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在船舶控制系统中，实现船舶航向控制的自动操舵设备是很重要的一个环节。早在上个世纪20年代，科学家就着手于自动舵的研究，至今有4个发展阶段[1]：机械自动舵、比例-积分-微分（PID）自动舵、自适应自动舵以及现在的智能自动舵。86063

1。 机械自动舵

20世纪20年代，Minorsky和Sperry从数学角度以及陀螺罗经在船舶上的应用发表了论文， 可以将这两篇论文看作是对船舶自动舵最早的一个理论设想。一年后,Minorsky设计的自动舵在墨西哥的军舰进行了一次实践。那时以机械原理构建的自动舵,只能对航向进行很简单的控制,这种控制方法被现代人类称为比例控制。自动舵舵角的偏转的角度同船舶航向的偏航角度是线性相关的。比例控制的规律表示如下：

其中：：舵角；：航向；：偏航角；：设定航向；：比例常数（可根据船舶自身情况和外界环境自行设定）

实际工作时的原理为： 将陀螺罗经测出的航向信号同预期的航向作比较，然后把二者的差输入控制器，控制器最终输出并驱动舵轮伺服机构。但是“比例控制” 在大惯性船舶上的效果不理想，因为这种控制方法会造成船舶在预期的航向两侧不断地摆动, 导致转舵装置极容易磨损， 还要无故损耗很多的燃料，诸多的问题限制了它的使用。论文网

2。 PID自动舵

1949年，Schiff等科学家提出了速率控制的概念， 即速率控制和偏航角的微分正线性相关，被当代人称为“ 比例和微分（PD）控制”，其公式为：

其中，：偏航角改变速率；微分系数

引入微分控制的概念以后，自动操舵航向的准确性得到了提高，舵的偏转角不仅与偏航角有关， 还与偏航速率有关。1972年，Bech等科学家提出一个三项控制理论， 即将一个低频滤波器引入PD控制系统，在一定范围内航向稳定情况下，减少了频繁的操舵运动。这一控制用公式表示为：

此类控制器叫作比例-微分-积分控制器，简单的称为PID控制器。积分环节利用偏航角的累积值，让舵叶改变偏转角度，通过某一确定的转船力矩，从而抵消风力、水流等干扰力矩做的功。（这个理论早在1949年Schiff的论文中就提到过, 但被忽略了很多年。）上世纪80年代，采用PID控制的自动舵风行一时。

3。 自适应自动舵

上世纪50年代期间，第二代自动操舵系统问世，得益于电子学的广泛应用以及伺服系统理论的发展，并同时具备控制理论和电子元件的优点，即驰名的PID舵[2]。而PID自动舵至少存在三个方面的缺陷：一是需要手动调节Kp，Ki，Kd三个参数，对船舶状态改变后及外界环境的改变的补偿，很难做到适时调节；二是PID自动舵对高频海浪干扰采取的无效高频率转舵，导致了船舶航行阻力的增加，使得推进能耗和机械磨损增大。采用加大死区的办法固然对抑制海浪干扰有一定作用，但同时带来了低频特性恶化，导致持续性周期偏航；三是常在大风大浪中大幅度的转舵会造成严重偏航，而且大风大浪中大幅转舵是相当危险的。所以海上航行规定几乎都禁止在大风浪和其他恶劣环境下使用自动舵，代之以手动舵。

70年代中后期到80年代前期，自适应操舵系统的研究和发展非常迅速。从80年代起, 自动舵控制准确性的大大提高得益于微处理技术以及自适应控制理论的发展应用，与传统PID自动舵相比能适用的航行速度增加,减小了操舵工作量，关键是减少了风、浪、水流、吃水等因素对人工设定参数的补偿，使得在恶劣条件下使用自动舵成为可能。

1975年，Oldenburg等科学家提出的对常规PID自动舵通过直接推断法进行修正，这是最早提出的自适应自动舵控制法。在风浪信号、航速、负载增加时，这一方法使得最佳参数的选择更加精准。这里的风浪信号可通过风浪分析器来测量，其不规则性可通过编程方法并利用卡尔曼滤波器来进行信息提取。 (责任编辑：qin)