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History

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24_Ship_steering.md

File metadata and controls

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2.4船舶驾驶

  在船舶驾驶中有很多有趣的发展故事。由于大型船舶需要很大的力量去转动船舵,所以驱动成为了一个关键的问题。“伺服电机”一词由发明液压舵机的法国工程师Farcot所创造(Bennett, 1979)。这些提供驱动的装置是实现船舶驾驶自动化的重要组成部分,控制也得益于传感器的进步。

  在船舶驾驶方面取得的重大进展受到了探究陀螺效应的启发。基于陀螺效应收集的想法和发明的装置已经产生了重要的影响,被标志为“陀螺文化”(Mackenzie, 1990; Mindell, 2002, 2008)。

  首个陀螺罗经是由Anschütz-Kaempfe设计的,他在1905年创立了安修茨(Anschütz)公司。这个公司与Max Schule合作,Max Schuler是哥廷根大学应用力学研究所的负责人.他发明了一种巧妙的技术使得陀螺罗经对于船舶运动不敏感(Schuler tuning)(Schuler, 1923),同时他也在大学教授控制课程(Magnus, 1957; Schuler, 1956)。

  1910,Sperry创立了Sperry陀螺仪公司,该公司主要研究陀螺罗经与基于陀螺仪的很多其他装置。几年以后,Brown公司也开发了陀螺罗经,并因为知识产权同Anschütz打了几场官司(Mackenzie, 1990)。Sperry把陀螺罗经与电机连接到方向盘上获得了陀螺驾驶仪,通过观察有经验的领航员,Sperry发现:

“一个有经验的舵手应该会‘压舵’,也就是先回舵再将舵盘停在与回舵方向反向一点的位置,从而防止船舶的角动量过大使船舶错过它期望的航向。”

  Sperry尝试利用这种方式开发了一个机电设备,这个设计被妥善记录在Bennett(1979),Hughes(1993),和Mindell (2002)的著作中,他设计的是一个典型的PID控制器。压舵的函数通过微分作用获得,积分作用通过电机驱动方向盘获得。作用的大小常常基于开关设备,利用反馈获得线性行为。Sperry陀螺驾驶仪缓解了舵手通过调整舵来保持航向的乏味工作。陀螺驾驶仪可以调整控制器参数,也可以设置目标航向,还有一个杠杆可以连接和断开陀螺驾驶仪。Sperry的陀螺驾驶仪绰号为“Metal-Mike”,它是非常成功的。Sperry还提供了记录仪以便对比自动和手动驾驶的误差。在1932年,该系统安装超过了400个 (Hughes, 1993)。

  在船舶驾驶方面,一些有趣的理论进展归功于在圣彼得堡皇家技术学院就读的Minorsky (1922)。他提出了控制器的分类,并推荐在船舶航向控制中使用PID控制器。他的设计方法基于简单的线性模型,即今天我们所谓的极点配置法。Minorsky 测试了组建的自动驾驶仪,但是它没有商品化,而是把他的这个专利卖给Bendix (Bennett, 1993)。后来Minorsky成为了斯坦福大学的教授,并写了一本关于非线性振动的书 (Minorsky, 1962),在Bennett的书 (Bennett, 1979, p.147–148)和文章(1984)中,有趣地讨论了Sperry、Minorsky和Anschütz的贡献以及他们在自动驾驶仪设计方面的影响。

  船舶驾驶中新的控制问题出现在第一次世界大战期间,同海军现代化的强化计划有关(Bassett, 1950):

** “由陀螺罗经和数据发送中继器触发,自动将目标方位,炮塔角度,真方位角和船舶航向从甲板发送到绘图室再到炮的可能性开拓出新的广阔领域。”**

  目标方位和距离通常由船上瞻前顾后的光学设备测得。目标的预期位置可以计算得到,大型炮塔可以通过伺服机构瞄准。同步电机将信息从光学设备发送到计算机,或从模拟计算机发送到伺服机构。那时的计算机是使用盘-轮式积分器的模拟机电设备(Mindell, 2002),由福特仪器公司(Ford Instrument Company),通用电气公司和Sperry公司生产。

(有梦才能飞翔译)