3。1。3  BODY坐标系 18

3。1。4  BODY与NED间的互换[9] 19

3。1。5  ECEF与NED的变换 21

3。2  船舶运动的数学模型 23

3。3  控制器设计模型 26

3。4  外界干扰的数学模型 27

3。4。1 海流干扰数学模型 27

3。4。2  海风干扰的数学模型 28

3。5  本章小结 28

第四章 基于PID算法的自动舵设计与仿真 29

4。1  数字PID自动舵的介绍 29

4。2 数字PID自动舵的设计 30

4。3  PID自动舵的仿真 31

4。3。1  不同航速下PID自动舵的仿真 31

4。3。2  海浪干扰下PID自动舵的仿真 37

4。4小结 39

第五章 结论 40

参考文献 41

致谢 42

第一章 绪论

1。1  课题的背景及意义

船舶航迹跟踪控制是船舶航行过程中的一个重要环节。操舵者要时刻把握每个时刻船舶处于预期航线中的航向以及方位，由船舶当前的航向和方位，结合预期的航线计算航向、偏离误差，以计算结果来控制舵角让船舶按照预期规划的航线航行，这样才能保证船舶航行的安全及行驶路线符合预期要求。在航迹控制的过程中，最重要的是设计出性能良好、使用方便可靠的自动舵。

自动舵是船舶航迹跟踪控制中的主要组成部分，其主要功能为使船舶航向与所给指令反向一致，使得船舶航线指令航线的变化而变化。实现这两种功能分别由航向自动舵与航迹自动舵完成。在间接式航迹控制方案中，航迹自动舵是整个控制系统的重要环节。随着科技进步，人们开发出了更为先进的航向、航迹控制算法，日本东京纪琦（Tokyo Keiki）、美国思培利（Sperry）、德国的安修斯（Raytheon Ansehutz）公司都设计出先进可靠的自动舵设备。我国中船重工707研究所，北京海蓝信数据股份有限公司也将所设计的自动操舵产品投入市场。

德国（Ausehutz）公司设计生产出第一款航向自动舵到今天诸多现代化自动操舵设备的问世，自动操舵设备在船舶中的应用得到了普及和改善。目前自动舵的发展趋势为：结构上从以往的机电模拟控制朝着数字化计算机控制的方向发展；调节规律上以自适应控制、最优控制以及智能控制来取代原先的PID控制。航向自动舵正从简单的航迹控制设备转变成航迹控制系统及船桥综合系统的重要组成部分。

我国海域辽阔，海岸线附近暗礁遍布、水流复杂、加之船运繁忙，由于存在这些问题，所以需要性能可靠的自动操舵设备。但是国内对自动舵的研究起步较晚，与国外相比，我国的航向舵占据主导地位，仍未形成完整可靠的航迹自动舵，自然更没有自动导航系统和船桥综合系统。我国目前在航船上使用的比较成熟的是具有航迹控制功能的自适应操舵仪，与常规设备相比在自动舵和导航系统之间增添了航迹控制模块，集航向保持、航迹控制与导航定位于一体，不需要人员的