W航向航技控制技术剖析

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1、第二章旬动舵船舶借助螺旋桨的推力和舵力来改变或保持航速和航向，实现从某港出发按计划的航线到达预定的目的港。由此可见，操舵系统是一个重要控制系统，其性能直接影响着船舶航行的操纵性、经济性和安全性。口动舵（Autop订ot）是维持船舶在预先设定的航向上航行的自动操舵控制装置。它根据船员的操舵规律设计，调节的对象是船，被调节的量是航向或航迹。自动舵能减轻劳动强度；及时纠正偏航；长时间较准确地保持在指定航向上，从而缩短航程，节约燃料，提高经济效益。第一节自动舵原理一、自动舵的结构白动舵是一个闭环系统，它包括：航向给定环节、航向检测环节、给定航

2、向与实际航向比较环节、航向偏差与舵角反馈比较环节、放大环节、执行机构；舵等，如图2-1。图2-1自动舵的方框图二、自动舵的工作过程1.-般自动舵当船首受外力等作用偏离预定航向时，装置立即动作，使舵叶偏转一定角度；如舵角度不够大，装置产生一个附加舵角；船首在舵作用下返回预定航向；未到达预定航向时，装置将舵叶回到屮间（回舵）；船首接近预定航向时，为减少船首向另一舷摆动的惯性，舵叶向另一舷偏过一个小角度（操反舵），以确保船首冋到原来航向。为适应船舶载重、吃水和海况的不同状况，自动舵设有必要的调节装置，如比例调节、压舵调节、航向改变调节和灵敏

3、度调节等（如图2-2）。航向保持模式有两种，分别适用于两种典型的海况：开放水域模式（OPENSEA）,适用于只需小幅度操纵导航的情况，如在大洋上航行，为的是节省燃料的费用。限制模式（CONFINED）,适用于大幅度的操纵情况，如在狭水道中航行，能提高航向维持的精确性。1.自适应自动舵1）普通自动舵的缺陷普通自动舵各调节旋钮是人工根据经验用手动方式进行调节和修正的，由此带來的后果是：精度差一操舵次数多一阻力增大一主机负荷加大、转速下降一为阻止转速下降一调速器工作一油耗增加，因此从节能角度来看，普通自动舵在操作中仍有不足之处。2）自适应自

4、动舵的优点自适应舵能根据船舶运动特性和海况的变化，自动地确定各项系数进行最佳控制，达到了减少操舵次数、减小舵角的目的，弥补了普通自动舵存在的不足。即能通过计算软件自动地选择节能方式和保向方式运行。3）自适应舵的基本工作原理自适应舵的主要由普通自动舵、数学模型、辨识装置组成。数学模型是供贮存、计算、比较和鉴别船舶运动特性Z用的组件。辨识装置是自动辨识船舶运动特性如载重量、吃水差、船速和海况等的组件。这种辨识是在船舶离港用手动操舵时就已开始，并在操纵过程屮不断更新模型。三、自动舵的类型及其特点按调节方式的不同，自动舵可分三种：比例舵，比例

5、一微分舵，比例一微分一积分舵。1.比例舵按偏航角＜p的大小来调节偏舵角

6、3,卩与（P成正比，调节关系为：0二-Ki（p。式屮：K】为比例系数，根据船舶类型、海况、装载情况等确定；-表示偏舵的方向与偏航方向相反,用以消除偏航。由于它没有考虑偏航角速度即船舶偏航惯性的影响，也没有考虑风流或螺旋桨不对称排出流等原因产生的恒值干扰的影响，所以航迹呈“S”形，现代船舶用得不多。1.比例一微分舵按偏航角和偏航角速度的大小來调节偏舵角0。调节关系为：0二-(Kg+KM(p/d"。式屮：K2——微分系数。偏舵角卩与偏航角(P和偏航角速度d(p/dt成

7、正比，K,.血根据船舶种类、装载和偏航惯性等加以选择和调整。由于增加了航向变化率d(p/df(即考虑了船舶偏航惯性的影响)，因而加快了给舵速度，能更好地克服船舶的回转惯性，使船舶较快地稳定在原定航向上，大大提高了维持航向的精确度。这种类型的自动舵比佼接近人工操舵。使用较为普遍。国产红旗5型属这一类型。在安装试航时需将参数&、&选择调节合适，否则反而会影响航行质量。2.比例一微分一积分舵：在自动舵的调节屮增加了与偏航角成积分关系的积分功能，调节规律为：0二-(Ki(p+K2d(p/dt+K3J(pdf)式中：K：,一积分系数，根据外界恒

8、值干扰调节。偏舵角0与偏航角(p、偏航角速度d(p/df和偏航角积分；(pdf成正比。积分调节功能的增加，能将风流或螺旋桨不对称排出流等原因产生的恒值干扰影响积累起来，并以此信号控制舵机，施反向舵角来平衡恒值干扰力矩的彫响，使船舶稳定在指定的航向上航行，进一步提高了船舶航行质量。H前，各国新型自动舵大多数采用这种类型的自动舵，但结构复杂，造价较高。国产红旗7型、航舵5L型为此类舵。第二节普通自动舵的使用一、操纵仪的操作模式操纵仪具有三种操作模式：自动操舵(CPU)、手动操舵(HAND).应急操舵QFU),根据需要可通过转换模式选择开关

9、(MODESELECTORSWITCH)来选择，如图2-3、4。图2-3操纵仪的操作模式(侧视)自动及人工操纵(CPU&HAND操纵)是由设置在舵轮台内部的放大器单元控制。该传感器采用的是无接触型线性同步电动机且电子线路