船舶航行时,必须对船舶的航向进行控制。船舶运动呈一定的非线性且其动态特性与航行工况船型、装载、航速、吃水等密切相关,为了尽快地到达目的地和减少燃料消耗,总是力求使船舶以一定的速度作直线航行。这就是船舶航向保持的问题,也就是航向稳定性的问题。而当在预定的航线上发现障碍物或其他船只时,或者在很有限的航道内航行,必须及时改变船速和航向,这就是船舶航行的机动性问题。我们希望船舶既有良好的航向保持功能,又有灵敏的机动性。在船舶设计中,航向稳定性和机动性往往是矛盾的。一般说来,航向稳定性好的船舶,其航向机动性就差。最常用的航向控制装置是船舶自动操纵仪,即通常所说的船舶自动舵。本文研究面向船舶航向控制智能控制算法。

自从金融危机爆发以来,国际经济与贸易量下降,航运业受到了严重的影响一方面运费与租金在低位徘徊致使船舶营运收益下降,另一方面大量的新船加入到航运市场,加剧了运力供求的不平衡,航运面临的竞争更加激烈。同时,国际市场对船舶安全、环保要求日趋严格,国际海事组织不断推出新的规范、标准,高能耗、高污染的发展模式难以为继。

世界气候面临越来越严重的问题,二氧化碳排放量越来越大,全球灾难性气候变化屡屡出现,已经严重危害到人类的生存环境和健康安全,各国呼唤“绿色GDP”的发展模式和统计方式。

尽管金融危机的阴影还没有散去,但在经济全球化,世界经济一体化的大背景下,国际经济贸易依然在进行,由此导致对海上货物运输的需求在一定时期内依然存在。在世界经济尤其是航运经济与市场火爆时我们提倡船舶向大型化、高速化、智能化发展是有其合理性的大型化本质上是利用规模效益,高速化是为了加快资金的周转,智能化是为了减轻船员负担节省人力降低成本同时确保航行安全。

目前,气候危机将长期存在,金融危机的影响短期内难以消除,应对这双重危机需要采取相互支持的措施,并符合发展绿色经济的时代要求。海事工业站在环保领域的前列,对研究和创新作出坚定的承诺,先行一步实施新的环保解决方案。为了缓解运力的供求矛盾,一些公司选择低速航行,低速可以节省燃油、降低成本、也是发展低碳经济的要求。

低速航运在一些公司的集装箱船上已经成功应用,在散货船上应用的可行性还没有得到论证,但这并不意味着低速航运不可行,本文作者在探讨船舶航向智能控制的同时也将从船舶运动控制的角度探讨常规散货船降速到节航行的可行性。本文只是尝试着探讨,散货船低速航行具体可行与否还需要实践的检验。控制简单、可靠、物理意义明显,目前仍被广泛地应用在实际工程控制中,在船舶上也多有应用,其中最重要的是船舶航向控制,随着人们对控制研究的深入,经典的控制逐渐发展成自整定控制、自适应控制、增益规划式控制、鲁棒控制等改进型算法,并在一定程度上克服了经典控制参数整定困难、适应性差、鲁棒性差和控制精度较低等不足。

2. 研究的基本内容与方案

智能控制系统这一崭新的研究领域最早于1971年由著名的美籍华裔科学家傅京孙教授公开提出,同时他还指出相应的概念。

1985年8月,第一届智能控制学术讨论会在美国纽约召开,在这次会议把智能控制原理与智能控制系统作为主要议题,而智能控制作为一个新生学科诞生的标志则IEEE智能控制专业委员会的设立,经过多20年的发展,智能控制已经在国际上引起了众多学者的关注并发展成一门独立的学科,许多新颖的控制理论以及与之相关的控制器也大量出现并给人们的日常生活提供了方便。