知识问答

简述船舶操纵自动舵原理 
摘 要：船舶操纵的自动舵是船舶系统中的一个不可缺少的重要设备，是用来控制船舶航向的设备，能使船舶在预定的航向上运行，随着现代科学技术的不断进步，各种先进仪器的使用，使得船舶操纵开始向智能化方向发展，本文就船舶操纵自动舵的构成和工作原理方面进行了综述。

 
关键字：船舶 自动舵 现代船舶自动化  
船舶操纵的自动舵是船舶系统中的一个不可缺少的重要设备，是用来控制船舶航向的设备，能使船舶在预定的航向上运行，它能克服使船舶偏离预定航向的各种干扰影响，使船舶自动地稳定在预定的航向上运行，是操纵船舶的关键设备。它的性能直接关系到船舶的航行安全和经济效益。代替人力操舵的自动舵的发展在相当程度上减少了人力，节省了燃料，降低了机械磨损，直接影响到船舶航行的操纵性、经济性和安全性。

 
舵机装置由操舵装置、舵机、传动机构和舵叶四部分组成。
 
（1）操舵装置：操舵装置的指令系统，由驾驶室的发送装置和舵机房的接受装置组成。

 
（2）舵机：转舵的动力。
 
（3）传动机构：能将多机产生的转舵力矩传递给舵杆。
 
（4）舵叶：环绕舵柱偏转，承受水流的作用力，以产生转舵力矩。
 
在自动操舵仪中，按控制系统分类可分为三种操舵方式：  
（1）直接控制系统或称单舵系统、应急操阿舵。
 
（2）随动控制系统。
 
（3）自动操舵控制系统，又称自动航向稳定系统。
 
自动操舵适用于船舶在海面上长时间航行．随动操舵供船舶经常改变航向时使用，如在内河、狭航道区和进出港口。当自动航向／航迹、随动操纵出现故障时，可用应急的简单操舵，直接由人工控制电磁换向阀．使舵正、反或停转。

 
原理：利用电罗经检测船舶实际航向α，然后与给定航向K°进行比较，其差值作为操舵装置的输入信号，使操舵装置动作，改变偏舵角β。在舵角的作用下，船舶逐渐回到正航向上。船舶回到正航向后，舵叶不再偏转。

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自动舵的控制原理：  
（1）比例舵（P舵）  
比例舵操舵的规律是：偏舵角β的大小与偏航角φ的大小成比例关系，即： 
 
β=-K1φ（2-1）  
β：偏舵角，K1：比例系数，φ：偏航角，-：偏舵角方向是消除偏航。
 
K1是可调的比例系数，一般根据船型、吃水、装载量来确定。但船舶载荷增加（惯量J加大）而且航速变慢，使周期T变长。为了缩短周期使船舶偏航迅速消除，就可加大K1。随船型而不同，对万吨船来说，一般为2~3，即偏航1°时，偏舵角为2~3°。比例系数过大，将使船舶偏航振幅加大。因此比例操舵虽然简单、可靠，但航向稳定精度较差。当受一舷持续偏航力矩作用时，不能保证船舶的定向航行。

 
性能：可消除偏航。
 
特点：机构简单，航行保持精度较差，船舶营运经济性较差（会出现S形航迹）。

 
比例舵的不足：偏航初期偏舵角较小，不能很快阻止船舶继续偏航；回航过程中船舶具有惯性，偏舵角不能及时减小，容易反向偏航。

 
（2）比例——微分舵（PD舵）  
比例-微分舵操舵的规律是：偏舵角β的大小与偏航角φ的大小成比例-微分关系，即： 
 
β=-（K1φ+K2dφ/dt）（2-2）  
（表示偏舵角与偏航角和偏航角速度成比例）  
如果传播偏航速度大，产生的-K2dφ/dt也大，则舵角β就增加，船回航时dφ/dt变号，使回舵角增加。

 
微分部分作用是保证偏舵速度和偏舵角，从而能教好地克服船舶惯性，提高航向的精度，减少船舶的s航迹，使船舶较快的稳定在正航向上。

 
原理：船舶回到正航向前，已受到微分部分的反向舵作用，从而能有效地阻止因惯性 
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而向反方向的偏航。微分舵又叫纠偏舵、稳舵角或反舵角。偏航初期，偏航角变化率大，比例-微分舵能及时给出大偏舵，有效地阻止船舶偏航（最大偏航角较小）；回航时，偏航角变化率变为负值，能适时给出反舵角，阻止船舶反向偏航，即能有效阻止反向偏航。

 
主要特点：具有“超前校正”的控制作用，减小船舶航向的振荡，减轻舵机负担，增加航速，提高系统灵敏度和船舶的营运效益。

 
（3）比例——微分——积分舵（PID舵）  
组成：是在比例-微分舵基础上增加积分环节。
 
β=-（K1φ+K2dφ/dt+K3òφdt）（2-3）  
积分环节作用是——克服不对称偏航。K3是积分系数。
 
积分环节工作原理：积分环节可以对偏航持续时间进行累积，当某舷（侧）偏航持续的 
 
时间比另一舷（侧）持续时间长时，通过环节输出的信号（偏舵角）将继续保持，这个信号将通过执行机构使舵叶维持在一定的偏转角度上，从而使船舶具有克服单向偏航的能力。

 
由于卫星、计算机、雷达技术在船舶上的应用，现代船舶自动化程度相当高，自动操舵仪开始向智能舵发展。但是不管怎样发展，虽然它们的控制规律各不相同，但控制的目的是一致的，即能按照偏航角的大小转动相应的舵角，并使船舶尽快地到达规定的航向。