船舶自动化系统特性与控制方法研究开题报告

1、课题背景和意义（含国内外的研究现状分析）

自哥伦布发现新大陆以后，海上运输业不断发展，并成为沿海国家经济发展的重要推动力量，为推动远洋运输业的发展，造船业 随之兴起，船舶总吨位、数量成为一个国家远洋运输能力的象征， 然而，受制于技术等多方面因素的共同影响，远洋运输行业发展速度较陆上运输发展缓慢。随着电子信息技术在多行业中的快速渗透， 船舶设备自动化、信息化水平持续提升，为远洋运输行业发展注入了新的动力。船舶自动化技术产业已成为当今世界主要海洋强国的支柱产业之-一。 国外自 20世纪70年代起，由于海洋事业和国际贸易迅速发展需要，在船舶自动化技术及新设备研制方面出现了蓬勃发展形势，通过几十年的持续发展，奠定了坚实的基础，当今世界在船舶自动化方面正在进行着根本性的变革，航海人员船舶自动化的理想已成为现实。事业的快速发展是必然趋势，尤其是像我国这样海岸线长的国家，更应该注重船舶自动化的发展，这也给船舶自动化技 术提出了更高的要求。21 世纪以来我国船舶行业一直处在高速发展状态，不断地学习国外的先进技术，消化、吸收、 再结合实际进行自主研发，但是部分核心技术还是掌握在国 外一些企业的手中，我国实现掌握船舶自动化核心技术要走的道路还很长。船舶自动化技术的运用不但可以提高航海的安全性，而且可以提高生产率，促进经济效益的增长。在目前全球发展航海事业的前提下，我国必须加强对船舶自动化 的研究，只有掌握核心技术才能实现海洋强国战略，增强我国的海洋综合实力。

船舶设备的发展经历了手动、半自动、自动三个阶段。首先，船舶设备手动阶段是指以人的经验为主，船用设备控制目标的实现 需要人的全程参与，如星象仪、航向舵等，该阶段航行安全指数和 效率最低；其次，在人类进入到工业革命阶段后，船舶设备基本实现了半自动控制，利用机械原理提高船舶航行过程中的控制效率和 精度，大大降低了对船员数量依赖性，如轮机控制系统、导航系统 等；最后，在电子信息技术全面普及的情况下，船舶设备已经基本实现了自动化及信息化，自动驾控系统、电子海图、船舶自动识别系统实现了船舶安全航行、智能控制等功能。

自动化主要目的是高效开船、节约人力物力，船舶的正常运行对船舶自动化的完整性影响不大，同时，利用人为技术可 以完全代替自动化技术，传统船舶自动化技术零件比较简单， 仅仅包括：轮机自动化、导航自动化、自动操舵仪、无人值班机舱等。船舶自动化的发展历程可以大致分为三个阶段：一是单元装置自动化使时期，依靠安装的各种单独设备仪器实现自动化 管理，虽有一定效用，但依托于这种模式的自动化难以是船舶 设备整体有效沟通，致使收集的信息也较为零散；二是机舱自动化时期，应用集中监控系统可以实现夜间无人值班，但整个 船舶采用一台计算机实行自动化管理，一旦出现故障将引发多 米诺骨牌效应；三是全船综合自动化时期，船舶技术在九十年代以后，海洋运输对安全环保提出了更高的要求，功能更先进 的电子模块被现阶段的船舶自动化技术采用，为了注重环境的 保护，对船舶的环保设施也提出了更高的要求，另外海洋领域有较多的不法分子，如何安全运行得到了高度重视，所以船舶 设备必须具有良好的安全防护功能，首先是预防安全事故的发 生，其次是对船舶故障能够及时的修复。所以，发展成本低廉的安全运行自动化设备是非常迫切的。

开发新一代船舶自动化基础技术的必要性和方向现阶段，科技的发展日新月异，所以对船舶的自动化发展提 出了更高的要求，传统的船舶自动化技术有并不能适应我们目 前发展的要求，所以要针对以下几个方面做出改进：

1）传统的信息集成平台是以协议通讯组成的，因为通讯速 度有限、成本高、可靠性差等原因不能落实，尤其是现阶段航海 依靠数量巨大的资讯，所以信息集成平台更加难以实现，所以开发出成本低廉、信息容量大的信息集成平台，是船舶自动化 实施的基础，只有信息平台完善起来，才能完成现代社会的各项基本任务。 船舶具有完善的数据收集能力才能遵守国际海事组织 IMO 对于海事的安全法规，船舶只要有良好的数据采集能力，才能 收集船舶巨大的信息量，目前的船舶远程安全设备开始逐渐完善，另外，船舶数据有备份，发生海洋事故时，不用打捞，为信息 化设备提供了安全保证。

2） 现阶段通常采用电子模块和工业计算机模块控制船舶自动化设备，每一种设备都需要大量数据进行编程，每一艘船 想要保持平稳运行，船上都有很多自动化设备，只有自动化设备 紧密相连，才能平稳运行，但是，这些设备维修、管理都很困难，自动化设备破损率较高，在新的航海领域中，自动化设备的数 量要求更多，对设备的安全性和质量也要求更高，如果设备的安 全可靠性得不到保证，就会造成安全事故，想要解决这样的问题，必须发展健全的全功能电子控制模块，使船上所有的自动化 设备都可以采用这个模块，如果其中一个自动化设备损坏，只需 要更换一个零件就可以修好，并把破损设备数据导入电脑，维护一个健全的自动化系统，保证自动化设备的完整率 100％，这样 才能使船舶的自动化技术顺应时代的潮流，这是我们发展的基础技术。

3）完善的可靠性设计措施是船舶自动化设备必须具备的， 这样能保证不会出现重大事故，同时对电脑黑客也有好的防御 能力，保证网络系统正常运行，传统的自动化缺乏对这方面的考虑，网络系统很容易就面临瘫痪，现阶段，我们船舶的新型自动 化技术必须拥有这项功能，这也是一项基本的信息技术。

船舶自动化发展趋势

1）提升自动化效率 在研发关注点都在船舶自动化技术上时，我们也应该注意提升自动化效率。就目前船舶自动化系统而言，我们要合 理优化自动化技术架构，整合信息资源，提升自动化效率。电 子计算机可以分画面操作，及时地进行功能转换，整体设置方便于操作，人机关系能实现更好的互动，这样更方便于自动化 系统的综合性优化，使监控系统更好地配合处理中心进行综合 性的预判处理，并且是船舶自动化系统稳定运行的保证，充分提高了船舶自动化水平。提升自动化效率还能够减少工作人 员的使用量，减少人员开支，并且提升船舶整体运行水平。

2）系统的网络化 就目前信息化技术和互联网技术的发展水平而言，主要 是由控制系统和信息回馈系统组成的相向的系统网络，通过监控系统和监测系统对全船的各项数据进行收集，形成数据 采集网络。控制网络能够保证船舶电站、船舶机舱的正常运 行，是船舶安全航行的基础保障。在主系统网络下还有众多子系统，各个系统独立运行散布在整个船舶上，子系统为主 系统所控制，相互之间不受影响，即使其中某个子系统发生 故障，也不会影响整个船舶的运营。系统的网络化提高了船舶的整体运营功能，大量减少了人力工作，降低了船舶运营 成本，提高了工作效率。在涉及工作人员的设备方面，系统 的网络化能降低工作人员精神的疲劳度，减少安全隐患，营造良好的工作环境，大大地提高了工作质量。

3）完善自动化设备应用 科学技术和信息技术的飞速发展给自动化设备的全面应用带来了巨大的便利，对已拥有的自动化设备要尽可能地完善，有集成能力的要统筹管理，进行全方位的船舶自动化技 术应用调研，严格要求实行船舶自动化。目前，我国船舶自 动化水平处在平均水平，但是还是有部分装置不能实现自动化，要对船舶自动化进行全面升级，提高船舶机械化水平。在船舶自动化发展的道路上，要将安全性、可靠性、节能性 作为主要提高标准，做到符合市场的新标准。完善自动化设 备应用，有助于提高我国整个行业的发展水平。

4）提升监控系统的严密性 在船舶监控系统自动化运营过程中，要对具体问题进行 具体分析，建立健全完整的管理控制系统和处理机制，提高监控系统的严密性。在实际工作的过程中，船舶会遇到各种 各样的问题，这时就需要自动化监控系统发挥作用，方便技 术工作人员进行维修处理，要整合监控系统，对监控信息进行统筹分析和整合，确保处理架构和发展框架更加有效。船舶监控系统作为船舶自动化的核心技术，具有稳定的信息传输能力，通CAN 总线技术和无线通信技术实现船舶的无 线网络远端监控，在进行网络远端监控的同时，应该对通信 方式进行加密，防止船舶信息泄露。在将来的船舶自动化发展的过程中，应该提高监控数据的精确度，对监控系统精密性进行提升。船舶自动化不仅促进了我国航海事业的发展，提高了企 业的经济效益，还强化了海运事业的安全保障。船舶自动化 的发展不只是技术上的研发，而是综合实力的发展，通信技术、互联网技术的稳定发展是自动化发展的基楚。

利用自动化装置代替人工直接操纵和管理船舶。船舶自动化能保证操作安全无误，改善劳动条件，减轻劳动强度，减少船员人数，提高船舶营运经济效益。自20世纪60年代以来，随着自动化技术，特别是电子技术的发展，船舶自动化发展迅速。船舶自动化主要包括轮机自动化、导航自动化和舾装自动化三个方面。

1）轮机自动化最早的应用是锅炉上装设安全阀，发电机组内安装调速器，在驾驶台上用操舵机操纵舵机等。以后进一步实现了某些单项或个别操作的自动化。例如在驾驶台用车钟直接操纵主机;根据电站负荷变化,使备用发电机投入并联运行或脱开；自动调节锅炉水位和压力、柴油机冷却水温度和燃油粘度等工况参数；自动启动和停止某些辅机，如空气压缩机、制冷机、舱底水泵；自动控制分油机排渣的时间顺序;某些重要的泵,如锅炉给水泵、燃油泵、主机的润滑油泵等发生故障时，备用泵立即自动切换；自动记录轮机日志和车钟车令，如发生主机润滑油压力低、主轴承温度高等严重现象时，主机自动减速乃至自动停车以保证安全；警报系统预报故障等等。这样就使除了维护、检修以外的值班管理工作全都自动化。60年代初期，出现了机舱全面自动化的船舶。它是在控制室中，利用远距离检测仪表和操纵装置，对机舱动力装置进行集中监视和控制。到60年代中期，在动力装置和自动化装置的可靠性有了充分保证的前提下，出现了机舱定期无人值班的船舶，这项技术成就已经得到一些国家船级社的承认。 2）导航自动化　船舶在海洋中航行，驾驶员要定时测定本船在海图上的位置，还要注意避免碰撞、搁浅、触礁等。在这方面，航海仪器取代了大部分人工操作。用船舶无线电导航设备代替六分仪测定船位，自动定位的误差在一定条件下可小于 1海里。用自动操舵仪代替舵工操舵，可以修正风浪引起的船舶航向偏差，船舶的航迹偏差比手工操舵的小,这意味着可以缩短航行时间,提高经济性。另外，还可以用航迹仪在海图上标示本船实际航线，代替航行时驾驶员的海图作业；用雷达探测周围海面上的船舶和岸线，为雾天航行创造条件；用气象传真图代替气象文字说明，使收取和阅读气象报告更为方便，内容更为详尽。船舶出入港口和系泊时，可通过船首电视了解船头水面情况，以便指挥带缆；在驾驶台上直接操纵主机，可提高操纵船舶的机动性。3）舾装自动化　船舶到港后的货物装卸，以及与其有关的事项，可以由自动化装置来完成。如油船装卸货油，可以按照装卸的先后顺序，根据液位检测信号，定时自动控制阀门的开或关，自动装卸货油和灌排压舱水，以避免船体受力不均匀而产生过度弯曲应力，并保证卸油时油泵不致吸空，装油时不会溢油。装卸重件货时，用自动压舱装置调节压舱水，使船舶首尾吃水和左右舷吃水适当。船舶装卸货和遇涨落潮时，系泊缆绳可用自动张力绞缆机收紧或放松。此外，还有全船的火警检测和自动灭火装置，根据货物品种使冷藏舱内保持不同温度的自动装置，以及船员生活场所的空调等等

PID为控制比例积分微分控制，是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，至今仍有90%左右的控制回路具有PID结构。在接下来的研究中我会通过学习将会进行以下工作:

（1）分别以船舶主机、冷却水、锅炉、分油机等作为控制对象，分析其特性； （2）从开环控制、闭环控制的角度研究各种控制系统的控制特点；

（3）分析研究PID控制方法与各种现代控制方法的优缺点

最终得到不同特性的控制系统选用何种控制方法的结论与成果。