第6章 船舶运动控制系统建模应用
第6章 船舶运动控制系统建模应用
6.1 引 言
数学模型化(mathematical modelling)是用数学语言(微分方程式)描述实际过程动态特性的方法。在船舶运动控制领域，建立船舶运动数学模型大体上有两个目的：一个目的是建立船舶操纵模拟器(ship manoeuvring simulator)，为研究闭环系统性能提供一个基本的仿真平台；另一个目的是直接为设计船舶运动控制器服务。船舶运动数学模型主要可分为非线性数学模型和线性数学模型，前者用于船舶操纵模拟器设计和神经网络控制器、模糊控制器等非线性控制器的训练和优化，后者则用于简化的闭环性能仿真研究和线性控制器(PID, LQ, LQG, H ∞鲁棒控制器)的设计。
船舶的实际运动异常复杂，在一般情况下具有6个自由度。在附体坐标系内考察，这种运动包括跟随3个附体坐标轴的移动及围绕3个附体坐标轴的转动，前者以前进速度(surge velocity)u 、横漂速度(sway velocity)v 、起伏速度(heave velocity)w 表述，后者以艏摇角速度(yaw rate)r 、横摇角速度(rolling rate)p 及纵摇角速度(pitching rate)q 表述；在惯性坐标系内考察，船舶运动可以用它的3个空间位置000,,z y x (或3个空间运动速度
000,,z y x
)和3个姿态角即方位角(heading angle)ψ、横倾角(rolling angle)?、纵倾角(pitching angle)θ (或3个角速度θ?ψ
,,)来描述，),,(θ?ψ称为欧拉角[4](见图6.1.1)。显然T ],,[w v u 和T 000],,[z y x
以及T ],,[r q p 和T ],,[θ?ψ 之间有确定关系[4]。但这并不等于说，我们要把这6个自由度上的运动全部加以考虑。数学模型是实际系统的简化，如何简化就有很大学问。太复杂和精细的模型可能包含难于估计的参数，也不便于分析。过于简单的模型不能描述系统的重要性能。这就需要我们建模时在复杂和简单之间做合理的折中。对于船舶运动控制来说，建立一个复杂程度适宜、精度满足研究要求的数学模型是至关重要的。
图6.1.1的坐标定义如下：000Z Y X O -是惯性坐标系(大地参考坐标系)
位置，0OX 指向正北，0OY 指向正东，0OZ 指向地心；o -xyz
尾之间连线的中点，ox 沿船中线指向船首，oy 指向右舷，oz 指向地心；航向角ψ以正
北为零度，沿顺时针方向取0?～360?；舵角δ以右舵为正。对于大多数船舶运动及其控制问题而言，可以忽略起伏运动、纵摇运动及横摇运动，而只需讨论前进运动、横漂运动和艏摇运动，这样就简化成一种只有3个自由度的平面运动问题。图6.1.2给出图6.1.1经简化后的船舶平面运动变量描述。
船舶平面运动模型对于像航向保持、航迹跟踪、动力定位、自动避碰等问题，具有足够的精度；但在研究像舵阻摇、大舵角操纵等问题时，则必须考虑横摇运动。本章根据刚体动力学基本理论建立船舶平面运动基本方程，据此进一步导出状态空间型(线性和非线性)及传递函数型船舶运动数学模型，并考虑了操舵伺服系统的动态特性和风、浪、流干扰的处理方法。这些结果将作为设计各种船舶运动控制器的基础。计及横摇的四自由度船舶运动数学模型参见文献[5]。
ψ
图6.1.1 在惯性坐标系和附体坐标系中描述船舶的运动
Y 0
图6.1.2 船舶平面运动变量描述
6.2 船舶平面运动的运动学
(1)坐标系及运动学变量
1)惯性坐标系及与之相关的速度分量 取00Y X O -为固定于地球的大地坐标系，原点
O 设为船舶运动始点或任取，地球的曲率在此可不考虑，不过在涉及大范围航行的航线设
计问题时，需单独处理。设船舶运动速度向量V 在0OX 方向上的分量为0u ，V 在0OY 方向上的分量为0v ，船舶当前的位置是),(00y x ，时间变量以t 表示，显有
??
?
??=-=-??t
t
t v y t y t u x t x 00000000d )0()(d )0()( (6-2-1) 设船舶的艏摇角速度r 顺时针方向为正，有
?=-t
t r t 0d )0()(ψψ (6-2-2)
2)附体坐标系及与之相关的速度分量 取附体坐标系oxy 位于满载水线面内。船舶运动速度V 在ox 方向上的分量为u ，称为前进速度，V 在oy 方向上的分量为v ，叫做横漂速度。同一速度向量V 在惯性坐标系的分量),(00v u 及附体坐标系的分量),(v u 有下列明显的关
??
?
???????
??-=??????v u v u ψψψψc o s s i n s i n c o s
00 (6-2-3)
3)两种坐标系内运动学变量之间的关系 在惯性坐标系内船舶的位置和姿态由
T 00)](),(),([t t y t x ψ确定，在附体坐标系内船舶之运动速度和角速度由[]T
)(),(),(t r t v t u 表示。
由式(6-2-1)，式(6-2-2)和式(6-2-3)知
??
???++=-+=+=???t
t
t
t t t v t t u y t y t t t v t t u x t x t
t r t 0000000d )](cos )()(sin )([)0()(d )](sin )()(cos )([)0()(d )()0()(ψψψψψψ
(6-2-4)
可见，要确定船舶在任意时刻的位置和姿态，首先应该求出在附体坐标系内u,v,r 的变化规律，为此需要建立船舶运动的动力学方程。
(2)平面运动中船舶各点上速度之间的关系
1)刚体运动分解为移动和转动 从运动控制角度将船舶视为刚体是足够准确的，因此其运动是由移动(translation)和转动(rotation)叠加而成；可以取船上任意一点为参考点，船舶一方面整体地随该参考点平行移动，另一方面绕该参考点同时发生旋转运动；移动速度即参考点的速度，故与参考点选择有关，转动角速度则与参考点无关，即对任意的参考点均为同值，对于船舶平面运动，该转动角速度即为艏摇角速率r 。
2)船舶任意点P 处的合速度 取o 为参考点(图6.2.1)，船上任一点P 对o 点向径为j i j i ρ,,y x o +=为ox 及oy 轴上的单位向量。以向量形式表示旋转角速度，有k ωr =,k 为沿oz 轴的单位向量，ω即为艏摇角速度向量。由理论力学，因刚体转动而造成的速度为o r ρωV ?=，故P 点的合速度是
j
i ρωV V V V )()(xr v yr u o r P ++-=?+=+=
(6-2-5)
注意：单位向量×乘所得向量满足右手法则，如i k ?，右手从k 的正方向逆时针握向i 的正方向，大拇指所指方向即j 的正方向，如果方向与j 的正方向相反，结果加负号。
图6.2.1 移动与转动速度的合成
考虑船舶质心C ，其对o 点之向径为j i ρC C C y x +=，则C 点之速度为
P V
j
i j i ρωV V )()()(r x v u r x v r y u C C C C C ++=++-=?+=
(6-2-6)
上式最后一步是由于船舶配载对称于纵舯剖面，0=C y 。如果取质心C 为参考点，应该从oxy 坐标系过渡到ξηC 坐标系，后者是前者沿ox 方向平行移动距离C ρ而得。P 对C 的向径为j i d ηξ+=，于是有
j
i d ωV V )()(r v r u C C C P ξη++-=?+=
(6-2-7)
6.3 船舶平面运动的动力学
在推导船舶运动方程时，做下列假设：≠ 船舶是一个刚体；≡ 大地参照系是惯性参照系；≈ 水动力与频率无关，水的自由表面做刚性壁处理。有了第一个假设就不用考虑每个质量元素之间的相互作用力的影响，而第二假设则可以消除由于地球相对于恒星参照系的运动所产生的力。
(1)平移运动方程的建立
1)刚体的动量 刚体被看做无数质量微团的集合体，各微团保持其形状及彼此之间的距离不变。刚体动量G 为各微团动量m P d V 的积分，即
?????+=?+==m m m m C C P d d d )(d d ωV d ωV V G
上式最后一项按照质心的定义应为零，设m 是刚体的总质量，则
C m V G = (6-3-1) 2)刚体动量定理 牛顿运动定律指明，刚体动量的变化率等于其所受外力之和。以j i F Y X +=代表合外力，其中，X 是作用于ox 方向上的外力，Y 是作用于oy 方向上的外力，有
F G =t d /d (6-3-2) 利用式(6-2-6)、式(6-3-1)和式(6-3-2)，且注意到i j j i r t r t -==d /d ,d /d (因整个坐标系是建立在附体坐标系基础上的，而附体坐标系是随着船舶的移动和转动而移动和转动的，故其导数存在。如果在惯性坐标系，则其导数为0)，参见图6.3.1，经整理得
???=++=--Y r x ur v
m X r x vr u
m C C )()(2 (6-3-3)
i
j i j ?-=t r d d
图6.3.1 单位向量微分关系
式(6-3-3)即为船舶平移的动力学基本方程，注意其形状与熟知的牛顿方程有所差异，这是由于建立船舶运动数学模型应用的oxy 是非惯性坐标系所致。式(6-3-3)左端附加项mvr
-及mur 是船舶宏观旋转中向心惯性力分量；附加项2
r mx C -及r mx C 分别是由于质心C 对原点o 做旋转运动产生的向心惯性力及切向惯性力(离心惯性力)。
(2)旋转运动方程的建立
1)刚体的动量矩 刚体对质心C 的动量矩C H 为各微团对C 动量矩)d (m P V d ?的积分，即
?????=+=+??+=
??+?=?=k
k j i k j i d ωd V d V d H r I m r m r m m m C P C ζζηξηξηξ]d )([d )()(d )(d )(d )(2
2
(6-3-4)
其中?+=m I d )(2
2ηξζζ为船舶对过C 点的垂直轴)(?o 的惯性矩。
2)对质心C 的动量矩定理 同样由牛顿运动定律，运动着的刚体对质心C 的动量矩变化率等于其所受外力矩之和，以k M C C N =表示后者，C N 为外力矩之代数和，于是
C C t M H =d /d
即 C N r
I = ζζ (6-3-5) 3)对于坐标系oxy 原点o 的动量矩定理 形式为式(6-3-5)的动量矩定理只适用于质心C 。
现由该式出发对力矩和动量矩进行变换以导出适用于o 点的动量矩定理表达式。以k M N o =表示外力矩之和，其中N 是作用于船舶的绕z 轴的外力矩，以zz I 表示船舶对oz 轴的惯性矩，由理论力学的力矩和惯性矩移轴公式，有F ρM M ?+=C C o 及
2
C zz m I I ρζζ+=，这样由式(6-3-4)和式(6-3-5)可推出
k k j i k k )(r x ur v m x r I Y x r
I N c c c +++=?+=???? N ur v mx r
I C zz =++)( (6-3-6)
式(6-3-6)即为船舶转动的动力学基本方程，其形状与式(6-3-5)的区别在于，左端的附加
项v
mx C 及ur mx C 分别代表由于质心C 对原点o 做旋转运动所产生的离心惯性力矩和向心惯性力矩。
6.4 船舶平面运动的线性化数学模型
综合式(6-3-3)和式(6-3-6)，得下列形式的船舶平面运动基本方程
??
?
??=++=++=--N ur v mx r I Y r x ur v
m X r x vr u
m C zz C C )()()(2 (6-4-1)
当附体坐标系原点取在质心C 时，0=C x ，可得最简形式的船舶平面运动基本方程
??
?
??==+=-N r I Y ur v
m X vr u
m zz )()( (6-4-2)
式(6-4-1)代表着3种力的平衡关系：左端是船体本身的惯性力和力矩，右端是流体对船体运动的反作用力，实际上包含了流体惯性力和力矩及黏性力和力矩。式(6-4-1)本质是非线性的，其左端显式地出现vr ur ,等非线性项，尤其右端的N Y X ,,将是运动变量和控制变量的多元非线性函数，结构异常复杂。
(1)船舶平面运动的非线性模型和线性模型
船舶运动数学模型分线性化数学模型和非线性数学模型两大类。研究船舶数学模型通常有两种目的：一种目的是建立精密程度不同的船舶运动仿真器(又称船舶运动模拟器)，用于通过仿真对船舶操纵特性进行研究，对船舶运动闭环控制系统进行研究，对船舶运动控制器性能进行评价。这种模型必须是非线性的，以包含尽可能多的机理细节；另一种模型目的是用于船舶运动控制器设计，这种模型主要是线性的，因为迄今为止，线性反馈控制理论仍是能够提供各种控制器设计系统性方法的惟一控制论分支。当引用神经网络控制或模糊控制时，非线性船舶运动数学模型可以提供训练和学习的数据。
1)船舶平面运动非线性数学模型 为应用方程式(6-4-1)求解船舶平面运动的基本变量r v u ,,，必须具体讨论流体动力X,Y 和力矩N 的结构形式。研究中把船体、螺旋桨和舵视为
一个整体，此时X,Y,N 将是移动速度),(v u 、转动角速度)(r 、它们的时间导数),,(r v u
、舵角)(δ以及螺旋桨转速)(n 的非线性函数
??
?
??==),,,,,,,(),,,,,,,(),,,,,,,(n r v u r v u N N n r v u r v u Y Y n r v u
r v u X X δδδ ＝
(6-4-3)
完全从理论上确定式(6-4-3)的函数关系极为困难，迫使研究者不得不转向半理论半经验的方法或多元数据回归方法。
Abkowitz 提出一种小扰动和Taylor 展开研究X,Y,N 的表示式的方法，其主要思路是，
考虑船舶等速直线运动这一平衡状态：0,0,0,0========r v u
r v V u u δ，这时在式(6-4-3)中的自变量n 将不出现；从该点出发，研究偏离平衡状态不远的运动：
δδδ????=?=?=?=?=?=?+=,,,,,,,,,,0 v u r r v v u u
r r v v u u u 是小量；将
X,Y,N 在平衡点附近展成Taylor 级数时，在展开式中将仅出现v u ,和r 的一次项，因为流体对船舶的惯性反作用力只取决于平移加速度v u ,以及转动角加速度r 本身，而与它们的各阶
导数无关；至于和r v u ,,?有关的黏性力各项及与δ有关的舵力各项，则取至3阶为止，更高阶的项全部略去。将式(6-4-3)的展开式代回式(6-4-1)并进行移项整理，可得到Abkowitz
非线性船舶运动方程[6]。
Norrbin 发展一种非线性船舶运动数学模型[7]，该模型有两个特点，一是适用于运动变量),,(r v u 的整个变化范围；二是它不像Abkowitz 模型那样，完全按数学方式处理流体动力，以至其Taylor 展开式的某些项缺乏物理意义，而是在更深的层次上依赖于流体动力学的基本原理，构成一种半理论半经验的模型格局。
以上所述的Abkowitz 和Norrbin 船舶运动非线性数学模型属于“整体式”模型，本节将做较详细的介绍。与此相对应，日本船舶操纵数学模型小组(Manoeuvring Model Group, MMG)提出了一种分离式船舶运动数学模型[8]，后者是在单独考虑船体、螺旋桨、舵的流体动力学特性的基础上再研究在它们构成一个推进和操纵系统时，各部分之间的相互干扰。这种分离式模型的优势是具有完整的理论支持，易于进行实验研究从而获得较为通用的数据回归结果，对于希望建立自己的复杂程度不同的船舶操纵模拟器的各类研究人员均有裨益。有关MMG 模型的结构和细节，有兴趣的读者可参考文献[9]。
2)船舶平面运动线性数学模型 沿用Abkowitz 的研究方案，在把流体动力X,Y,N 展开成Taylor 级数时只保留一阶小量[6]，同时在船舶运动基本方程左端也进行线性化处理，从而得到平面运动线性数学模型，有
δδδδN r N v
N r N v N r u mx v mx r I Y r Y v Y r Y v Y r mx r mu v m u X u X u m r v r v c c zz r v r v c u u ++++=++++++=++?+?=? 00 以矩阵形式表示之，有
δδδ????
?
?????+?????????????????????--=?????????????????????-----N Y r v u u mx N N mu Y Y X r v u N I N mx Y mx Y m X m C r v
r v u r zz v C r C v u 0)(0
)(000)()(0)()(000)
(00 (6-4-4
)
式(6-4-4)对研究平面运动稳定性有用。
3)前进运动与横漂、转首运动的解耦 式(6-4-4)表明，在线性化前提下，前进运动与其他两个自由度上的运动互相独立，从航速控制的角度，该自由度的运动可以单独考虑；横漂及转首运动之间存在着强耦合，这两个自由度上的运动与船舶航向、航迹控制密切相关，是
本章研究的重点，故而将式(6-4-4)重新写为
u X u
X m u u ?=- )( (6-4-5)
δδδ
??
?
???+????????????--=????????????----N Y r v u mx N N mu Y Y r v N I N mx Y mx Y m C r v r v r zz v C r C v )()()()()()
(00
(6-4-6)
4)流体动力导数的无量纲化 船舶线性化数学模型的进一步推演主要涉及10个流体动力导数δδN Y N N Y Y N N Y Y r v r v r v r v ,,,,,,,,, ，前4个称为“速度导数”，第5～第8个称为“加速度导数”，最后两个称为“舵力和舵力矩导数”。由于船舶(包括桨、舵)几何形状的复杂性，应用理论流体动力学方法计算这些流体动力导数是不可能的，因此它们的确定必须依赖于船模试验。为了数据处理的科学性以及使用的方便性，根据相似原理和量纲分析方法，应该采用无量纲的流体动力导数。为此选择一些基本的度量单位：长度0L ──L (船长)，速度0V ──V (航速)，时间0t ──L/V ，质量0m ──3)2/1(L ρ，力0F ──22)2/1(L V ρ，力矩0M ──32)2/1(L V ρ，其中ρ──水密度。这样将得到各量的无量纲值：
质量：)2
1
/(3'L m m ρ= 长度：L x x C C /'=
速度：V v v /'= 转首角速度：V rL r /'= 力：)2
1/(22'L V F F ρ= 力矩：)2
1
/(23'V L N N ρ=
惯性矩：)21/(5'
L I I zz zz
ρ= 16
2
mL I zz =
以此为基础，将得到无量纲速度导数v v v Y VL Y F V V v F Y v Y Y 2
0000'
''2
)/()/(/ρ==??=
??=,
'''/r N N r ??= ,))/(2(4r N VL ρ=，以此类推。以上介绍的无量纲化流体动力导数称为“一
撇”系统(prime system)，由美国造船与轮机工程师协会(SNAME)于1950年提出；此后Norrbin
又提出了“两撇”(bis system)[7]，其独到之处是采用与上述不同的基本度量单位，如：长度──L ，速度──gL ，时间──g L /，质量──??,ρ为排水体积，力──?g ρ，力
矩──L g ?ρ。由此得出的无量纲流体动力导数以 ,,"
"r
v N Y 表示。 5)线性流体动力导数的估算公式 Clarke 整理大量船模试验数据，给出关于10个线性
流体动力导数的回归公式[10]，汇集如下：
2
2 ')/(π])/(1.5/16.01[L T L B T B C Y b v ?-+-=
22 ')/(π])/(0033.0/67.0[L T T B L B Y r ?--=
2 ')/(π]/041.0/1.1[L T T B L B N v ?--=
2
')/(π]/33.0/017.012/1[L T L B T B C N b r ?-+-=
2 ')/(π]/40.01[L T T B C Y b v ?+-= (6-4-7)
2')/(π]/080.0/2.22/1[L T T B L B Y r ?-+--=
2
')/(π]/4.22/1[L T L T N v
?+-= 2' )/(π]/56.0/039.04/1[L T L B T B N r ?-+-= 2 '/0.3L A Y δδ= '' )2/1(δδY N -=
上式中B,T,b C ,A δ分别指船宽、吃水、方形系数、舵叶面积。上式中的''
'',,,r v
r v N N Y Y 是船体本身的流体动力导数，在实际应用时应考虑舵对船体流体动力的干扰，尚需对这些流体动力
导数做一定的修正，需修改的增量按下式确定[10]
' 'δγY Y v -=?
' '21
v r Y Y ?-
=? '' 21
v v Y N ?-=? (6-4-8)
' '4
1
v r Y N ?=?
30.0=γ
(2)状态空间型船舶平面运动数学模型
状态空间型的船舶运动数学模型是船舶运动控制器设计的基础，它可以有多层次的模型化方案，不同维数的模型用于不同的设计目的和精度要求，详见文献[9]。 1)二自由度状态空间型船舶线性数学模型 在式(6-4-6)的第一行两端除以32
1L ρ，第二
行除以
42
1L ρ，并转化成无量纲流体动力导数，则有
δδδ????
????????+???????????
?????--=??????????????----'2'2''''
'
'
'
.
.
''''
'''''
')()()()(N L V Y L V r v x m N V N L
V m Y V Y L V r v N I L N x m Y x m L Y m C r v
r v
r zz v
C r C v
(6-4-9)
上式可简记为
U Q X P X I ')2()2(')2()2(.
')2(+=
(6-4-10)
其中
??
?
???----=)()(''''
'''
''
'')
2(r zz v C r C v
N I L N x m Y x m L Y m
I
?
??
?
?
?????--=)()('
''''''')
2(C r v r v x m N V N L V m Y V Y L V P
?????
?
??????='2'2 ')
2(δδN L V Y L V Q 分别是惯性力导数矩阵、黏性力导数矩阵及舵力导数矩阵，T )2(][r v =X 是状态向量，δ=U 是控制输入。将式(6-4-10)化成标准的状态空间形式，得
δ)2()2()2()2(.
B X A X += (6-4-11)
其中
??
?
???==-22211211
')2(1 ')2()2()(a a a a P I A ??
????==-2111'
)2(1' )2()2()(b b Q I B
并且
L
Y x m N x m Y m N I S S L V N Y m Y N x m b S V N Y x m Y N I b S V x m N Y m m Y N x m a S L V N Y m Y N x m a S LV x m N Y x m m Y N I a S V N Y x m Y N I a r C v C v r zz v v C r C r zz C r v r v C v v v v C C r r C r r zz v r C v r zz )])(())([(//])()([/])()[(/)])(())(([//])()([/)])(())([(/])()[(''''''''''112'''''''2112'
''''''111'
'''''''''221
'''''''211''''''''''121
'''
''''11 -----=-+--=---=--+---=-+--=-----=---=δδδδ
(6-4-12)
2)三自由度状态空间型船舶线性数学模型 在式(6-4-11)的基础上，增加一个便于研究问题的状态变量ψ?(航向偏差)，且r r ψψψψ,-=?为设定航向，使状态向量成为
T
)3(][ψ?=r v X 。因r =?.
ψ，可得
δ)3()3()3()3(.
B X A X += (6-4-13) 其中 ???
?????
=01000)2()
3(A
A ??????=0)2()3(
B B
3阶模型是最基本的，由此可演化成其他更高阶的模型形式，直接利用3阶模型可进行线性二次型(Linear Quadratic, LQ)最优控制器设计。
3)四自由度状态空间型船舶线性数学模型 在式(6-4-13)基础上再叠加以舵机伺服系统的模型，后者一般被视为一个1阶惯性环节，其时间常数为T r ，则有 r r
r T T δδδ1
1.
+-
= (6-4-14) 其中：δr 为命令舵角，则状态变量成为T )4(][δψ?=r v X ，可得到
r δ)4()4()4()4(.
B X A X += (6-4-15)
其中 ????
?
???
??-=r T 1000)3()3()
4(B A A T )4(1
|000??????=r T B 4)考虑随机干扰时的线性船舶数学模型 考虑海上环境干扰对船舶的影响，并把这种干扰简化为一种白噪声[]T
21)2(w w =w ，
则船舶运动数学模型将从确定性系统变为随机系统，这样有
[]??
???
=++=T
21)2()2()2()2()2()2(.
w w w w B X A X δ (6-4-16)
[]???
??=++=T
321)3()3()3()3()3()3(.
w w w w w B X A X δ (6-4-17) []??
?
??=++=T
4321)4()4()4()4()4()4(.
w w w w r w w B X A X δ (6-4-18)
其中白噪声3w 代表航向角ψ受到的高频噪声，4w 代表海浪对舵叶驱动伺服系统的干扰作用。 (3)传递函数型的船舶运动数学模型
传递函数型数学模型在经典控制论以至智能控制范畴内用于分析船舶运动的动态行为，
并且可作为设计航向、航迹控制器的基础。
1)3阶传递函数模型 对于船舶航向控制来说，采用3个自由度的状态空间数学模型式(6-4-12)，加上输出方程
)3(CX =m ψ (6-4-19) 其中m ψ为量测航向，[]100=C ，将此状态空间模型转换成传递函数形式为
)
1)(1()
1(][)(21301+++=
-=-s T s T s s T K s s G B A I C ψδ
(6-4-20)
这是一个3阶系统，具有两个非零极点和一个零点，且有
211222112
11
a a a a T T -= 21
2
13
01121211121322112
12
1)(11)(b T T T K a b a b b T a a T T T T =-=+-=+ 由此不难解得3个时间常数321,,T T T 以及一个系统增益系数0K 。
2)2阶传递函数模型(Nomoto 模型) 野本(Nomoto)对3阶船舶模型式(6-4-20)做了一项出
色的简化工作，使之降为2阶[11]
。论证的出发点在于，对于船舶这种大惯性的运载工具来说，其动态特性只在低频段是重要的，故在式(6-4-20)中令0j →=ωs ，且利用一个熟知的近似关系：当0→x 时有)1/(1)1(x x +≈-，并忽略2阶和3阶小量，由此导出著名的Nomoto 模型
)
1()(00
+=
s T s K s G ψδ (6-4-21)
其中增益0K 与3阶模型相同，时间常数3210T T T T -+=，或直接由下式求出 21
122211112121110a a a a a b a b K --=
1121211121
2112221122110a b a b b a a a a a a T --
-+-= 式(6-4-21)广泛应用于船舶自动舵的控制器设计中。用Nomoto 模型进行船舶运动控制器设计有两个好处：一是在低频范围，其频谱与高阶模型的频谱非常相近；二是设计出的控
制器阶次低，易于实现。
求解本节所述船舶运动数学模型需要已知8个船舶参数，即航速V ，两柱间长L ，船宽
B ，满载吃水T ，方形系数b
C ，排水量?，重心距中心距离C x ，舵叶面积δA 。
首先将这8个已知参数代入式(6-4-7)，求出10个流体动力导数，并用式(6-4-8)修正，然后代入式(6-4-12)，即可求出各种自由度的数学模型。
6.5 船舶平面运动的一种简洁非线性数学模型
(1)用于船舶运动闭环控制系统仿真的六自由度非线性模型
各种线性船舶数学模型只用于在不同情况下进行控制器设计，当用于船舶闭环控制系统仿真研究时，必须以非线性模型表述被控过程的动态特性，并且还需考虑风、浪、流造成的
环境干扰。从式(6-4-10)出发，在其右端加上非线性流体动力项NON F 、风力项WIND F 、浪力项WAVE F ，则无量纲的二自由度非线性船舶运动数学模型将呈下列形式 '
W A V E 'W I N D 'N O N ')2()2(')2()2(.
')2(F F F U Q X P X I ++++=
(6-5-1) 其中
???
?????=421
NON 3
2
1NON ' NON
//L N L Y ρρF
???
?????=421
W I N D 32
1W I N D '
W I N D
//L N L Y ρρF
???
?????=421
W A V E 32
1W A V E '
W A V E
//L N L Y ρρF NON Y ,WIND Y ,WAVE Y 及NON N ,WIND N ,WAVE N 分别是非线性力、风力、浪力在y 方向的合力及
在绕z 轴方向的合力矩。
由式(6-5-1)和式(6-4-14)不难看出在T )4(][δψ?=r v X 的4个自由度上有非线性状态方程
???
?
??????++++=-00][)'('
WAVE 'WIND 'NON 1 )2()4()
4()4()4(.
F F F I B X A X r δ (6-5-2)
考虑到船舶位置T 00],[y x 的两个自由度上的运动学关系
???+=-=ψψψψcos sin sin cos 00v u y
v u x
(6-5-3)
则式(6-5-2)与式(6-5-3)构成了六自由度的船舶运动非线性数学模型的基本框架，状态变量变为 T 00)6(][y x r v δψ?=X
各研究者关于式(6-5-2)中非线性流体动力'
NON F 的取法不同是区别到目前为止形形色色的非
线性船舶运动数学模型的主要标志。 (2)Norrbin 关于非线性力的简化表示式
Norrbin 在研究船舶参数辨识问题时提出了一种关于非线性流体动力'NON F 的简洁表示
式
[7,12]
，如下所示：
??????=??????=),(),('N O N '
N O N
'N O N
r v Cf r v Cf N Y N
Y F
(6-5-4) 其中
???
?
?
????
∞<-<+?≤-≤---?-<-<∞---?=r v L r v L r r T r v L r v L r v L r r T r v L r v L r r T r v f Y 121])(1121[21121])(132121[211])(1121[),(2233
22 (6-5-5)
???
?
?
????
∞
<-
22 (6-5-6)
式(6-5-4)中的比例系数C 为无量纲横流系数，其值通常在0.3～0.8范围内。Norrbin 关于'
NON
F 的横流模型式(6-5-5)、式(6-5-6)的优越之处在于其表示式在各类非线性模型中最为简单，它的导出具有比较明确的理论基础，并且公式中除了船舶吃水和船长之外，不需任何关于船体结构的数据，应用甚为方便。据笔者的经验，由式(6-5-2)～式(6-5-6)组成简化的非线性船舶
运动数学模型用于在自动舵控制下的闭环系统的仿真研究，结果是可信的[13~15]
。应指出，对式(6-5-5)和式(6-5-6)中同时出现0=v 和0=r 的情况应做专门处理。 (3)风力干扰
在式(6-5-2)中，风力'WIND 'WIND ,N Y 分成平均风力'
WIND 'WIND ,N Y 及脉动风力
'WIND 'WIND ~,~N Y [16]
。平均风力计算见图6.5.1。
图6.5.1 平均风力计算
平均风力的表示式如下：
??
???==421221'WIND 321221'
WIND /)(/)(L L A V C N L A V C Y L R A R N L R A R Y ρργρργ
00X O
(6-5-7)
式(6-5-7)中)(),(R N R Y C C γγ为无量纲的风力和风力矩系数，文献[17]给出了这两个系数的一系列图谱可资利用，其估算公式参见文献[16]；L A 为船舶水线以上侧投影面积，A ρ为空气密度；R V 为相对风速，R γ为相对风速与首向间的夹角，称为风舷角，由绝对风速T V 、绝对风向WIND α以及航速V (u,v )按下式计算
222WIND WIND )sin()cos(R
R R T R T R v u V v V v u
V u +=---=---=ψαψα
(6-5-8)
??
???>>-<>=+=其他
00,00,0arctan
R R R R R
R
R v u v u u v π
πυυγ 上式中ψα,WIND 变动范围为0?～360?，R γ变动范围为0?～±180?，相对风从右舷来时R γ>0。
脉动风力'
WIND 'WIND ~,~N Y 是由大气的湍流所造成的，按文献[16]，它们被认为是某种白噪
声的实现，该白噪声的标准差Y σ,N σ与绝对风速T V 的平方成正比
3
2
22)(2.0)(2.0L
C V L C V R N T
A N R Y T A Y γρ
σγρσ== (6-5-9)
(4)浪力干扰
浪力'
WAVE 'WAVE ,N Y 分为两个组成部分：高频的一次力，它是与波浪宏观振荡运动同步
的周期力，幅值可较船舶的推进力或因运动而产生的流体动力高一个数量级，但由于大惯性
船舶本体的滤波作用，一次力产生的振荡运动(艏摇、横荡等)被限制在允许范围之内；低频的二次力，数量级较小，数值变动缓慢，产生船位的漂移。
1)一次力的计算 采用文献[16]的结果，把波浪看成规则波，这种波浪只有一个频率ω、一个周期ωT 和一个波高ωh ；而把船舶看成一个简单的六面体；在小扰动假设下压力由波形抬高按Bernoulli 公式求出，浪力是在船体水下表面上把压力积分而得，并表成封闭的解析形式。更准确地可采用不规则波概念，把不同风力下的波谱分解成一系列波谱段(例如10段)，每一段波谱对应着一定的频率和波高，这样不规则波就由一系列规则波叠加而成；船体也被分解成一系列六面体分段(例如20段)；分别计算各种波浪分量在每一分段上的力，最后按
频率和船长进行二维求和可得到总的浪力，但计算量大为增加[18]
，未予采用。
规则波对于船的传播方向称为浪向角，以χ表之，参见图6.5.2，有
)(πWIND ψαχ--= (6-5-10)
χ=0为顺浪，χ＝π为顶浪，2π±=χ为横浪(2
π
+
表示浪从右舷来)；船对波浪的遭遇频率是 ψχωωs i n
c o s kv ku e +-= (6-5-11)
图6.5.2 浪向角χ
式(6-5-11)中ω为规则波本身的圆频率，k 为波数，有
ωωωL g gT k π
2π422
2=== (6-5-12) 式中：ωL 为波长，T ω为波浪周期，与风速有关，其具体的依存关系视考察的海区而有所不同。Kallstrom 根据海上观测数据进行最小二乘回归[16]
，得到)(T V T ω和波高)(T V h ω公式如
下：
?
??
+=++-=5.1015.0)(6.5042.00014.0)(223T T T T T V V h V V V T ωω (6-5-13)
注意式(6-5-13)只适用于,m/s 20≤T V 对于m/s 20>T V 的情况应谨慎进行外推处理；并且在T V ＝0时仍给出1.5 m 的波高和5.6 s 的波浪周期，这对大西洋上的情况可能是合适的，但用于我国近海海域，可能稍有误差。Kallstrom 还对Zuidweg 的工作
[19]
略加修改，给出浪
力表示式如下：
)()sin cos sin sin cos sin ()(sin sin 22
2
22WAVE WAVE t b
b b b
c L c c c c b B ak N t s b
c
b aL
Y ξ-?--?=?-=
(6-5-14)
0X O
其中 ??
??
?
?
???
??
==?=?=-=-)cos()2()()sin()2()(sin 2/cos 2//)e 1(2t h t t kh t s kB c kL b k g a e e kT ωξωχχρω
ω
(6-5-15) 式(6-5-14)中)(t ξ代表在附体坐标系原点处波面的振荡，)(t s 则表明沿波浪传播方向上的波面ξ的斜率在原点处的值。在进行仿真时应对式(6-5-15)的e ω进行适当的滤波[16]
，滤波的方
法如下：
)())(()1())(()(k k S B k k S A k e ef ef ωωω++--= (6-5-16) )
1()
1()(-+-?=
k S A k S A k S (6-5-17)
式(6-5-16)、式(6-5-17)表明所采用的是一个时变滤波器。ef ω为经过滤波的遭遇频率；e ω为未经滤波的遭遇频率；A ,B 是两个常数，取A =0.999，B =0.001(即A +B =1)；S (0)取为0.999，随着递推次数k 的增加，由式(6-5-17)知S (k )下降，当k →∞时S (k )→0，此时式(6-5-16)趋于一个定常滤波器
)(001.0)1(999.0)(k k k e ef ef ωωω+-= (6-5-18)
滤波的结果是：在连续的采样周期ef ω也连续变化。
2)二次力的计算 目前尚无简捷而可靠的方法。
海浪干扰的另一种简单模拟方法是用白噪声驱动一个典型的2阶振荡环节(相当于2阶低
通滤波器)[20]
。其中白噪声的带宽为0.5 Hz ，2阶滤波器具有低阻尼比，参数为0.05，自然频率
g U n /cos 2
00γωωω-=
其中0ω为海浪频谱的峰值频率，U 为船速，γ为航向与海浪方向之间的夹角，g 为重力加速度。 例如，如果模拟的海况为5级风，中浪，参数可取0ω为0.15 rad/s ，船速为7 m/s(约14 kn)，γ为60?。 (5)流干扰
仿真时通常假定流是恒定并且均匀的，它只改变船舶运动的位置和速度，而不改变船舶
的航向，有下列速度平衡方程： c
c c c V v u y V v u x
γψψγψψsin cos sin cos sin cos 00++=+-=
(6-5-19)
其中c c γV ,
图6.5.3 流的干扰 (6)船舶运动数学模型的总体结构
图6.5.4示出笔者所研制的船舶运动非线性数学模型的总体框架，还包括了模型和控制
图6.5.4 船舶运动非线性数学模型总体结构
6.6 操舵伺服系统的数学模型
在式(6-4-14)中，把舵机伺服系统看成1阶惯性环节是一种较粗糙的近似。实际上，操舵伺服系统是一个具有纯迟延、死区、滞环、饱和等非线性特性的电动液压系统，这些因素在很大程度上影响到航向/航迹闭环控制系统的性能；换言之，要获得良好的航向和航迹控制质量，除了要依赖各种“高级的”航向保持、航迹保持控制算法之外，还需十分注意操舵伺服系统这一舵角闭环的动态行为及其与自动舵(航向环和航迹环)之间的匹配。这一点虽然近来已逐步为人们所认识，但是单从自动舵设计者的角度进行努力不可能根本解决问题，而必须从自动舵与操舵电液伺服系统的结合上进行综合考虑，在整个船舶运动控制的层次上，在设备的选型、安装、管理以及控制方案的确定、控制算法的设计等诸多方面进行细致的工作，协调处理，方能收到良好效果。
对于操舵伺服系统的分类以及性能比较、操舵伺服系统引起的船舶运动附加阻力等问
题，Blanke 曾进行过相当深入的研究[21,22]
。按照Blanke 的观点，操舵电液伺服系统可概分为5类，其定义及模型化概述如下：
第1类：单油路bang-bang 控制伺服阀系统 由命令舵角和实际舵角所形成的误差信号
)(δδ-r 经功率放大，引起三位四通电液伺服阀一侧的电磁线圈(solenoid)通电，打开操舵
主油缸(hydralic actuator)的通路，由定排量主油泵来的压力油驱动舵叶回转，直到实际舵角与命令舵角一致为止。其原理和仿真模型参见图6.6.1，其中DB 为死区宽度，H 为滞环宽度，N 为最高转舵角速率。对于一艘250 000 载重吨油船，典型数据为DB =2?，H =1?，N =2.3?/s 。
图6.6.1 第1类电液操舵伺服系统仿真模型
第2类：双油路bang-bang 控制液压操舵器系统 此系统中舵角误差信号)(δδ-r 经功率放大，引起三位四通电液伺服阀一侧的电磁线圈通电，打开液压操舵器(telemotor, TM)的油路，由定排量辅油泵来的压力油使TM 的拉杆移动，这是一级放大；TM 拉杆因而拉动变排量主油泵的油量控制杆，使主油泵排出与控制杆移动距离成比例的油量，这个压力油流被通至转舵主油缸，驱动舵叶回转，与此同时由舵柱带动的机械式三点追随机构产生位置反馈，把主油泵的油量控制杆拉回到零油量位置，此时δ动态地停留在r δ的位置上，这是二级放大。这类液压操舵系统在海船上应用相当广泛，其动态性能(操舵时间和舵角跟踪精度)明显优于第1类电液操舵伺服系统。图6.6.2(a)为系统框图，图6.6.2(b)为相应的仿真模型。PB 为主回路比例带；K 为一级放大系数，N 为二级放大系数。典型的数据：DB =1?，H =0.8?，PB =7?，K =4?/s ，N =2.3?/s 。
第3类：单油路bang-bang 控制主变量泵的主油路 本系统实际上是把第2类系统的三点式追随机去除后形成的，因为没有了舵角位移的二级反馈，所以变量油泵的油量控制拉杆只能有3个位置：左满程、右满程、零位。这和)(
δδ-r 信号的符号是一致的；换句话说，此时的变量油泵只作为定量油泵使用。因而此类系统的功能类似于第1类系统，但其性能要优于后者，原因是在3个位置之间的转换(即TM 拉杆的移动)是逐步发生的，因而其动态过程自然比油路的突然开、断控制的第1类要平滑，舵角超调也要小得多。图6.6.3示出此系统的仿真模型，其中比图6.6.1增加了一个积分环节。典型的数据为：DB =1?，H =0.8?，PB =7?，
(b) 仿真模型
图6.6.2 第2
类电液操舵伺服系统仿真模型
图6.6.3 第3类电液操舵伺服系统仿真模型
第4类：双油路模拟控制操舵伺服器系统 本类系统的特点在于，对TM 的油量控制采用一种比例伺服阀而不是像类型1系统中的那种位式伺服阀；至于对主油路的控制则与类型2系统中的形式全同；这样本系统就存在着两个串联的连续运动环节，如图6.6.4所示，其动态性能在各类中是最好的，但初置费明显增加。典型数据为1PB =1?，K =4?/s ，2PB =7?，N =2.3?/s 。
图6.6.4 第4类电液操舵伺服系统仿真模型
第5类：单油路模拟控制变量油泵的油流系统 此系统设计较为简捷，因为只用了单油路；由于采用了比例控制的直线位移输出的伺服机构去拉动变量油泵的油量控制杆，使舵叶的运动快速，并且不会产生舵角的静态误差，其仿真模型见图6.6.5。典型数据为：PB =7?，N =2.3?/s 。
图6.6.5 第5类电液操舵伺服系统仿真模型
在船舶运动非线性数学模型总体框架中可能包含上述某种线性或非线性的操舵伺服系统模型。
6.7 非线性船舶运动数学模型
当船舶进行大舵角回旋操纵时，r v u ,,之间的非线性耦合效应将使航速u 明显下降，此时上述的船舶运动数学模型已难于描述过程的动态，需要转向更为精密的模型。Abkowitz 非线性船舶运动数学模型是这方面的一个突出代表。
(1)模型结构形式的讨论
综合船舶平面运动基本方程式(6-4-1)和作用于船舶上的流体动力式(6-4-3)，有
??
?
??=++=++=--),,,,,,()(),,,,,,()(),,,,,,()(2δδδr v u r v u N ur v mx r I r v u r v u Y r x ur v
m r v u r v u X r x vr u
m C zz C C (6-7-1) 1)船体惯性力 式(6-7-1)左端的船体惯性力各项不做任何简化，其中与平移加速度v u
,及回转角加速度r 成正比的项保留于方程左端，其他各耦合相乘项和平方项全部移到方程右
运动控制系统第五周重点归纳
3.19直播课，3.16请提前自主学习以下重点（看慕课和教材） 1、双闭环的参数计算，典型题教材P100习题4-1 4-2 4-3（下周习题课会讲解下） 会解释： （1）双闭环中，ACR和ASR分别起什么作用？ （2）启动过程电流波形和转速波形有何特点？ 2、双闭环直流调速系统的动态结构框图（教材上找一找）传递函数形式 了解双闭环和单闭环动态抗扰性能有何不同？ 3、双闭环工程设计方法的基本思路（两步走：先选结构再定参数、先内环再外环）（1）选结构，保证动态稳定性和稳态精度，抓主要矛盾； （2）再定参数（查表）进一步考虑其他动态性能指标
PS：其中涉及到大量的自控理论内容（如典型I型典型II型稳定性判定方法和各类动态特性指标），工程设计方法实际上是寻求一个折中的方案，依据与典型系统的关系(查公式、图表)来解决。 4、转速检测的数字化手段（运用光电码盘、霍尔传感器等） 实际应用中，单片机或者PLC根据脉冲计数来测量转速的方法有以下三种： （1）在规定时间内测量所产生的脉冲个数来获得被测速度，称为M法测速； （2）测量相邻两个脉冲的时间来测量速度，称为T法测速； （3）同时测量检测时间和在此时间内脉冲发生器发出的脉冲个数来测量速度，称为M/T 法测速。其中，M法适合于测量较高的速度，能获得较高分辨率；T法适合于测量较低的速度，这时能获得较高的分辨率。 重点掌握M法测速 要求会解释：为什么M法适合测量高速？（可看课件上的公式） M法是测量单位时间内的脉数换算成频率，因存在测量时间内首尾的半个脉冲问题，可能会有2个脉的误差（客观存在）。速度较低时，因测量时间内的脉冲数变少，误差所占的比例会变大，所以M法宜测量高速。 掌握分辨率、测速最大误差率以及M法测速公式（自行整理），会做教材P111习题5-1
第6章-船舶运动控制系统建模应用
第6章 船舶运动控制系统建模应用 6.1 引 言 数学模型化(mathematical modelling)是用数学语言(微分方程式)描述实际过程动态特性的方法。在船舶运动控制领域，建立船舶运动数学模型大体上有两个目的：一个目的是建立船舶操纵模拟器(ship manoeuvring simulator)，为研究闭环系统性能提供一个基本的仿真平台；另一个目的是直接为设计船舶运动控制器服务。船舶运动数学模型主要可分为非线性数学模型和线性数学模型，前者用于船舶操纵模拟器设计和神经网络控制器、模糊控制器等非线性控制器的训练和优化，后者则用于简化的闭环性能仿真研究和线性控制器(PID, LQ, LQG, H ∞鲁棒控制器)的设计。 船舶的实际运动异常复杂，在一般情况下具有6个自由度。在附体坐标系内考察，这种运动包括跟随3个附体坐标轴的移动及围绕3个附体坐标轴的转动，前者以前进速度(surge velocity)u 、横漂速度(sway velocity)v 、起伏速度(heave velocity)w 表述，后者以艏摇角速度(yaw rate)r 、横摇角速度(rolling rate)p 及纵摇角速度(pitching rate)q 表述；在惯性坐标系内考察，船舶运动可以用它的3个空间位置000,,z y x (或3个空间运动速度 000,,z y x &&&)和3个姿态角即方位角(heading angle)ψ、横倾角(rolling angle)?、纵倾角 (pitching angle)θ (或3个角速度θ?ψ&&&,,)来描述，),,(θ?ψ称为欧拉角[4](见图6.1.1)。 显然T ],,[w v u 和T 000],,[z y x &&&以及T ],,[r q p 和T ],,[θ? ψ&&&之间有确定关系[4]。但这并不等于说，我们要把这6个自由度上的运动全部加以考虑。数学模型是实际系统的简化，如何简化就有很大学问。太复杂和精细的模型可能包含难于估计的参数，也不便于分析。过于简单的模型不能描述系统的重要性能。这就需要我们建模时在复杂和简单之间做合理的折中。对于船舶运动控制来说，建立一个复杂程度适宜、精度满足研究要求的数学模型是至关重要的。 图6.1.1的坐标定义如下：000Z Y X O -是惯性坐标系(大地参考坐标系)， 为起始 位置，0OX 指向正北，0OY 指向正东，0OZ 指向地心；o -xyz 是附体坐标系，为船首尾之间连线的中点，ox 沿船中线指向船首，oy 指向右舷，oz 指向地心；航向角ψ以正 北为零度，沿顺时针方向取0?～360?；舵角δ以右舵为正。对于大多数船舶运动及其控制问题而言，可以忽略起伏运动、纵摇运动及横摇运动，而只需讨论前进运动、横漂运动和艏摇运动，这样就简化成一种只有3个自由度的平面运动问题。图6.1.2给出图6.1.1经简化后的船舶平面运动变量描述。 船舶平面运动模型对于像航向保持、航迹跟踪、动力定位、自动避碰等问题，具有足够的精度；但在研究像舵阻摇、大舵角操纵等问题时，则必须考虑横摇运动。本章根据刚体动力学基本理论建立船舶平面运动基本方程，据此进一步导出状态空间型(线性和非线性)及传递函数型船舶运动数学模型，并考虑了操舵伺服系统的动态特性和风、浪、流干扰的处理方法。这些结果将作为设计各种船舶运动控制器的基础。计及横摇的四自由度船舶运动数学模型参见文献[5]。
船舶舵机控制系统改进设计【文献综述】
文献综述 电气工程及其自动化 船舶舵机控制系统改进设计 引 言 设计船舶自动操舵系统首先要确定船舶舵机的数学模型和船舶航行动态模型。船舶舵机的传动机构主要有两类,机械传动和液压传动。随着船舶排水量和航速的增加,舵机上的转矩迅速增大。采用机械传动机构的舵机其重量和体积将变得很大,同时它的效率较低,电动机的容量势必很大。因而目前大型船舶均采用液压传动舵机,甚至中小型船舶也不例外。 船舶舵机 船舶舵机是能够转舵并保持舵位的装置。舵机的大小由外舾装按照船级社的规范决定，选型时主要考虑扭矩大小。船用舵机目前多用电液式，即液压设备由电动设备进行遥控操作。有两种类型：一种是往复柱塞式舵机，其原理是通过高低压油的转换而作工产生直线运动，并通过舵柄转换成旋转运动。另一种是转叶式舵机，其原理是高低压油直接作用于转子，体积小而高效，但成本较高。 船舶操舵系统是实现船舶操纵功能的一个自动控制系统。它把电罗经，舵角传感器等送来的船舶实际航向信号，预定航向信号，及给定的各种限束条件自动地按照一定的调节规律进行信号处理，从而控制舵机，使船舶沿着给定的航向航行。由此可见，该系统的性能直接影响着船舶航行的操纵性，经济性和安全性。因此，船舶操纵系统的性能，一直被当作是一个具有较高经济价值和社会效益的重要问题，引起人们的关注。并吸引着世界各国一代又一代的工程技术人员围绕着进一步改善该系统的性能这一课题而不断地进行研究和探索。
自动舵 自动舵是根据电罗经送来的船舶实际航向与给定航向信号的偏差进行控制的。在舵机投入自动工作时，如果船舶偏离了航向，不用人的干预，自动舵就能自动投入运行，转动舵叶，使船舶回到给定航向上来。 电动—液压式自动舵 国产“HD—5L型自动舵应用半导体无触点控制的比例-微分-积分控制系统。驾驶室具有自动、随动及应急操作三种操舵方式。两套参数相同的放大器互为备用，通过转换开关选择其中一套为自动、随动操舵时使用。应急操舵为随动控制方式，单独使用一套放大器。该型自动舵有A、B、C、D四种型式。A型为电液伺服阀变量泵系统；B型为电磁换向阀、伺服油缸、变量泵系统；C型为伺服马达变量系统；D型为地磁功率阀定量泵系统，它们的电气系统基本上是一致的。 液压伺服系统 液压伺服系统是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。 电液伺服系统 电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。最常见的有电液位置伺服系统﹑电液速度控制系统和电液力(或力矩)控制系统 发展现状 众所周知，自动控制系统是自动控制理论在工业生产中应用的产物。船舶操舵系统也不例外。在自动控制理论发展的不同历史阶段，取得了不同的研究成果，开发出一代又一代新型的自动舵产品，为航运业的发展作出了巨大的贡献。
运动控制系统 复习知识点总结
1 运动控制系统的任务是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。（运动控制系统框图） 2. 运动控制系统的控制对象为电动机，运动控制的目的是控制电动机的转速和转角，要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。因此，转矩控制是运动控制的根本问题。 第1章可控直流电源-电动机系统内容提要 相控整流器-电动机调速系统 直流PWM变换器-电动机系统 调速系统性能指标 1相控整流器-电动机调速系统原理 2.晶闸管可控整流器的特点 （1）晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用电子控制。（2）晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。 晶闸管可控整流器的不足之处 晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。 晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。 在交流侧会产生较大的谐波电流，引起电网电压的畸变。需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。 3.V-M系统机械特 4.最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。 5.（1）直流脉宽变换器根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类 （2）简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 （3）有制动电流通路的不可 逆PWM-直流电动机系统 （4）桥式可逆PWM变换器 （5）双极式控制的桥式可逆PWM变换器的优点 双极式控制方式的不足之处 （6）直流PWM变换器-电动机系统的能量回馈问题 ”。（7）直流PWM调速系统的机械特性 6..生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D来表示（D的表达式） 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时电动机转速的变化率，称为静差率s。 D与s的相互约束关系 对系统的调速精度要求越高，即要求s越小，则可达到的D必定越小。 当要求的D越大时，则所能达到的调速精度就越低，即s越大，所以这是一对矛盾的指标。第二章闭环控制的直流调速系统 内容提要 ?转速单闭环直流调速系统 ?转速、电流双闭环直流调速系统 调节器的设计方法 1.异步电动机从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是机械轴上输出的机械功率；另一部分是与转差率成正比的转差功率。.异步电动机按调速性能分类第一类基于稳态模型，动
运动控制MATLAB仿真
大作业: 直流双闭环调速MATLAB仿真 运动控制技术课程名称： 名：姓电气学院院：学 自动化业：专 号：学 孟濬指导教师： 2012年6月2日
------------------------------------- -------------学浙大江 李超 一、Matlab仿真截图及模块功能描述 Matlab仿真截图如下，使用Matlab自带的直流电机模型： 模块功能描述： ⑴电机模块（Discrete DC_Machine）：模拟直流电机 ⑵负载转矩给定（Load Torque）：为直流电机添加负载转矩 ⑶Demux：将向量信号分离出输出信号 ⑷转速给定（Speed Reference）：给定转速 ⑸转速PI调节（Speed Controller）：转速PI调节器，对输入给定信号与实际信号
的差值进行比例和积分运算，得到的输出值作为电流给定信号。改变比例和积分运算系数可以得到不同的PI控制效果。 ⑹电流采样环节（1/z）：对电流进行采样，并保持一个采样周期 ⑺电流滞环调节（Current Controller）：规定一个滞环宽度，将电流采样值与给定值进行对比，若：采样值＞给定值+0.5*滞环宽度，则输出0； 若：采样值＜给定值—0.5*滞环宽度，则输出1； 若：给定值—0.5*滞环宽度＜采样值＜给定值+0.5*滞环宽度，则输出不变 输出值作为移相电压输入晶闸管斩波器控制晶闸管触发角 ：根据输入电压改变晶闸管触发角，从而改变电机端电压。GTO⑻晶闸管斩波．⑼续流二极管D1：在晶闸管关断时为电机续流。 ⑽电压传感器Vd：测量电机端电压 ⑾示波器scope：观察电压、电流、转速波形 系统功能概括如下：直流电源通过带GTO的斩波器对直流电机进行供电，输出量电枢电流ia和转速wm通过电流环和转速环对GTO的通断进行控制，从而达到对整个电机较为精确的控制。 下面对各个部分的功能加以详细说明： （1）直流电机 双击电动机模块，察看其参数：
嵌入式系统在船舶方面的应用
嵌入式系统在船舶方面的应用（温度、电站、变频） 唐涛 （学号：200810123062） 摘要：嵌入式系统具有体积小、功耗低、可靠性高等特点,非常适合船舶领 域的应用。本文总结了嵌入式系统的特点,介绍了嵌入式系统在船舶系统中电站、温度控制、变频控制的应用，并特别介绍了嵌入式系统在船舶变频技术中的应用。 关键词:自动监控；船舶；自动控制系统；计算机系统；变频技术；温度控制；船舶电站；船舶电力推动系统；嵌入式系统 1引言 在计算机技术高速发展的今天,利用先进的计算机与网络技术来实现船舶各系统监控的自动化已经成为可能。从上世纪80 年代起,船舶控制产品就开始由模拟式向数字式发展。1995 年9 月,由国内外150 多家生产控制设备的厂商组成了国际FF 协会,标志着船舶控制系统开始向全数字化方向发展。此后数年,以现场总线(fildbus) 及超大规模数字集成电路(VL SI) 嵌入式电子技术为基础的全数字式控制系统开始在世界范围内兴起,并迅速扩展到船舶工业领域,使船舶自动化控制技术获得了突破性的发展。 由于嵌入式技术在船舶应用领域尚处于发展阶段,在现有船舶数据监控系统中,主要仍以采用PLC(可程序设计逻辑控制器) 、工业控制计算机(以下简称工控机) ,甚至简单的单片机系统为主来实现船舶各系统的数据采集、监测及控制功能。然而,船舶空间狭小,航行环境多变,因此相对陆用设备而言,我们希望这类船用设备具有体积小、安装接线方便、便于维修、可靠性高,并能适应船上盐雾、油雾、霉菌、潮湿、高热、振动、冲击、电磁干扰大等恶劣条件的性能。对应用于船舶这一特殊控制环境,嵌入式系统比以往的各类控制系统具有明显的优点。可以预见,嵌入式系统将在船舶监控系统中得到广泛的应用。
运动控制系统基本要求
11级电气工程与自动化专业《运动控制系统》基本要求（2014-05-23） 第一章 绪论 了解本课程的研究内容。 第二章 （转速单）闭环控制的直流调速系统 1、 了解V （SCR ）--M 、PWM--M 两种主电路方案及其特点（2.1节、P16、P97--98、笔记）； 2、 他励（或永磁）直流电动机三种数学模型及转换，解耦模型中I do ~U d 环节的处理（P27--28、笔记）； 3、 稳态性能指标中D 、S 间关系及适用范围（2.2.1节、P29--30、笔记）； 4、 转速单闭环直流调速系统组成原理、特点及适用范围（P2 5、笔记）； 5、 带电流截至负反馈的转速单闭环直流调速系统的组成原理、特点（笔记、2.5.2节）。 第三章 转速、电流反馈控制的直流调速系统 1、 双闭环直流调速系统的组成原理（主要指：V —M 不可逆调速系统、PWM-M 调速系统）、特点，符合实际的系统数学模型，静（稳）态参数的整定及计算（P60、P59--6 2、笔记）； 2、 ASR 、ACR 的作用（P65）； 3、 典1、典2系统的特点、适用范围、参数整定依据（3.3.2节、笔记）； 4、 基于工程设计法的ASR 、ACR 调节器参数整定方法（P77--78、3.3.3节、例3-1、3-2、笔记）； 5、 理解ASR 退饱和时的（阶跃响应）转速超调量等时域指标算式（P86--88、笔记）； 6、 系统分别在正常恒流动态、稳态阶段，及机械堵转故障、转速反馈断开故障下的（新稳态）物理量计算； 7、 M 、T 、M/T 三种数字测速方法及特点（2.4.2节、笔记）； 8、 了解了解M/T 数字测速的技术实现方法、系统控制器的技术实现方法（P82-85、笔记）。 第四章 可逆控制和弱磁控制的直流调速系统 1、 PWM--M 可逆直流调速系统组成原理及特点（4.1节，笔记） 2、 V （SCR ）--M 可逆主电路中的环流概念、类型、特点（P103--104、笔记）； 3、 常用的晶闸管－直流电动机可逆调速系统组成原理及特点（4.2.2节，图4-1 4、图4-1 5、4.2.3节）。 第五章 基于稳态模型的异步电动机调速系统 1、 异步电动机定子调压调速的机械特性簇与特点，转速闭环调压调速系统组成原理及适用范围（5.1--5.2节）； 2、 软起动器的作用及适用条件（5.2.4节）； 3、 异步电动机变压变频调速的基本协调控制关系（一点两段）及其依据（5.3.1节）； 4、 异步电动机四种协调控制的特点，各自的机械特性簇、特点及比较（5.3.2节--5.3.3节、笔记）； 5、 SPWM 、CFPWM 、SVPWM 变频调速器组成原理与特点，及其中各环节的作用（5.4节）； 6、 了解基于转差频率控制的转速闭环变频变压调速系统的基本原理（5.6节）。 第六章 基于动态模型的异步电动机调速系统 1、 交流电动机坐标变换的作用，矢量控制（VC ）的基本思想、特点（6.6、6.7、笔记）； 2、 异步电动机VC 系统的一般组成原理（图6-20）； 3、 了解各种具体的VC 系统组成方案，理解转子磁链直接与间接定向控制的区别（6.6. 4、6.6.6节、笔记）； 4、 异步电动机直接转矩控制（DTC ）系统的基本原理及特点（6.7.3节），DTC 与VC 的比较（6.8节）。 第七章 绕线转子异步电动机双馈调速系统 1、 绕线转子异步电动机次同步串级调速主电路及其工作原理，()S f β=公式及特点（7.2.1节、笔记）； 2、 绕线转子异步电动机双闭环次同步串级调速系统组成原理；起动、停车操作步骤；（7.5、7.6、7.4.3节、笔记）。 第八章 同步电动机变压变频调速系统 1、 正弦波永磁同步电动机（PMSM ）矢量控制系统组成原理，0sd i =时的转矩公式（8.4.3节）； 2、 具有位置、速度闭环的正弦波永磁同步电动机（伺服）矢量控制系统组成原理（图8-26、27扩展、笔记）。 第九章 伺服系统 1、 位置伺服系统的典型结构（开环、半闭环、闭环、混合闭环）及特点（笔记、9.1.2）； 2、 位置伺服系统的三种运行方式、位置伺服系统的三种方案；（笔记、9.3.2--9.3.4） 3、 数字伺服系统中电子齿轮的作用（笔记）； 4、 数字式位置、速度伺服系统的指令形式（笔记）。 *** 考试须知---要点提示： （1）无证件者不能考试；（2）未交卷者中途不得离场；（3）严禁带手机到座位，操作手机者按作弊论处。 附：答疑地点（2-216）、时间：（1）2014-6-6，13:00--15:00；（2）2014-6-7，8:00--11:00，13:00--15:00。
船舶运动控制概述
船舶运动控制概述 随着经济全球化的加剧，现代物流业飞速发展，市场对进出口的需求越发的加大，造成了与之相应的航运自动化的繁荣发展，各种新的控制算法不断地应用于传播控制以提高营运的经济效益。作为大连海事大学自动化专业的学生，我们有必要了解船舶相关的知识，包括船舶运动控制，船舶控制系统，船舶导航等的相关知识。并将储备的知识运用到以后的学习与工作中。 一、欠驱动船舶的控制器设计 首先我们先来聊聊船舶的驱动。由于船舶动力驱动结构具有非完整约束和典型的欠驱动特性,而且航行条件的变化、环境参数的严重干扰和测量的不精确性等又使船舶运动呈现出大惯性、长时滞、非线性等特点,采用传统的船舶控制方法已经不能满足控制要求,必须探索新的船舶控制方法。 欠驱动系统是指由控制输入向量空间的维数小于系统广义坐标向量空间维数的系统，即控制输入数小于系统自由度的系统[1]。欠驱动船舶模型一般都具有非线性运动方程的形式，欠驱动船舶模型一般都具有非线性运动方程的形式，欠驱动船舶模型一般都具有非线性运动方程的形式，约束都是不可积的微分表达式,属于非完整系统。 研究欠驱动船舶的控制器设计也具有非常重要的现实意义。一个欠驱动船舶以较少数目的驱动器来完成航行任务,降低了系统的费用及重量,提高了营运效益,同时也会因控制设备的减少而降低船舶机械故障的发生率,使系统运行更加稳定而易于维护。更为重要的是,欠驱动控制同时对船舶完全驱动系统提供了一种备份控制技术。如果全驱动系统遇故障不能正常运行时,可采用欠驱动船舶控制策略,利用仍在工作的控制器对船舶进行有效控制,增大设备出现故障时系统的可靠性。 正是由于上述原因,对欠驱动船舶的控制研究得到了广泛重视并成为控制领域的研究热点之一[2]。作为一种特殊的非线性控制方法,欠驱动船舶控制技术的发展目前还存在着很多问题,有待于更多的科技工作者致力于深入的研究。为了促进欠驱动船舶控制技术的发展,本文在查阅有关资料的基础上,对欠驱动船舶数学模型、控制方法及其发展做了较为详细的综述,并对该领域存在的问题以及可能的发展方向进行了探讨。 如果把船舶作为一个刚体来研究,则船舶的运动有六个自由度,称之为横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和垂荡。考虑常规船舶水平面运动的控制,所关心的主要是船舶在水面上的位置和航向,而且就低重心的普通船舶而言,垂荡、纵摇和横摇对其水平面运动影响甚微,可以忽略。因此水面船舶的六自由度运动就可以简化为沿x方向前进、y方向横移及绕z轴旋转(艏摇)的三自由度运动。由于船舶的推进装置仅装备有螺旋桨推进器和船舵,也就是说系统只有2个控制输入(前向推力和旋转力矩),但需要同时控制船舶在水平面运动的3个自由度,因此对常规船舶平面运动的控制研究可归结为欠驱动控制问题。 上述的船舶的控制问题 ,船的质量和阻尼矩阵都假定为三角阵 ,船舶模型参数和环境干扰的不确定性也被忽略 ,都是在理想的条件下对船舶进行镇定Π跟踪控制。
机电运动控制系统离线作业必
机电运动控制系统离线作 业必 Newly compiled on November 23, 2020
浙江大学远程教育学院 《机电运动控制系统》课程作业（必做） 姓名：严超学号： 3 年级：16秋电气学习中心：武义 ————————————————————————————— 1.直流电机有哪些调速方法根据其速度公式说明之, 并说明如何釆用电力电子手段实现。 答：根据直流电机速度公式，有 （1）电枢电压Ua控制-调压调速（向下调速）：采用电力电子手段时，有晶闸管可控整流器供电和自关断器件H型桥脉宽调制（PWM）供电等方式，其损耗小，控制性能好。 （2）磁场φ控制-弱磁（向上调速），采用电力电子手段时，有晶闸管可控整流器供电励磁控制。 （3）由于运行损耗大、效率低，一般不再采用串Ra调速。 2.画出双闭环晶闸管—直流电动机不可逆调速系统电原理图（非方块图），须清楚表达两个闭环的关键元件，写出各部分名称，标注有关信号量；指出两闭环连接上的特点及相互关系。 答：双闭环晶闸管-直流电动机不可逆调速系统电路原理图如下： 两闭环连接上的关系是速度调节器的输出作为电流调节器的输入，这就使得该系统具有由速度调节器的输出限幅值确定了电流环的给定值，进面确定了系统的最大电流的特点。 3.分析双闭环晶闸管—直流电动机不可逆调速系统：
(1) 如果要改变转速，应调节什么参数为什么 (2) 如要控制系统的起动电流、确保系统运行安全，应调节什么参数为什么 答：（1）改变转速时只能改变速度调节器的输入ug，因为它是速度环的指令信号。改变速度调节哭的参数对稳态速度无调节作用，仅会影响动态响应速度快慢。 (2)要控制系统的起动电流、确保系统运行安全，应调节速度调节器的输出限幅值。 因为速度调节器的输出限幅值确定了电流环的给定值，进而确定了系统的最大电流。 4. 填空 : 双闭环晶闸管━直流电动机调速系统中，内环为＿电流＿环，外环为＿速度环，其连接关系是：＿速度调节器＿的输出作为＿＿电流调节器的输入，因此外环调节器的输出限幅值应按＿＿调速系统允许最大电流＿来整定；内环调节器的输出限幅值应按＿＿可控整流器晶闸管最大、最小移相触发角＿来整定。两调节器均为＿PI＿型调节器，调速系统能够做到静态无差是由于调节器具有＿积分（记忆）功能；能实现快速动态调节是由于节器具有＿＿饱和限幅＿功能。 5.在转速、电流双闭环系统中，速度调节器有哪些作用其输出限幅值应按什么要求来调整电流调节器有哪些作用其输出限幅值应如何调整 答：速度调节器用于对电机转速进行控制，以保障：①调速精度，做至静态无差；②机械特性硬，满足负载要求。 速度调节器输出限幅值应按速系统允许最大电流来调整，以确保系统运行安全（过电流保护） 电流调节器实现对电流的控制，以保障：①精确满足负载转矩大小要求（通过电流控制）；②调速的快速动态特性（转矩的快速响应）。
第一部分运动控制复习要点
第一部分 运动控制复习要点（IRON ） 1、直流调速系统用的三种可控直流电源和各自的特点。P 2 1)旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 2)静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。 3)直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。 2.电流连续和断续时，V-M 系统机械特性的差别，电流断续有何不良影响。P 9 1）当电流连续时，特性还比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。 2）电流断续给用平均值计算描述的系统带来一种非线性因素，也引起机械特性的非线性，影响系统的运行性能。 3、直流调速系统闭环静特性和开环机械特性的联系和区别（画图分析）。P 23~24 a 、闭环系统的静态特性可以比开环系统的机械特性硬很多； b 、闭环系统的静差率比开环系统小得多； c 、如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调 速范围。 d 、要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。 4、电流截止负反馈及其作用。P 28 当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。 作用：限流保护，即解决反馈闭环调速系统启动和堵转时电流过大的问题。 5、比例调节器、积分调节器、比例积分调节器各自的控制规律和特点。 比例调节器：a 、Uc=Kp ΔUn 输出信号与偏差信号成比例；有差调节。b 、能迅速响应控制作用。 积分调节器：a 、输出信号的速度与偏差信号成正比。b 、无静差调速。 比例积分调节器：a 、稳态精度高，动态响应快；b 、比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最 终消除稳态偏差。（控制规律即公式） 7、电压反馈电流补偿的调速系统进行稳态特性和与转速闭环调速系统的主要差别。 a 、结构框图的不同地方在于负反馈信号的取出处不同；P44 b 、电压负反馈的稳态性能比同样放大器的转速负反馈系统要差一些，在电压负反馈的基础上加入电流补偿，可以补偿一部分静差，以提高调速系统的稳态性能，但是不能指望其实现无静差，因为这时系统已经达到稳态的边缘了。 11、调节器工程设计法的思路。P 60 1、选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。 2、设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。 n 0O I d I d1I d3I d2I d4 A B C A ’ D 闭环静特性 开环机械特性 图1-26 闭环系统静特性和开环机械特性的关系 U d4U d3U d2U d1
几种运动控制系统的比较
运动控制的实现方法 1、以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统 早起的运动控制系统一般采用运算放大器等分离器件以硬接线的方式构成，这种系统的优点： （1）通过对输入信号的实时处理，可实现系统的高速控制。 （2）由于采用硬接线方式可以实现无限的采样频率，因此，控制器的精度较高并且具有较大的带宽。 然而，与数字化系统相比，模拟系统的缺陷也是很明显的： （1）老化与环境温度的变化对构成系统的元器件的参数影响很大。 （2）构成系统所需的元器件较多，从而增加了系统的复杂性，也使得系统最终的可靠性降低。 （3）由于系统设计采用的是硬接线的方式，当系统设计完成之后，升级或者功能修改几乎是不可能的事情。 （4）受最终系统规模的限制，很难实现运算量大、精度高、性能更加先进的复杂控制算法。 模糊控制系统的上述缺陷使它很难用于一些功能要求比较高的场合。然而，作为控制系统最早期的一种实现方式，它仍然在一些早期的系统中发挥作用； 另外，对于一些功能简单的电动机控制系统，仍然可以采用分立元件构成。 2、以微处理器为核心的运动控制系统 微处理器主要是指以MCS-51、MCS-96等为代表的8位或16位单片机。采用微处理器取代模拟电路作为电动机的控制器，所构成的系统具有以下的优点：（1）使电路更加简单。模拟电路为了实现逻辑控制需要很多的元器件，从而使电路变得复杂。采用微处理器以后，大多数控制逻辑可以采用软 件实现。 （2）可以实现复杂的控制算法。微处理器具有较强的逻辑功能，运算速度快、精度高、具有大容量的存储器，因此有能力实现较复杂的控制算 法。 （3）灵活性和适应性强。微处理器的控制方式主要是由软件实现，如果需要修改控制规律，一般不需要修改系统德硬件电路，只需要对系统的
电气-运动控制系统-复习重点
1、基本概念及分析 （1）直流调速方法 （2）可控电源的类型 （3）调速系统的稳态性能指标及关系 （4）V-M系统和PWM系统分别适用什么场合？ （5）什么是有静差系统？什么是无静差系统？无静差的系统在稳态时，其调节器的输出是什么情况？ （6）PI调节器中，P的作用是什么？I的作用是什么？ （7）单闭环直流调速系统对哪些扰动能克服？哪些扰动不能克服？ 2、计算 请仔细复习P31：1-9, 1-10，1-12（切记：不要死记硬背，理解计算思路，掌握计算方法，牢记计算公式） 第二章 1、基本概念及分析 （1）双闭环系统较之单闭环系统的优势？ （2）双闭环系统起动能够快速的真正原因？ （3）双闭环系统起动过程中经历哪几个阶段，每个阶段两个调节器的工作状态是什么样的？起动的特点是什么？ （4）双闭环系统在突发状况下会如何调节？（请仔细分析P66:2-5；P67:2-9） 2、设计、计算 （1）请仔细复习P53：例题2-3, PPT中72面的例题。 （2）复习P67:2-7。 （切记：不要死记硬背，理解设计或计算思路，掌握设计或计算方法，牢记计算公式，牢记折中参数）
1、基本概念及分析 （1）可逆的含义？四象限运行时，电机分别是什么运行状态？ （2）V-M可逆系统中的环流是什么电流？如何消除直流平均环流？如何抑制瞬时脉动环流？如何彻底消除环流？ （3）逻辑无环流系统中的DLC起到什么作用？其控制信号是什么信号？DLC 发出切换指令的充分必要条件是什么？DLC由哪几部分组成？ （4）PWM可逆系统，采用H桥双极性PWM 变换器，其驱动信号的特点是什么？电机正转、反转、停转的条件及输出电压波形如何？H桥双极性PWM 变换器控制下的电机停转和普通的电机停转有什么不一样？ 第四章 1、基本概念及分析 （1）异步电机进行变频调速时，为什么要保持磁通不变？ （2）简述恒压频比的控制方式。 （3）保持磁通不变有哪几种实现方式？采用不同方式，当频率降低时，各个关键量如何变化？ （4）交流PWM变换器和直流PWM有什么区别？交流PWM一般有哪些控制方式，这些控制方式的目的有什么不同？SPWM怎么实现？ （5）基于稳态模型的变频调速系统一般有哪两类？ 第六章 1、基本概念 （1）数字调速的特点？ （2）数字测速的方法及应用场合。 （3）数字PI调节器主要有哪两种类型？
船舶动力定位技术简述
1.动力定位技术背景 1.1 国外动力定位技术发展 目前，国际上主要的动力定位系统制造商有Kongsberg公司、Converteam公司、Nautronix公司等。 下面分别介绍动力定位系统各个关键组成部分的技术发展现状。 1．动力定位控制系统 1)测量系统 测量系统是指动力定位系统的位置参考系统和传感器。国内外动力定位控制系统生产厂家均根据船舶的作业使命选择国内外各专业厂家的产品。位置参考系统主要采用DGPS，水声位置参考系统主要选择超短基线或长基线声呐，微波位置参考系统可选择Artemis Mk 4，张紧索位置参考系统可选择LTW Mk，激光位置参考系统可选择Fanbeam Mk 4，雷达位置参考系统可选择RADius 500X。罗经、风传感器、运动参考单元等同样选择各专业生产厂家的产品。 2)控制技术 20世纪60年代出现了第一代动力定位产品，该产品采用经典控制理论来设计控制器，通常采用常规的PID控制规律，同时为了避免响应高频运动，采用滤波器剔除偏差信号中的高频成分。 20世纪70年代中叶，Balchen等提出了一种以现代控制理论为基础的控制技术-最优控制和卡尔曼滤波理论相结合的动力定位控制方法，即产生了第二代也是应用比较广泛的动力定位系统。 近年来出现的第三代动力定位系统采用了智能控制理论和方法，使动力定位控制进一步向智能化的方向发展。智能控制方法主要体现在鲁棒控制、模糊控制、非线性模型预测控制等方面。 2001 年5 月份，挪威著名的Kongsberg Simrad 公司首次展出了一项的新产品—绿色动力定位系统（Green DP），将非线性模型预测控制技术成功地引入到动力定位系统中。Green DP 控制器由两部分组成：环境补偿器和模型预测控制器。环境补偿器的设计是为了提供一个缓慢变化的推力指令来补偿一般的环境作用力；模型预测控制器是通过不断求解一个精确的船舶非线性动态数学模型，用以预测船舶的预期行为。模型预测控制算法的计算比一般用于动力定位传统的控制器设计更加复杂且更为耗时，主要有三个步骤：1.从非线性船舶模型预测运动；2.寻找阶跃响应曲线；3.求解最佳推力。控制器结构如图所示[1]： 图1.1Green-DP总体控制图
船舶电气系统
船舶电气系统总的分为三大部分：船舶电站、船舶电力网和电气负载。 按照在系统中的作用和负载的性质，又可以分九类装置和系统：（1）船舶电力系统；（2）船舶电力拖动装置；（3）船舶电力推进装置；（4）船舶照明系统；（5）船舶内部通讯、联络装置；（6）船舶导航装置；（7）船舶无线电通讯装置；（8）船舶自动化装置；（9）特种装置，如磁性防护和消磁装置等。 船舶电力系统：包括船舶电站和船舶电力网两大部分，担负着将不同形式的能量转换成电能，并将电能输送分配给各用电设备的任务。船舶电能系统包括：（1）原动机和发电机组成的发电机组；（2）有各种控制、监视和保护电器的配电设备（总配电板）；（3）导线和电缆等组成的电网。船舶电力系统有一些主要的参数，决定着船上主要电气设备的品种和规格。这些参数是：电制（交流或直流），电压，频率。 船舶电站是由原动机、发电机和附属设备（组合成发电机组）及配电板组成的。发电机组是把化学能转化为电能的装置，通过配电板来进行控制及分配。带动发电机运转的原动机一般为柴油机、汽轮机或燃气轮机，相应的发电机组称为柴油发电视组、汽轮发电机组或燃气轮机发电机组.为使船舶在各种不同工况下，如航行、作业、停泊、应急等情况下，都能连续、可靠、经济、合理地进行供电，船舶上常配置多种电站。（1）主电站，正常情况下向全船供电的电站。（2）停泊电站，在停泊状态又无岸电供应时，向停泊船舶的用电负载供电的电站。（3）应急电站，在紧急情况下，向保证船舶安全所必需的负载供电的电站。（4）特殊电站，如向全船无线电通讯设备（如收发报机等），各种助航设备（雷达、测向仪、测深仪等），船内通讯设备（如电话、广播等）以及信号报警系统供电的电源。这类用电设备的特点是耗电量不大，但对供电电源的电压、频率、稳压和稳频的性能有特殊的要求。因此，船上有时需要设置专门的发电机组或逆变装置向全船弱电设备或专用设备供电。船舶电力网电能从主配电板（及应急、停泊配电板）通过电缆的传输，经过中间的分配电装置（区配电板、分配电箱等），送往各电气用户，形成的电力网络即为船舶电力网。对船舶电力网的基本要求是生命力强、即要求电网在发生故障或局部破损等情况下，仍能保证对负载的连续供电，并限制故障的发展和将故障的影响限于最小范围之内。 船舶上各性质相近的用电设备都由相应的单独电网供电，可分为：（1）船舶电力网，由总配电板直接供电，供给各种船舶辅机的电动拖动。（2）照明电网，提供船舶内外照明。（3）弱电装置电网，包括电传令钟、舵角指示器、电话设备、火警信号及警铃等。（4）应急电网，包括应急照明、应急动力（如舵机电源）、助航设备电源等。（5）其它装置电网，如充电设备、手提行灯等。 二手船，是指经过一段时间的营运使用后，由原船东转手出售给新船东，可继续投入营运使用的旧船。 废船则是经过长时间的营运使用后，接近或超过船舶内河运输运输使用年限，由船东抛弃不用出售给拆船厂拆解的旧船。就船舶本身而言，两者之间没有严肃而公正的区别，主要是船东根据航运市场、船舶市场的行情和前景预测，决定是卖二手船还是卖废钢船。遇到航运市场低迷时，船东会大量抛售废船。 反之，在航运市场繁荣时，二手船市场会随之活跃。影响二手船本身价值的因素 船舶的基本性能和主要设备状况：二手船原始(或改装后)的基本性能和主要设备状况，决定着其本身的适用性、可靠性、经济性和营运的竞争力。
运动控制系统第一章作业答案 曾毅编
【1-1】 某生产工艺要求：按动起动按钮S Ⅰ时，电动机Ｍ带动小车作如图题1-83所示的运动轨迹运行；按动暂停按钮S Ⅱ时，小车就地停止。重新按动启动按钮S Ⅰ时小车从暂停位置，开始键继续运行。假设：KM 1得电小车向右运行，KM 2得电小车向左运行，小车每次反向运行前都暂停t 秒。 1)试设计满足该运动轨迹的运动控制线路图。 2）当小车运行在B-C 区间时，如果突然停电或此时按动清零停止按钮，当来电后再按动起动按钮将会发生什么现象？如何处理这种问题？ 解：1）假设：正反向速度继电器分别为：KS 1、KS 2；短路制动电阻的接触器为KM 3。 系统带降压起动电阻与反接制动的主电路图如答图1所示，其输出方程和控制方程如下： 图1-83 题1-1小车运行轨迹 答图1 题【1-1】（２）解答
2）来电后再按动起动按钮S I ，小车将一直向右走，出现失控现象。 解决续行问题的方法： ①最普通的方法是在运动轨迹的周边增加限位行程开关，并在输出方程中增加正反向点动按钮。假设：左、右限位保护分别为ST A 、ST B （如答图２所示） 、右限位；正、反向点动按钮分别为SF 、SR ，修改后的电气控制逻辑代数方程组： R F T F A R R B F S S t KT S S KM K ST K ST K ST K ST K ST S KM S ST KM KM S K K K KM S ST KM KM S K K K KM ?????+?+?+?+?+?+=????+++=←????+++=→)()()()(152413224131642225311ⅡⅡⅡⅡⅡ ②在控制方程组中与转步信号并联时间超限脉冲发生信号。 ③系统小车没有回到原点前，不清控制方程组，或者不要在控制方程中增加停止按钮。 ④增加回原点功能的按钮。 【1-2】 已知电动机M 1带动小车左右运动；电动机M 2带动小车上下运动。生产工艺要求的运动轨迹如图题1-84所示。假设：KM 1得电小车向右运行，KM 2得电小车向左运行；KM 3得电小车向上运行，KM 4得电小车向下运行。生产工艺要求分别按动启动按钮S 1、S 2、S 3时，小车的运行轨迹分别如图1-84a 、b 、c 所示；按动暂停按钮S Ⅱ，小车就地停止，小车每次转弯运行前都暂停t 秒，按动回原点按键S 0，小车会以最短的路径返回到原点A ，试设计满足该运动轨迹的运动控制线路图。 解：假设小车的转步信号及程序步如答图2所示 答图２ 题【1-1】（２）解答
运动控制系统 复习知识点总结教学文案
运动控制系统复习知 识点总结
1 运动控制系统的任务是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。（运动控制系统框图） 2. 运动控制系统的控制对象为电动机，运动控制的目的是控制电动机的转速和转角，要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。因此，转矩控制是运动控制的根本问题。 第1章可控直流电源-电动机系统 内容提要 相控整流器-电动机调速系统 直流PWM变换器-电动机系统 调速系统性能指标 1相控整流器-电动机调速系统原理 2.晶闸管可控整流器的特点 （1）晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用电子控制。 （2）晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。 晶闸管可控整流器的不足之处 晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。 晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。 在交流侧会产生较大的谐波电流，引起电网电压的畸变。需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。 3.V-M系统机械特 4.最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。 5.（1）直流脉宽变换器根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类 （2）简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 （3）有制动电流通路的不可 逆PWM-直流电动机系统 （4）桥式可逆PWM变换器 （5）双极式控制的桥式可逆PWM变换器的优点 双极式控制方式的不足之处 （6）直流PWM变换器-电动机系统的能量回馈问题 ”。（7）直流PWM调速系统的机械特性 6..生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D来表示（D的表达式） 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时电动机转速的变化率，称为静差率s。 D与s的相互约束关系
运动控制器的应用现状及其发展趋势【不可外传】
运动控制器的应用现状及其发展趋势 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！ 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、数控系统、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 1运动控制器的应用现状 运动控制器越来越广泛地应用于各个行业的自动化设备，如数控机床、雕刻机、切割机、钻孔机、印刷机、冲孔机、激光雕刻、激光切割、包装机、纺织机、食品加工、绘图机、点胶机、焊接机、电子装配白动检测等，甚至在航空航天和国防领域也得到广泛应用。根据所用的CPU不同，运动控制器产品主要有以下五种类型： （1）以单片机（MCU）为核心的运动控制器，低端采用8位或16位的单片机作为处理器，其主要优点是价格比较低廉，缺点是运行速度较慢，控制精度较低。因此这种运动控制器适用于一些低速或运动控制精度要求不高的点位运动或轮廓运动控制的自动化设备。 （2）以专用芯片为核心的运动控制器，美国国家半导体公司生产的LM628和LM629专用运动控制芯片，日本的NOVA生产的MCX304、MCX501等运动控制芯片是专门为精密控制步进电机和伺服电机而设计的专用处理器，产品应用于数控机床、雕刻机、工业机器人、医用设备、绕线机、自动仓库、绘图仪、点胶机、IC制造设备等领域。 （3）以数字信号处理器（DS）为核心的运动控制器，美国DeltaTau公司生产的PMAC 运动控制器，采用Motorola的DSP56003作为处理器。国内的基于DSP的运动控制器，通常以美国TI公司推出的C2000系列，例如TMS320F2812和TMS320F28335作为运动控制器的核心芯片。