。但这种自动舵存在对外界变化应幅度大、操舵频繁、能耗显著以及变能力差的缺点。如PID控制对海浪高频的干扰十分敏感，因此常用“死区”非线性来避免高频干扰引起的频繁操舵。不过死区也会带来持续的周期性偏航，控制系统的低频特性恶化等负面影响，进而导致航行能耗加大而控制精度却下降；此外，控制参数需要随着船舶的动态特性（载重、外型、水深、速度等）或外界条件（流、浪、风等）的变化，不断地进行的人工整定。控制参数的人工整定比较棘手，并且当整定的控制参数不合适会引起操舵幅度大、操舵频繁、控制效果等不良影响。

上世纪六十年代末，由于自适应理论和计算机技术的发展使在船舶操纵中引入自适应理论得到实现了。自适应舵被科技人员应用到实船上，第三代自动舵正式登上了舞台。自适应舵在能量消耗、控制精度方面有较好的提升，但仍存在参数调整难度大、物理实现成本高等问题，特别是船舶的不确定性和非线性影响了系统的稳定性，使得控制效果难以保证。瑞典Astorm 等人在七十年代中期研究出了基于自校正控制的自适应操舵仪。运用了最小方差自适应调节器算法的控制规律而制成的自动舵具有附加阻力小，适应能力优秀的特点。

智能控制理论有自优化、自整定、自学习能力等。上世纪八十年代以来，为了寻找船舶舵机的智能控制方法，国外开始尝试着将智能控制理论运用到船舶舵机控制系统中，智能自动舵应运而生。该舵对于过程模型存在的干扰以及不确定性都具有不俗的鲁棒性，使得在稳定性、鲁棒性、自适应性等各个方面，自动舵的控制性能都有更加完善。但还是存在参数的调整相对较难、控制器结构复杂的缺陷。

目前各种成熟的航迹舵、航向舵产品在国外市场上流通，趋于成熟的自适应控制为大多的控制方法，例如德国Aushutz公司的NAUTO CONTROL综合系统中的自动舵、日本Tokimec公司的RP-8000系列自适应自动舵、加拿大Comnav公司生产的各种船舶导航装置和美国Sperry 公司VISION TECHNOLOGY系统中的自适应自动舵等^[14]。

1.3国内发展现状

对自动舵的研究与开发工作，从上世纪七十年代开始后才在我国有关单位以及其联合的一些高校中开展。现已研究并生产出比例-微分（PD）控制的自动舵和比例-积分-微分（PID）控制的自动舵。由于国外PID控制的关键技术参数出于商业原因都未公开发表，使得自整定理论与实践在国内还处于理论分析和仿真实验阶段，相比于国外同类产品，我国PID自动舵的整体产品性能还有许多可以改进提升的地方。

从上世纪八十年代起，有关单位和高校如大连海事大学、哈尔滨船舶工程学院、上海交通大学、清华大学、华东船舶工程学院、武汉海军工程学院、华东理工大学、厦门集美大学航海学院、中国船舶总公司船舶系统工程部、中国船舶总公司707所九江分部等才开展对自适应性舵的研究。由于我国在自适应性舵的研究方面开展时间较晚，尚未研发出成熟的产品，大多仅局限于理论上。而在智能舵、航迹舵方面，我国也同样都还没有实现产品化，仍处于理论研究阶段^[16]。综上所述，我国在船舶舵机的智能控制与世界上先进的水平相比还处于相对落后的状态，尚有很多空白需要填补，同时我国的科技人员也在不遗余力的向国外水平追赶。