摘 要

随着航海时代的不断发展，人们对船舶航行提出了各种各样与时俱进的新要求。人们希望在进行航行时船舶能够按照人们制定的航迹与航向行驶，从而减轻驾驶员的工作量，提高工作效率。于是在船舶航行上引进自动舵技术来帮助人们实现这个设想。

本文以小型船舶为控制对象，研究航迹保持自动舵优化设计，并在MATLAB软件中进行仿真实验。首先，基于Nomoto方程，搭建了小型船舶的动力学模型，并对模型进行了稳定性和Z型验证；然后基于PID算法设计了航向、航迹保持控制器，在Simulink平台中搭建了船舶航向、航迹保持仿真控制系统；最后，设计了Z字形与圆形两种典型航线，对自动舵控制系统进行了仿真实验。实验结果该船舶航迹保持自动舵具有较好的控制效果，满足设计需求^[1]。

关键词：船舶航迹；保持；自动舵；控制

Abstract

With the continuous development of the age of sail, people have put forward various new requirements to the ship navigation. It is hoped that the ship can be in accordance with the development of the track and heading, thus reducing the workload of the driver and improving work efficiency. So the introduction of navigation Autopilot technology is used to help people achieve this vision.

This thesis takes the small ship as the control object and studies the optimal design of the track keeping autopilot and carries out the simulation experiment in the MATLAB software. First, based on the equation of Nomoto I build the dynamic model of a small ship, and verified the model of stability and Z-verification; then the heading and track keeping controller is designed based on the PID algorithm, and the simulation control system of the ship course and track keeping is built in the Simulink platform; and finally, Z shape and circular two typical routes are designed, and the simulation experiment is carried out on the automatic rudder control system. The experimental results of the ship track keeping autopilot has a good control effect, to meet the design requirements.

Keywords:Ship course；PID control；Autopilot；Control

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外的研究现状分析 1

1.2.1 航向控制 1

1.2.2 航迹控制 2

1.3 研究内容与章节安排 2

1.3.1 主要研究内容与拟采用的方案 2

1.3.2 章节安排 3

第2章 基于MATLAB的船舶操纵运动仿真模型搭建 4

2.1 选取合适的船舶模型 4

2.1.1 船舶数学模型 4

2.1.2 nomoto数学模型 5

2.2 船舶模型的验证 11

2.2.1 验证模型的稳定性 11

2.2.2 20°/20°Z型实验 11

2.4 本章小结 12

第3章 PID控制系统的搭建 13

3.1 PID控制器简介 13

3.1.1 比例控制 13

3.1.2 积分控制 13

3.1.3 微分控制 13

3.2 PID控制系统的搭建 14

3.2.1 PID控制器的数学模型 14

3.2.2 PID控制系统仿真模型 14

3.3 船舶航向PID控制系统仿真实验及其分析 15

3.4 本章小结 15

第4章 船舶航迹控制自动舵 16

4.1 船舶航迹保持自动舵工作原理 16

4.2 单目标点航行功能 16

4.3 Z形路线航行功能 18

4.4 圆形路线航行功能 20

4.5 本章小结 22

第5章 结论 23

参考文献 24

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 引言

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—船舶、以及舵角反馈机构等。舵系统的性能主要是由控制器的性能决定。

在当今世界，随着经济全球化的不断深入，远洋航行显得尤为重要，世界各国都将大量的人力与物力投入到海洋中来。无论是哪个国家，只要在远洋航行中获得了突破性的进展，将会在经济发展，科学技术方面获得有利地位。在陆地资源日益枯竭的现在，人们对资源的需求越来越大，陆地已无法满足人类的基本的发展的需求了，我国将海洋作为下一个重要资源开发地，海洋中蕴藏着各种各样丰富的资源，但是要获得这些资源就需要向深海进发就需要进行远洋航行，对此我国已经提出“提高海洋资源开发能力，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国”的发展方针，将我国建设为“海洋强国”成为了当前的一项重大科技任务。船舶作为航行的基本工具，船舶航迹保持自动舵在船舶航行控制领域的作用愈发重要，对自动舵的的研究与创新越来越受到重视^[2]。

船舶在海洋上航行时，人们将航线分解为数个区间，在每个区间设置航路点，船舶在人工驾驶或者是自动舵的帮助下按照设定的路线行驶，最终航行到目的地。由于现在全球化进程不断加快，远洋航行占据了船舶航行的很大一部分比例，所以人们在船舶行驶时大部分情况下会选择自动舵来控制船舶的航行。船舶在海洋上航行时会受到风、浪、流以及天气等因素的影响，在这些影响的作用下，自动舵会出现无法避免的船舶航迹和航向的误差。为了减少这些误差的产生，自动舵需要及时的对各种扰动因素做出反应，实时地去操舵打出相应的舵角。如果舵角过小，将无法对扰动进行消除，使船舶保持在正确的航迹以及航向上；如果舵角过大，船舶将出现航行不稳的情况，危及船上的人员以及财产的安全。因此，设计出一个高效稳定，控制效果优秀的自动舵就显得尤为重要了。

1.2 国内外的研究现状分析