航向_航迹自动操舵仪船舵控制系统的研制
第13卷第3期中国惯性技术学报 2005年6月文章编号：1005-6734(2005)03-0047-05
航向、航迹自动操舵仪船舵控制系统的研制
周永余, 陈永冰, 周 岗, 李文魁
（海军工程大学导航工程系，武汉 430033）
摘要：给出了采用数字模拟与物理模拟相结合的方法模拟海上实船环境的航向、航迹自动操舵仪船—舵控制系统的设计方案和实现途径，并介绍了该控制系统的软件设计，该系统为航渡任务的安全、顺利完成提供了有力保障。
关 键 词：自动操舵仪；罗经航向；模拟航向；模拟舵角；模拟船位
中图分类号：U666.1文献标识码：A
Design and Realization of Rudder Control
System for Ship’s Course and Track Autopilot
ZHOU Yong-yu, CHENG Yong-bing, ZHOU Gang, LI Wen-kui
(Department of Navigation Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)
Abstract: The design project and realization approach to simulate ship and rudder control system of course, track autopilot in real navigation environment are introduced which combine digital simulation with physical simulation. Its software designs are also given. The system can guarantee for accomplishing navigation task safely and successfully.
Key words: autopilot; gyrocompass course; analog course; analog rudder; analog trace.
0 概述
自动操舵仪是现代船舶上不可缺少的导航设备，其主要的功能是自动地、高精度地保持或改变船舶的航向，以保证船舶的平时安全航渡和恶劣环境时船舶的避碰。因此，自动操舵仪的性能优劣将直接关系到船舶航行的安全，并直接影响船舶的生命力[1]。
半个多世纪以来，虽然我国船舶航运的发展规模越来越大，但是船舶自动操舵仪的研制、生产和维修的调试环境却仍处于20世纪六、七十年代的水平。自动操舵仪在工厂的新产品装配后或在修理厂维修后，按理都应该对自动操舵仪的性能指标在实船环境中进行检测、调试，使性能指标满足设计要求，但实际上很难实现。
自动操舵仪每年都有新产品在制造厂研制、生产，自动操舵仪的维修在修理厂也是经常发生的。但是几十年来在自动操舵仪研制、生产和维修过程中没有一种有效的办法去实现按实船环境检测调整自动操舵仪的动态指标。制造厂和维修厂只能采用一种液压装置来模拟船舶的舵角进行线路的调试。由于该装置无法反映船舶动态航向的变化，航向或航迹控制电路只能凭经验进行粗调，要精确调
基金项目：国家自然科学基金资助项目（40376011）
收稿日期：2005-03-07
作者简介：周永余（1950—）男，海军工程大学副教授，从事舰船导航和组合导航的教学、科研工作。
48 中国惯性技术学报 2005年6月 整控制参数、检验自动舵控制性能，必须出海在实船上进行，這样需要耗费巨大的人力、物力和财力，代价非常大、效率很低，严重地影响调试任务的完成。因此研究能逼真地模拟自动操舵仪的舵机动态舵角的变化与舵角控制下的船舶航向、航迹变化的船—舵控制系统已成为急需解决的课题。
要建立一套能适合陆地使用的航迹、航向自动操舵仪的调试环境，主要解决两个关键问题：一是要建立从自动操舵仪输出到反馈信号形成过程的一整套数学模型，如电磁阀、电磁球阀、电液伺服阀、轴向变量泵等的运动模型、舵角—航向运动模型、船位运动模型、风流及海浪干扰模型等，还要考虑船舶的吨位、吃水、航行速度等因数。建模工作涉及面多、工作量大、计算复杂。二是要解决各环节的动态运动的模拟方法，尤其是最终反馈到自动操舵仪内部的舵角、航向和位置信号的具体物理实现。
1 航向、航迹自动操舵仪实船环境控制系统的基本方案和主要数学模型
1.1 基本方案
当自动操舵仪工作时，通过负反馈的控制方式，不断把陀螺罗经送来的船舶的实际航向与设定的航向值比较，将其差值放大后作为控制信号来控制舵机的转舵，使船舶能自动地保持或改变到给定的航向上。由于船舶航向的变化由舵角控制，舵角又由自动操舵系统控制，而反馈到自动操舵仪的陀螺罗经航向又取决于舰船的艏向变化，所以航向自动操舵仪工作时存在包括舵机（舵角）、船舶本身（航向角）在内的两个反馈回路：舵角反馈和航向反馈。对于航迹自动操舵仪，还需构成位置反馈。
由上可见，模拟船—舵实船环境的控制系统，主要涉及两个要素：舵机和船舶本身。由于装在大、中型船舶上的自动操舵仪的舵机均为液压舵机，对于生产厂家和修理厂不可能配备这样庞大而昂贵的液压系统；即使配备这样庞大的液压系统，还需作很大的改进才能在实验室作单功能使用；也可研制一种小型的液压舵机来模拟实际的液压舵机。但这两种方案有两个共同的缺陷：其一是无法进一步实现对船舶航向变化的模拟；其二由于现在自动操舵仪品种型号多，船舶的运动参数也不同，机械模拟器只能模拟一种舵型和船型，因此适用面窄。
实现船—舵控制系统的另一种可行的思
路是运用数字模拟和物理模拟相结合的方法
（系统方案如图1所示），其一是建立在自
动操舵仪控制下舵叶运动的数学模型及舵叶
对船舶航向运动控制的数学模型，将采集的
自动操舵仪相关输出的信号，通过数字模拟
的方法产生舵角数据、航向数据及船位。其
二是研制适当的外围硬件接口电路、控制部
件，以物理模拟的形式控制反馈到自动操舵
仪的舵角信号和船舶罗经航向信号。而通过物理方法使模拟器输出的舵角、航向及船位信号具有和真实设备完全相同的电气特性。采用这样的方案使得该控制系统具有通用性，可适用于不同的舵机(液压舵机或电动舵机)，通过有关参数的装订，模拟各种吨位、航速的船舶在干扰环境中的运动情况；还兼有模拟、测试、训练等多种功能。
1.2 舵角运动模型
设i β为舵角随动系统的输入控制信号，β为实际舵角，max β为最大舵角，T 1为时间常数。舵机随动系统可用微分方程表示如下：
第3期 周永余等：航向、航迹自动操舵仪船—舵控制系统的研制 49
)(max 1βββββ<=+??i T ， )(max max ββββ>= (1) 使用电磁阀控制舵叶液压机构时，控制信号i β为开关量，其大小可视为恒值。使用电液比例阀控制液压机构时，i β在一定的舵角差范围内是线性变化的。使用电磁球阀控制液压机构时，i β在一定的舵角差范围内是线性变化的，舵角差超出设定值i β为恒值。
)(10βββ<=i ； )(00βββ==i ； )(10βββ>?=i (2)
1.3 舵角对航向控制的模型
舵角对航向控制的模型就是船舶艏向?与舵角β的关系模型。船舶艏向?的变化方向及变化速度取决于舵角β，根据不同的海情和船况，人们建立了复杂程度不同的?-β模型。1957年日本科学家野本指出[1]，对航向稳定且在小舵角情况下的船舶，可用二阶K -T 方程较好地描述船舶的转艏响应，即：
β??K T =+??? (3) 其中，K 为回转性指数，T 为应舵指数。它们由船舶的方形系数、载重、航速等因数决定。当参数值已知时，便可通过采集瞬时舵角求出瞬时航向。 对于航向稳定的船舶，在受到风流、浪等外界干扰时，操舵比较频繁，可考虑用如下关于航向的三阶线性K -T 方程（Nomoto 模型）
???????+=+++ββ???32121)(KT K T T T T (4)
以上方程均在操舵角不大（β≤15°）的条件下成立。一般情况下，若考虑大舵角和非线性影响及舰船的不对称因素，由以下三阶和二阶非线性K -T 方程确定：
????????+=++++ββ?α???332121)(KT K T T T T ， β?α??K T =++????3
(5) 式中，α为非线性系数。
1.4 海浪干扰等效舵角模型[2]
海浪干扰的等效舵角模型由海浪引起的首摇扰动力矩M f 引起的等效舵角δ可近似认为与波高l 及波高的变化率d /d t l 有关，即有： 1sin cos f N ηαα=，111d (1)
d t
ηρρ=+?l l ；（0＜1ρ＜1） 22
1112112
122d d [(1)]sin cos [(1)](sin cos )d d f f C C t t C N C N KV ρρααρρααδ+?++?=+=l l l l (6) 式中，α为航向与浪向的夹角，ρ1、c 1、c 2、由试验确定。根据海浪形成滤波器及上述波高与力矩的关系，即可建立海浪与艏摇扰动的数学模型。
1.5 船位运动模型
本控制系统为满足航迹自动操舵仪的检测需要，可根据船舶运行参数，显示模拟船位、模拟GPS 定位信号、偏航量等数据，以便为航迹自动操舵仪提供位置信号。
船位运动模型[3]为：
S V V V x sin sin 21+=θ，S V V V y cos cos 21+=θ，∫+=t M y
t R V 00d ??， t R V t
N x d cos 00∫+=?
λλ (7) 式中，θ为航向角，S 为漂移角，λ为经度，?为纬度，R N 为地球卯酉圈曲率半径，R M 为地球子午圈曲率半径。
50 中国惯性技术学报 2005年6月2 航向、航迹自动操舵仪船—舵控制系统的实现
陀螺罗经航向控制系统、舵角反馈信号控制系统及船位控制信号的输出必须与真实设备有相同的电气特性。模拟控制系统的基本原理为：采用数字模拟和物理模拟相结合的方法，通过用舵角对船舶航向影响的数学模型来模拟船舶本体，用舵角随时间变化的运动方程来模拟舵机执行机构对舵角的控制，用模拟GPS定位信号、偏航量等数据来模拟船舶的位置，并把这三个数学模型纳入闭环系统中，然后通过采集自动舵的操舵控制输出信号，用数字模拟的方法产生舵角数据、航向数据和船位数据（均为数字量），再借助适当的外围接口电路和控制部件，用物理模拟的方法生成舵角反馈信号（模拟量）、航向反馈信号（模拟量）和船位相关信号到自动舵，构成自动舵的舵角、航向及船位三路控制。这就是船—舵控制系统用数字模拟控制系统和物理模拟控制系统相结合的设计思想。
自动操舵仪船—舵控制系统包括控制计算子系统、信号采集子系统、舵角模拟子系统、航向模拟子系统、航迹模拟子系统等。
1）控制计算子系统：用于数据装订、综合计算、海浪模拟、综合显示、分析辨识等。
2）操舵信号智能采集子系统：对于控制电磁阀形式的自动操舵仪，采集自动操舵仪输出的控制电磁阀的开关信号；对于控制电液阀的自动操舵仪，通过A/D采样电路采集其输出的电平幅值；对于电动舵机，采用单片机控制下的轴角-数字模块直接采集其控制的舵角信号。
3）舵角动态模拟子系统：包括舵角指令接收电路、舵角步进电机驱动电路，通过步进电机带动舵角反馈机构转动，产生电气特性与自动操舵仪实际使用中完全一致的舵角反馈信号、舵角指示信号。
4）罗经航向模拟子系统：包括航向指令接收电路、航向步进电机驱动电路、50Hz航向反馈信号输出电路、400Hz航向反馈信号输出电路。在实际使用过程中，罗经反馈到自动操舵仪的航向信号是通过自整角机输出的，因此在本系统中也使用了同样型号的自整角机来输出航向反馈信号，由航向步进电机来驱动两路自整角机。
5）船位反馈信号模拟子系统:用于计算、串行发送船位、偏航量等数据。
在自动操舵仪船—舵控制系统中，采用了分布式多微机结构体系。如采用一块高速单片机子系统控制步进电机驱动自整角机机组的方式模拟陀螺罗经航向，采用另一块高速单片机子系统控制步进电机驱动自整角机机组的方式模拟舵角反馈信号。舵角信号的计算、航向信号的计算均由工业级主控计算机完成，通过串行接口与信号采集发送装置通讯。主控计算机完成“数字模拟控制”的功能，根据有关模型实时计算要产生的舵角、航向、船位，计算的数学模型随舵型、船型的不同而不同。根据精度要求，数学模型及参数可通过主控计算机上的人机界面输入设定，通过人机界面进行参数装订、自动操舵仪性能分析，如超调量计算、振荡次数统计等。
该船—舵控制系统中还设计了对各种状态的自检功能，可自动检测模拟器系统内部的主要部件及主要电路的性能状况是否正常，从而保证了模拟的正确性和可靠性。
3 航向、航迹自动操舵仪船—舵控制系统的软件设计
船—舵控制系统软件由主控制台软件和信号采集发生器的单片机子系统软件构成。
3.1 主控台软件
主控台软件在中文WINDOWS200X平台上运行，实现参数装订、计算、显示及对信号采集发生器的控制。软件使用VB可视化语言编写，主要完成以下任务：
第3期 周永余等：航向、航迹自动操舵仪船—舵控制系统的研制 51
1）装订参数：装订船舵参数、船舶航向、航速，海流流向、流速、初始位置等船舶初始运动参数、海浪干扰参数等。
2）综合计算：根据计算模型计算船舶
舵角、航向、位置及导航参数。计算内容及
流程如图2所示。
运行控制：向信号采集发送装置发送控
制指令，实现对信号采集发送装置的管理。
控制指令包括： 自检指令—控制信号采集发送装置进行通讯、信号采集电路、步进电机驱动电路等的自检。
运行指令—向信号采集发送装置发送运行参数并启动控制系统运行、暂停、停止。
辨识指令—控制信号采集发送装置按照辨识自动操舵仪PID 参数的要求，产生特定的航向反馈信号，并采集记录自动操舵仪产生的操舵信号。
3）数据接收：接收由信号采集发送装置送来的舵角或舵机控制信号。
4）分析辨识：根据自动操舵仪的控制效果分析、辨识自动操舵仪的控制参数。
5）记录打印：记录动态模拟过程中船舶舵角、航向、航迹数据，提供打印支持。
6）通讯检查：发送指令给单片机子系统，进行通讯、零位、航向电机转动、舵角电机转动、自动操舵信号监测等多项检查。
7) 综合显示：以数字方式显示各种装订参数、实时运行参数；以图形方式直观地显示舵角变化曲线、航向变化曲线、船舶航迹曲线、设置的计划航线等；显示各种自检命令及结果。
8) 电子海图：在控制台上设计了简化电子海图，并可方便地设计计划航线及显示模拟航迹。
9）联机帮助：在线给出操作指南。
3.2 单片机子系统软件
信号采集发生器中的单片机子系统软件主要完成以下任务：
1）通过串行口接收主控台发出的指令和向主控台发送其需要的有关信号；
2）采集舵角自整角机信号或电磁阀信号，并将之发送给控制台；
3）根据指令实现对自动操舵仪的航向反馈、舵角反馈及舵角指示信号的物
理模拟；
4）对电路及相关各部分进行检测。
单片机子系统软件流程图（如图3所示）主要由复位模块、运行模块、步
进电机驱动模块、通信模块以及检测模块所组成。
4 航向、航迹自动操舵仪船—舵控制系统的主要特点
1）该控制系统可解决在实验室条件下无法对航向、航迹自动操舵仪进行按实船环境调试的难题，为自动操舵仪的生产、维修、训练提供了模拟实船环境的良好平台。
2）该控制系统可实现辩识自动操舵仪的数学模型，为自动操舵仪的生产、维修提供精确的量化数据，减少维修和调试的盲目性，可提高自动操舵仪生产、维修和调试的效率。
3）该控制系统通过装订不同的参数，可方便地模拟出适合不同船型(小型、中型、大型船和超大油轮等)、不同吨位、不同航速及不同海况下的船舶的运动操纵特性，获得不同的参数，使船-舵控制，苏益民，李文魁等. 卡尔曼滤波在罗经航向智能采集中的运用[J]. 中国惯性技术学报，2001，(3)：36-40.
第3期黄磊等：闭环光纤陀螺的输出误差特性研究55 4 结 论
降低闭环光纤陀螺的前向通道增益K1，陀螺模型参数中时间常数T随之增大，闭环光纤陀螺的零偏稳定性随之明显降低。其大致规律为：时间常数T减小2N，陀螺的零偏稳定性则减小约N倍。
降低闭环光纤陀螺的前向通道增益K1，陀螺模型参数中时间常数T随之增大。利用Allan方差分析出陀螺输出误差特性中的角随机游走、零偏不稳定性及速率漂移斜波在不同程度上均随T的增大而降低。
利用闭环光纤陀螺模型参数与输出误差特性之间的规律，有助于针对不同应用领域设计满足不同性能指标的陀螺，如对快速响应系统要求带宽大则可增加前向增益，同时零偏稳定性增大；对长时间工作系统要求低噪声则可降低前向通道增益，使零偏稳定性显著下降。
参考文献：
[1] 张树侠，柳贵福. Allan方差法在光纤陀螺随机噪声分析中的应用[J]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2002.
[2] IEEE Std952-1997. IEEE standard specification format guide and test procedure for single axis interfermetric fiber optic
gyros[S].
[3] 张桂才，王巍. 光纤陀螺仪[M]. 北京：国防工业出版社，1986.
(上接第51页)
系统的模拟舵角和模拟航向能逼真地符合船舶在海上航行的真实情况，以满足科研、生产、维修和检验自动操舵舵时对实船环境的要求。
4）该控制系统解决了舵角和航向信号的模拟精度[4]：采用了新技术、新器件，可使舵角和航向步进电机的步距角达0.045°，而回采航向的精度达0.075°，大大提高了轴角模拟信号的精度。
目前该控制系统已应用到相关制造厂、修理厂，加快制造厂的新产品的研制和生产的进程，保证维修质量，大大地节约人力和财力，使生产和维修达到一个新的起点，为航行安全提供有力的保障，具有很大的经济、社会效益。
参考文献：
[1] 周永余，高敬东. 舰艇自动操舵仪[M].武汉：海军工程大学出版社，2001：1-20.
[2] 黄继起. 自适应控制理论及其在船舶系统中的应用[M].北京：国防工业出版社，1992：172-176.
[3] 周永余，许江宁. 舰船导航系统导论[M].武汉：海军工程大学出版社，2004：25-60.
[4] 陈永冰，苏益民，李文魁，等.卡尔曼滤波在罗经航向智能采集中的运用[J]. 中国惯性技术学报，2001，(3)：36-40.
航向_航迹自动操舵仪船舵控制系统的研制
第13卷第3期中国惯性技术学报 2005年6月文章编号：1005-6734(2005)03-0047-05 航向、航迹自动操舵仪船舵控制系统的研制 周永余, 陈永冰, 周 岗, 李文魁 （海军工程大学导航工程系，武汉 430033） 摘要：给出了采用数字模拟与物理模拟相结合的方法模拟海上实船环境的航向、航迹自动操舵仪船—舵控制系统的设计方案和实现途径，并介绍了该控制系统的软件设计，该系统为航渡任务的安全、顺利完成提供了有力保障。 关 键 词：自动操舵仪；罗经航向；模拟航向；模拟舵角；模拟船位 中图分类号：U666.1文献标识码：A Design and Realization of Rudder Control System for Ship’s Course and Track Autopilot ZHOU Yong-yu, CHENG Yong-bing, ZHOU Gang, LI Wen-kui (Department of Navigation Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China) Abstract: The design project and realization approach to simulate ship and rudder control system of course, track autopilot in real navigation environment are introduced which combine digital simulation with physical simulation. Its software designs are also given. The system can guarantee for accomplishing navigation task safely and successfully. Key words: autopilot; gyrocompass course; analog course; analog rudder; analog trace. 0 概述 自动操舵仪是现代船舶上不可缺少的导航设备，其主要的功能是自动地、高精度地保持或改变船舶的航向，以保证船舶的平时安全航渡和恶劣环境时船舶的避碰。因此，自动操舵仪的性能优劣将直接关系到船舶航行的安全，并直接影响船舶的生命力[1]。 半个多世纪以来，虽然我国船舶航运的发展规模越来越大，但是船舶自动操舵仪的研制、生产和维修的调试环境却仍处于20世纪六、七十年代的水平。自动操舵仪在工厂的新产品装配后或在修理厂维修后，按理都应该对自动操舵仪的性能指标在实船环境中进行检测、调试，使性能指标满足设计要求，但实际上很难实现。 自动操舵仪每年都有新产品在制造厂研制、生产，自动操舵仪的维修在修理厂也是经常发生的。但是几十年来在自动操舵仪研制、生产和维修过程中没有一种有效的办法去实现按实船环境检测调整自动操舵仪的动态指标。制造厂和维修厂只能采用一种液压装置来模拟船舶的舵角进行线路的调试。由于该装置无法反映船舶动态航向的变化，航向或航迹控制电路只能凭经验进行粗调，要精确调 基金项目：国家自然科学基金资助项目（40376011） 收稿日期：2005-03-07 作者简介：周永余（1950—）男，海军工程大学副教授，从事舰船导航和组合导航的教学、科研工作。
船舶自动操舵仪故障分析及其解决方案
船舶自动操舵仪故障分析及其解决方案 作者：李成玉 摘要:文章分析了半导体分立元件和集成电路设计的自动舵工作原理,指出它们的缺点及其 故障产生的根本原因。应用可编程序控制器(PLC)技术研制的自动舵,克服了常规自动舵的缺点及其参数整定困难和控制效果的不足。自整定比例微积分调节器(PID)自动舵能够自动适应船况和海况的变化,实现无扰动切换、变增益调节、抗积分饱和、微分先行等功能,克服了舵机振荡。实船应用证明了该自整定比例微积分调节器船舶自动舵的有效性。 0引言 船舶自动操舵仪是保证船舶安全航行的重要设备,而舵机振荡出现的故障率最高。我国造船工业已具规模,每年生产艘数甚多的小型船舶,开发出性能可靠、价格合理的船舶自动操舵仪,完全可以得到推广和应用。针对船舶自动操舵仪出现的故障,分析了其控制单元的特点及工作原理,给出了通用的性价比高的技术解决方案。 1常规自动舵控制单元分析
1)半导体分立元件自动舵。 半导体分立元件正常工作需要一定的条件,若超出其允许的范围,将不能正常工作,甚至造成永久性的破坏。对于大功率管的功耗能力并不服从等功耗规律,其工作电压升高,其耗能功率相应减小。三极管在工作时,可能Uce并未超过BUceo,Pc也未达到Pcm,而三极管已被击穿损坏了。因此,使用半导体模拟元件要考虑di/dt、du/dt的影响,即使在其允许工作范围内也可能造成损坏。特别是外延型高频功率管,在使用中要防止二次击穿。元器件老化、特性飘移,引起性能下降、工作不稳定,故障率最高。 2)集成电路设计的自动舵。 集成电路与分立元器件组成的电路相比,具有体积小、功耗低、性能好、重量轻、可靠性高、成本低等许多优点。但同样对电源电压、温度、湿度等外界因素变化敏感,其内部又存在固有噪声,这些将引起回路特性和参数变化,降低其稳定性和可靠性。其功能扩展困难,难以调试,不能在线修改和故障诊断,对制作工艺要求很高。故障分析和排除十分困难。 3)舵机振荡出现的几率最高。 印刷电路板P. C. B要设法消除电路振荡,常用RC校正网络,在电路中加入电容C,或利用R、C元件进行相位补偿,改变电路的高频特性,从而破坏自激条件。 舵机抖动严重影响舵机工作和船舶航行,其发生的可能原因有舵机自
小型船舶的操舵装置
小型船舶的操舵装置 1.前言 船舶的自动化、省力化也渗透到了小型船舶。最近受劳动力不足的影响，甚至连只有数吨的渔船也装备起最新的电子仪器和省力的渔捞机械。 最近以来渔场逐步变得越来越远，到渔场去的驾驶已是相当繁重的劳动。特别是在一个人的时候，连吃饭时也得掌舵，真是够呛。 自动操舵装置(自动驾驶仪)却为我们一举解决了这些苦恼。只要用小的标度盘拨正了航向，说得过份一点就是睡着了船也会朝着那个方向驶去。 由于自动驾驶仪能使船沿直线驶向目的地，所以在缩短航行时间、延长渔捞作业时间的同时，其最大优点还可节约燃料。最近船上增加了这种自动驾驶仪，对主机的操作也可实行遥控，小型船舶的省力化更向前推进了一步。 但是这些装置并不能防止碰撞的危险，所以了望工作绝对不能松懈。 现将最近装备于小型渔船上的操舵装置举例说明如下。 2.操舵装置的种类 小型船的操舵方法有下列六种：(1)棒舵；(2)机械式；(3)手动油压式；(4)机动油压式； (6)电动式；(6)电气——油压式。 2—1棒舵 这是一种最古老而简单的装置， 仅仅是把舵柄装在舵轴上直接用人力 操纵。因为用的是人力，转舵扭矩有 限，逢恶劣夭气等情况甚为不便。 2—2机械式 设有舵轮，通过链条、齿轮、连 杆或钢丝绳等带动舵。图1是典型的 钢丝绳式舵机。 当然，舵轮是装在离舵很远的“操 舵室”中，即使遇到恶劣夭气也不会 淋湿。另外，使用减速器后可提高扭 矩，使舵变轻。 2—3手动油压式 舵轮上安装油泵，使它回转产生油压动力。舵轴 与油压执行器连接，油压执行器与油泵间配以管路， 由油泵产生的油压动力推动油压执行器操舵。 因油泵的驱动源是人力，所以产生的动力是有限 的，不过可把舵轮放大，以得到较大的转舵扭矩。如 图2.。 手动油泵内装有为防止油箱和舵产生逆压的阀件 等。 2—4机动油压式 手动油压式是依靠人力产生油压动力的，与此相 反，机动油压式是由主机、辅机或电动机等驱动油泵 产生油压动力的。 图3是机动油压式舵机。
船舶操舵仪与自动舵
船舶操舵仪与自动舵 [size=10.5pt]操舵仪有自动操舵仪（俗称电罗经或磁罗经操舵自动跟踪操舵仪）、随动操舵仪（俗称舵轮操舵，包括遥控操舵）和应急操舵仪（俗称手动操舵、手柄操舵），自动操舵仪是按照设定的航向直线运行；随动操舵仪是按照驾驶员的指令，按一定的舵角做回转运动，只要合理使用，能使船舶处于最佳航行状态；应急操舵仪是最简易可靠的操舵仪（缺点是精度太差，往往使船舶走S形，耗油严重）。 1、应急操舵仪是不存在操舵的精度，只要在规定的时间内（如24-28s）达到左右满舵，就行。 2、随动操舵仪比应急操舵仪精度高得多，因为它具备了简单的人机对话功能，所以应用的船舶最多（因为它成本低，尤其使用于近海航线）. 3、自动操舵仪是在随动操舵仪的基础上，利用电罗经或磁罗经（现在利用GPS）等设备，增加了航向的偏航信号，利用航向信号的偏差代替人工舵轮，这一部分性能的好坏，直接关系到航线的准确度 早期日本生产的ES-11、TG-3000、TG-5000等电罗经所配备的自动舵，性能稳定，价格低廉。但是随着使用寿命的延长，这些操舵仪有一个共同的通病。 1．自动状态走S形，0点不稳 2．随动状态左右舵角不平蘅，0点不稳 3．随动状态（包括自动）死角过大 4．舵震荡严重，继电器损坏过快，船舶震动严重 5．无法使用随动状态（包括自动） 对以上问题检修的办法 1．自动部分对2KC的震动和相敏整流进行检查 2．随动部分对舵轮和跟踪的5K电位器进行检查 3．对跟踪部分的电缆检查，有无漏电 4．对舵机执行部分的阻尼系统检查 通过以上检查，一般情况下都能得到解决 如果还是不行，可以更换价格低廉性能稳定的国产随动板和自动板，一步到位，彻底解决以上的5个故障通病，既快又好，省时、省力、省成本，
简述船舶操纵自动舵原理
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。
自动控制原理典型例题1
例1-1续1 如果操纵杆角仇改变了，而舟昔舵仍处于原位，则电位器 输出代工0,佟经放大后使电动机通过减速器连同船舵和输出电位计滑臂一起作跟随仇给定值的运动。当3(>=6,时，电动机停转，系统达到新的平衡状态，从而实现角位置跟踪的目的。 由上分析可见，操纵杆是输入装置，电位计组同时完成测量和比较功能，电压、功率放大器完成调节器工作，电动机和减速器共同起执行器的作用。 系统的原理方块图如下: ［例1-2］：“转速控制系统”之“开环控制系统”
原理图方块图 系统的给定输入量是比，扰动输入量是负载干扰M, 输出量是电动机转速n,被控对象是电动机。 作原理：将电压％经功率放大后获得百，由％驱动电动机旋转。5和n具有一一对应的关系，如当Ug=Ug［, n=n i°但是，当电动机的负载改变时，U° = U。］时，&可能n=n i+An,也就是说，比和n的关系是不准确的。——开环系统的输出易受到扰动的影响而无能为力。
［例1-2］续：“转速控制系统”之“闭环控制系统” 原理图方块图 工作原理：当负载扰动变化时（如变大），则4,^1, Ue = Ug-w\,n\o可见，该系统可以自动地进行转速调节, 以减小或消除偏差仏O ［例1-3］：用原理方块图表示司机沿给定路线行驶时观察道路正确驾驶的反馈过程。
司机根据眼睛观察到的汽车行驶路线、障碍物和汽 车的前进方向，估计汽车的前进路线。再由实际道路与 估计的前进路线的差距指挥手来操纵方向盘，以使汽车 实际 正确地沿道路前进。原理方块图如下: 道路 该系统中，输入量是道路信息，输出量是实际的行 车路线。大脑是控制器，手、方向盘和驱动机构是执行 元件，车体是被控对象。眼和大脑作为反馈装置。
船舶舵机控制系统改进设计【文献综述】
文献综述 电气工程及其自动化 船舶舵机控制系统改进设计 引 言 设计船舶自动操舵系统首先要确定船舶舵机的数学模型和船舶航行动态模型。船舶舵机的传动机构主要有两类,机械传动和液压传动。随着船舶排水量和航速的增加,舵机上的转矩迅速增大。采用机械传动机构的舵机其重量和体积将变得很大,同时它的效率较低,电动机的容量势必很大。因而目前大型船舶均采用液压传动舵机,甚至中小型船舶也不例外。 船舶舵机 船舶舵机是能够转舵并保持舵位的装置。舵机的大小由外舾装按照船级社的规范决定，选型时主要考虑扭矩大小。船用舵机目前多用电液式，即液压设备由电动设备进行遥控操作。有两种类型：一种是往复柱塞式舵机，其原理是通过高低压油的转换而作工产生直线运动，并通过舵柄转换成旋转运动。另一种是转叶式舵机，其原理是高低压油直接作用于转子，体积小而高效，但成本较高。 船舶操舵系统是实现船舶操纵功能的一个自动控制系统。它把电罗经，舵角传感器等送来的船舶实际航向信号，预定航向信号，及给定的各种限束条件自动地按照一定的调节规律进行信号处理，从而控制舵机，使船舶沿着给定的航向航行。由此可见，该系统的性能直接影响着船舶航行的操纵性，经济性和安全性。因此，船舶操纵系统的性能，一直被当作是一个具有较高经济价值和社会效益的重要问题，引起人们的关注。并吸引着世界各国一代又一代的工程技术人员围绕着进一步改善该系统的性能这一课题而不断地进行研究和探索。
自动舵 自动舵是根据电罗经送来的船舶实际航向与给定航向信号的偏差进行控制的。在舵机投入自动工作时，如果船舶偏离了航向，不用人的干预，自动舵就能自动投入运行，转动舵叶，使船舶回到给定航向上来。 电动—液压式自动舵 国产“HD—5L型自动舵应用半导体无触点控制的比例-微分-积分控制系统。驾驶室具有自动、随动及应急操作三种操舵方式。两套参数相同的放大器互为备用，通过转换开关选择其中一套为自动、随动操舵时使用。应急操舵为随动控制方式，单独使用一套放大器。该型自动舵有A、B、C、D四种型式。A型为电液伺服阀变量泵系统；B型为电磁换向阀、伺服油缸、变量泵系统；C型为伺服马达变量系统；D型为地磁功率阀定量泵系统，它们的电气系统基本上是一致的。 液压伺服系统 液压伺服系统是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。 电液伺服系统 电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。最常见的有电液位置伺服系统﹑电液速度控制系统和电液力(或力矩)控制系统 发展现状 众所周知，自动控制系统是自动控制理论在工业生产中应用的产物。船舶操舵系统也不例外。在自动控制理论发展的不同历史阶段，取得了不同的研究成果，开发出一代又一代新型的自动舵产品，为航运业的发展作出了巨大的贡献。
浅谈船舶转向机构及其自动化
浅谈船舶转向机构及其自动化 船舶转向控制的核心是船舶航向保持控制。船舶航向控制实际上应区分为两类控制问题:在航向设定值不变时进行航向保持和在设定航向变化时进行航向跟踪。对船舶航向的两种控制应该采取不同的控制策略。但是，为简化起见，也可只应用一种控制律，但辅之以对设定航向的变化进行某种平滑处理，可收到一定的效果。例如采用一种动态的航向设定方法，或者采用间接多模态控制方法。也有很多的采用变结构控制、模糊以及神经网络控制器来控制。在风浪中的控制方面，需要使用风浪模型。应该说船舶转向控制的研究主要集中在自动舵的航迹控制中。 １．船舶操纵系统概述 1.1船舶操纵装置的组成 船舶操纵装置由操纵机构(由安装在驾驶室的发送装置和位于舵机房的接收装置组成，这是操纵装置的指令系统)、舵机(它是转舵的动力)、传动机构(它是用来将舵机所发出的转矩传递给舵柱的设备)、舵叶等组成。根据可采用的控制方式以及所采用反馈信号的不同，可分为应急、随动、航向和航迹这四类主要控制方式。操舵仪不用任何反馈直接操纵舵机控制舵的方式称为应急方式;采用舵角量测反馈形成舵角控制闭环的方式称为随动方式;增加航向量测反馈形成航向自动控制方式称为航向方式;采用位置量测反馈形成位置自动控制闭环的方式称为航迹方式。一般将具有后两种方式的操舵仪称自动操舵仪。因此，自动舵控制系统可有三种工作状态，即随动舵工作状态、航向控制工作状态和航迹控制工作状态。绝大多数的自动舵都有前二种工作状态，航迹控制目前应用相对较少，但这是自动舵的一个重要发展方向。在随动舵工作状态下，自动舵系统仅控制舵的转动角度，其实质是一个舵角位置随动系统;在航向控制工作状态下，操舵系统是它的内环(舵角闭环调节系统)，因此，操舵系统的性能如何将影响航向和航迹控制，影响着船舶操纵性能。 1.2操舵系统的现状 目前船舶操纵系统中比较常见的操舵系统是典型的电液位置伺服系统。电液伺服系统综合了电气和液压两方面的优点，具有控制精度高、响应速度快、信号处理灵活、输出功率大、结构紧凑、重量轻等优点。因此应用极为广泛，凡是需要大功率、快速、精确反应的控制系统，都有它的身影。如在飞机、船舶、雷达、机器人，以及在机床、电炉电极自动升降恒功率等系统中都大量采用了电液伺服系统。 虽然大约从20世纪90年代至今，PID控制、自适应控制、鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制以及Bang-Bang控制、变结构控制、PWM(脉宽调制)、PCM(脉冲编码控制)、以及模糊神经网络等控制在电液伺服系统中逐步得到应用，使系统在满足系统性能要求的前提下，提高了其自适应性及鲁棒性。但在船舶操舵系
10遥控控制系统
Radio Control Systems 遥控系统 By Paul Williams. Article posted 1st March 2008. Problems with radio control systems seem to plague FE boaters. This is not surprising, given the harsh environment these delicate electronic components have to tolerate. High humidity, high temperatures, motor noise and vibration combine to make life difficult for receivers and servos. 遥控系统的问题对于竞速船是个麻烦事，因为这个精 致的电子设备必须忍受恶略的环境。高湿度，高温度，噪音，震动很容易缩短接受和舵机的寿命。 Blaming the environment, however, cannot mask the fact that many FE boaters do themselves no favours when fitting out their radio system. Some of the cardinal sins I've seen committed include cutting the original aerial wire. Do not do this. The aerial is meant to be a fixed unbroken length. Altering the tuned length and introducing connectors immediately compromises the receiver's ability to pick up a clean signal. Run the aerial wire vertically up and out of the boat through a length of thin plastic tube. 然而，抱怨环境是解决不了问题的。我曾经指出过，不可以减 短接受天线，改变天线长度或者加上一个连接器，立刻就会影响接受器接受信号的能力。让天线竖直，并且伸出舱外。 Cheaper radios often have very long aerial wires. Don't be tempted to coil up the excess length of aerial inside the boat. Run the whole length up and out, securing the aerial end to the base of the aerial tube. When the boat is running, the slipstream will pull the aerial into an open loop. 廉价的接受一般会有很长的天线。不要把天线缠绕的放置在船内。一定要让天线伸展开来，并且用天线座安装好，高速气流可能会把天线吹开。
船用自动操舵仪(标准状态：现行)
I C S47.020.70 U65 中华人民共和国国家标准 G B/T5743 2010 代替G B/T5743 1994 船用自动操舵仪 M a r i n e a u t o p i l o t 2010-09-02发布2010-12-01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
前言 本标准代替G B/T5743 1994‘船用自动操舵仪通用技术条件“三 本标准与G B/T5743 1994相比主要变化如下: 标准名称由 船用自动操舵仪通用技术条件 改为 船用自动操舵仪 ; 编排格式按G B/T1.1 2000作了修改; 增加了设计章节(4.4); 增加了接口要求(4.6); 修改了报警要求[4.3.6.1b)二4.3.6.3]; 删除了可靠性要求; 删除了霉菌要求三 本标准由中国船舶工业集团公司提出三 本标准由全国海洋船标准化技术委员会航海仪器分技术委员会(S A C/T C12/S C5)归口三本标准起草单位:九江中船仪表有限责任公司三 本标准主要起草人:于福岭二王继军二丁华二肖宁二段德智二张洪斌二郭玉芳三 本标准所代替标准的历次版本发布情况为: G B/T5743 1985二G B/T5743 1994三
船用自动操舵仪 1范围 本标准规定了船用自动操舵仪(以下简称操舵仪)的技术要求二试验方法和检验规则等三 本标准适用于船用自动操舵仪的设计二制造和验收三 2规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款三凡是注日期的引用文件,其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准,然而,鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本三凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本标准三 G B/T191包装储运图示标志(G B/T191 2008,I S O780:1997,MO D) G B4208外壳防护等级(I P代码)(G B4208 2008,I E C60529:2001,I D T) G B/T13306标牌 G B/T13384机电产品包装通用技术条件 C B/T3973 2005船舶与海上技术磁罗经在船上的定位(I S O694:2000,I D T) I E C60945:2002海上导航和无线电通信设备及系统一般要求测试方法和要求的测试结果I E C61162-1海上导航和无线电通信设备及系统数字接口第1部分:单通话器和多受话器3术语和定义 下列术语和定义适用于本标准三 3.1 自动操舵仪a u t o p i l o t 根据指令信号自动完成操纵舵机的装置三 3.2 自动操舵a u t o m a t i c s t e e r i n g 使船舶自动地稳定在给定航向上航行的操舵方式三 3.3 随动操舵f o l l o w-u p s t e e r i n g 使舵机按给定舵角指令转舵的操舵方式三 3.4 简易操舵o n-o f f s t e e r i n g 使舵机按给定转向转舵的操舵方式三 3.5 平均转舵速度a v e r a g e r u d d e r r a t e 舵叶从一舷满舵到另一舷满舵所转过角度除以该段时间的商值三 3.6 航向稳定度c o u r s e k e e p i n g a c c u r a c y 自动航行时,航向变化曲线与指令航向角直线之间所形成的面积之和除以该段时间的商值三
自动舵控制系统设计
自动舵控制系统设计 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。自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置，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。系统的调节对象是船，被调节量是航向。自动舵是一个闭环系统，它包括：航向给定环节；航向检测环节；给定航向与实际航向比较环节；航向偏差与舵角反馈比较环节；控制器；执行机构；舵；调节对象—船；舵角反馈机构等。自1922年自动舵问世到今天, 代替人力操舵的自动舵的发展确实取得了长足的进展, 在 相当程度上减少了人力, 节约了燃料, 降低了机械磨损, 但是 距离真正意义上的操舵自动化还有相。当大的距离。 一国内外研究现状 自70 年代起,国内一些科研院所、高校开展自动舵的理论与开发工作,并取得了不少成果,一些航海仪表厂家也独立或与研究所、高校合作开展了自动舵的试制和生产,其产品以模拟PID 舵为主。目前虽然国产自适应舵已经投入实船使用,但效果并不明显。智能控制舵还处于理论研究阶段,还没有产品化。航迹舵基
本上也处于研究阶段,还没有过硬的产品。 目前国外市场上有多种成熟的航向舵、航迹舵产品,其控制方法大多为比较成熟的自适应控制,例如日本Tokimec 公司的PR - 8000 系列自适应自动舵、德国Anschuz 公司的NAU TO CONTROL 综合系统中的自动舵、美国Sperry 公司VISIONTECHNOLOGY系统中的自适应自动舵等。近几年发展起来的智能控制及其它近代控制在自动舵上应用尚处于方案可行性论证及实验仿真阶段,还有待于进一步工程实现研究。 我国对自适应舵的研究起步较晚，自80年代以来，有关单位开展了对自适应舵的研究工作，发表了一些设计方案，仿真研究结果和产品。 1980年，南开大学袁著祉、卢桂章老师采用Norrbin性能指标，利用最小方差自校正控制器自适应律设计了船舶航向保持的自适应舵，发表了仿真结果。 1984年，中船总公司系统工程部林钧清利用最小方差自校正调节器，设计了自适应自动舵的软件，并进行了仿真研究。 1986年，大连海事大学陆样润、黄义新老师等人，采用了对偏航速率进行加权的最小方差自校正控制方案，进行了自适应舵的研制，他们先在实验室的实时仿真器上进行了联机实验，随后
agv舵轮回零、绝对值位置模式、驱动器简易使用手册
同毅自动化舵轮及IxL驱动器简易使用手册 目录 同毅自动化舵轮及驱动器简易使用手册 (1) 目录 (1) 一、确定产品型号与配件（硬件） (2) 1. 舵轮标准配线及接线 (2) 2. 端子定义 (3) 二、使用和调试说明（软件） (4) 1. 打开软件ServoApp 并导入XML文件（parameters_9623） (4) 2. 建立通讯 (4) 3. 参数设置 (4) 4. 设置完成以上参数 启动电机自学习 (5) 5. 电机试运行步骤 (5) 1) 电机数据刷新伺服使能 (5) 2) 控制模式选择 (5) 3) 电机状态反馈 (6) 6. 转向电机回零设置 (6) 三、通讯参数设置 (9) 四、同毅驱动Canopen建议使用方式 (10) 五、 同毅驱动MODBUS使用例程 (12)
一、确定产品型号与配件（硬件） 一台舵轮配两台驱动器：行走驱动器 、转向驱动器。 1.舵轮标准配线及接线 行走电机(驱动电机）： 一根编码器线（端子 16 针） 一根电机动力线（U,V,W 对应的驱动 C,B,A) 一根抱闸线 转向电机： 一根编码器线（端子 16 针） 一根电机动力线（U,V,W 对应的驱动 C,B,A) 限位开关（已经接好直接接在转向驱动I/O口） 中间限位（控制人员选择性使用）
2.端子定义 请参考 IXL-Ⅱ系列低压伺服驱动器用户手册 ！！！请按照按照电气标准正确接线
二、使用和调试说明（软件） 1.打开软件ServoApp 并导入XML文件（parameters_9623） 2.建立通讯 设置好波特率和串口后点击连接（点击串口扫描），右下角由“离线”变成“在线”说明连接成功。 3.参数设置 电机设置界面：设置电机额定转速、额定电流、编码器类型
船舶运动控制概述
船舶运动控制概述 随着经济全球化的加剧，现代物流业飞速发展，市场对进出口的需求越发的加大，造成了与之相应的航运自动化的繁荣发展，各种新的控制算法不断地应用于传播控制以提高营运的经济效益。作为大连海事大学自动化专业的学生，我们有必要了解船舶相关的知识，包括船舶运动控制，船舶控制系统，船舶导航等的相关知识。并将储备的知识运用到以后的学习与工作中。 一、欠驱动船舶的控制器设计 首先我们先来聊聊船舶的驱动。由于船舶动力驱动结构具有非完整约束和典型的欠驱动特性,而且航行条件的变化、环境参数的严重干扰和测量的不精确性等又使船舶运动呈现出大惯性、长时滞、非线性等特点,采用传统的船舶控制方法已经不能满足控制要求,必须探索新的船舶控制方法。 欠驱动系统是指由控制输入向量空间的维数小于系统广义坐标向量空间维数的系统，即控制输入数小于系统自由度的系统[1]。欠驱动船舶模型一般都具有非线性运动方程的形式，欠驱动船舶模型一般都具有非线性运动方程的形式，欠驱动船舶模型一般都具有非线性运动方程的形式，约束都是不可积的微分表达式,属于非完整系统。 研究欠驱动船舶的控制器设计也具有非常重要的现实意义。一个欠驱动船舶以较少数目的驱动器来完成航行任务,降低了系统的费用及重量,提高了营运效益,同时也会因控制设备的减少而降低船舶机械故障的发生率,使系统运行更加稳定而易于维护。更为重要的是,欠驱动控制同时对船舶完全驱动系统提供了一种备份控制技术。如果全驱动系统遇故障不能正常运行时,可采用欠驱动船舶控制策略,利用仍在工作的控制器对船舶进行有效控制,增大设备出现故障时系统的可靠性。 正是由于上述原因,对欠驱动船舶的控制研究得到了广泛重视并成为控制领域的研究热点之一[2]。作为一种特殊的非线性控制方法,欠驱动船舶控制技术的发展目前还存在着很多问题,有待于更多的科技工作者致力于深入的研究。为了促进欠驱动船舶控制技术的发展,本文在查阅有关资料的基础上,对欠驱动船舶数学模型、控制方法及其发展做了较为详细的综述,并对该领域存在的问题以及可能的发展方向进行了探讨。 如果把船舶作为一个刚体来研究,则船舶的运动有六个自由度,称之为横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和垂荡。考虑常规船舶水平面运动的控制,所关心的主要是船舶在水面上的位置和航向,而且就低重心的普通船舶而言,垂荡、纵摇和横摇对其水平面运动影响甚微,可以忽略。因此水面船舶的六自由度运动就可以简化为沿x方向前进、y方向横移及绕z轴旋转(艏摇)的三自由度运动。由于船舶的推进装置仅装备有螺旋桨推进器和船舵,也就是说系统只有2个控制输入(前向推力和旋转力矩),但需要同时控制船舶在水平面运动的3个自由度,因此对常规船舶平面运动的控制研究可归结为欠驱动控制问题。 上述的船舶的控制问题 ,船的质量和阻尼矩阵都假定为三角阵 ,船舶模型参数和环境干扰的不确定性也被忽略 ,都是在理想的条件下对船舶进行镇定Π跟踪控制。
自动控制原理课程设计实验
上海电力学院 自动控制原理实践报告 课名：自动控制原理应用实践 题目：水翼船渡轮的纵倾角控制 船舶航向的自动操舵控制 班级： 姓名： 学号：
水翼船渡轮的纵倾角控制 一．系统背景简介 水翼船(Hydrofoil)是一种高速船。船身底部有支架，装上水翼。当船的速度逐渐增加，水翼提供的浮力会把船身抬离水面(称为水翼飞航或水翼航行，Foilborne)，从而大为减少水的阻力和增加航行速度。 水翼船的高速航行能力主要依靠一个自动稳定控制系统。通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。因此，设计上要求系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。 航向自动操舵仪工作时存在包括舵机（舵角）、船舶本身（航向角）在内的两个反馈回路：舵角反馈和航向反馈。 当尾舵的角坐标偏转错误!未找到引用源。，会引起船只在参考方向上发生某一固定的偏转错误!未找到引用源。。传递函数中带有一个负号，这是因为尾舵的顺时针的转动会引起船只的逆时针转动。有此动力方程可以看出，船只的转动速率会逐渐趋向一个常数，因此如果船只以直线运动，而尾舵偏转一恒定值，那么船只就会以螺旋形的进入一圆形运动轨迹。 二．实际控制过程 某水翼船渡轮，自重670t，航速45节（海里/小时），可载900名乘客，可混装轿车、大客车和货卡，载重可达自重量。该渡轮可在浪高达8英尺的海中以航速40节航行的能力，全靠一个自动稳定控制系统。通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。因此，设计上要求该系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。
上图：水翼船渡轮的纵倾角控制系统 已知，水翼船渡轮的纵倾角控制过程模型，执行器模型为F（s）=1/s。 三．控制设计要求 试设计一个控制器Gc（s），使水翼船渡轮的纵倾角控制系统在海浪扰动D （s）存在下也能达到优良的性能指标。假设海浪扰动D（s）的主频率为w=6rad/s。 本题要求了“优良的性能指标”，没有具体的量化指标，通过网络资料的查阅：响应超调量小于10%，调整时间小于4s。 四．分析系统时域 1.原系统稳定性分析 num=[50]; den=[1 80 2500 50]; g1=tf(num,den); [z,p,k]=zpkdata(g1,'v'); p1=pole(g1); pzmap(g1) 分析：上图闭环极点分布图，有一极点位于原点，另两极点位于虚轴左边，故处于临界稳定状态。但还是一种不稳定的情况，所以系统无稳态误差。 2.Simulink搭建未加控制器的原系统（不考虑扰动）。
船舶操纵
4.4 船舶操纵控制 船舶操纵是指船舶驾驶员根据船舶操纵性能和风、浪、流等客观条件，按照有关法规要求，正确运用操纵设备，使船舶按照驾驶员的意图保持或改变船舶水平运动状态的操作。下面介绍现代船舶航向控制和船舶主机遥控操纵。 4.4.1 船舶操纵基本原理 船舶操纵是一个大系统，由人、船舶和操船环境三个小系统构成，如图4–24所示。该系统中，船舶驾引人员是主要组成部分，他们通过掌握和处理大量信息，将操船指令输人船 舶，使船舶保持或改变运动状态而达到预期的目的。图4–25为船 舶驾引人员操纵船舶流程。图中信息A 为本船运动状态，信息B 为自然环境，信息C 为航行环境，信息D 为操船手册。 操纵船舶运动的机构，主要有舵和推进动力装置。舵是船舶操纵的重要设备，操舵者通过操舵可以使船舶保持或改变其航向，达到控制船舶方向的目的。推进器是指把主机发出的功率转换为 推船运动的专用装置或系统，目前应用最广泛的推进器是螺旋桨。 螺旋桨分为等螺距螺旋桨、 变螺距螺旋桨、固定螺距螺旋桨（FPP ）和可调螺距螺旋桨（CPP ）等不同类型。 20世纪50年代以来，船舶自动化经历了单元自动化、机舱集中监测与控制以及主机驾驶室遥控等几个阶段。随后，由于计算机技术和自动化技术在实船上的应用，以及空间技术和通信技术的发展，使得船舶自动化由机舱自动化朝综合自动化和智能化方向发展。 螺旋桨转速舵 角锚的使用缆的使用 拖船的使用 图4–25 船舶操纵流程图 4.4.2 船舶航向控制 船舶航向控制的主要任务有二：一是保持航向；二是航向跟踪。航向操纵部分——自动操舵系统自1922年自动操舵仪（也称自动舵）问世到今天，已经历了机械式自动舵、PID 自动舵和自适应自动舵三个发展阶段，目前正处于第四个研究发展阶段——智能自动舵。 1. 自动操舵系统
DC-6X自动操舵仪
DC-6X系列自动操舵仪 1 概述 DC-6X系列自动操舵仪是一款具有航迹、航向、随动、应急等操舵功能的自动操舵仪。该系列自动操舵仪具有全数字化，集成度高，功能完备，可靠性高等显著特点。该系列自动操舵仪采用自适应控制算法，实时数据采集并学习后获取船舶操纵特性，自动计算最佳指令舵角，能够有效提高控制精度，减少无效动舵次数和舵机磨损，提高燃油经济性。 2 主要特点 1）安全可靠具有完全独立的两套控制系统，两套系统均可分别控制舵机，系统间互为热备份，可实时切换，提高了安全可靠性。 2）精准控制采用自适应控制算法，实时数据采集并学习后获取船舶操纵特性，自动计算最佳指令舵角，有助于减小由波浪等原因引起的无效转舵，提高燃油 经济性。 3）配置丰富采用标准模块式设计，方便用户选型与配置，硬件接口丰富，具备很强的可扩展能力，可根据用户的需求完成使用功能的定制，满足各种高中低 档功能配置要求。 4）操作简单采用多款彩色LED显示屏设计，人机交互简单，航行数据显示直观，可操作性更强。 5）数字接口全数字化设计，内部具有两组互为独立的CAN网络结构，节点增减方便，并且满足IEC61162-1要求。 6）易于维护自动检测并精准定位系统故障，同时提供直观图文操作和故障提示，便于及时操作和故障检修。 3 主要技术参数 1）工作温度 -15°— +55°
2）工作电压 舵机启动单元380V AC 50HZ 操舵台主电源220V AC 50HZ 操舵台应急电源24V DC 3）性能指标 航迹自动操舵 a)控制类别：Category C，所有航迹段均可以执行航迹控制的控制系统 b)航行模式：等航向模式、大圆航行 c)控制精度：3级海况下，航迹偏差小于100米 航向自动操舵 a)控制方法：自适应控制； b)控制精度： 表1 海况偏航角 1～2级≤1.0° 3～4级3±0.5° 5～6级6±1° c)航向设定参数调节精度：0.1°； 随动操舵 a)操舵灵敏度：≤1°（0.5°-1°可调）； b)跟踪精度：≤1°(正舵≤0.5°)； 4系统原理图 DC-6X系列自动操舵仪主要包括船舶航行控制和舵机动力控制两大功能。 船舶航行控制包含航迹、航向、随动、应急等控制功能，发出操舵命令控制船舶舵叶偏转。舵机动力控制部分主要控制舵机液压泵组的启动、停止以及舵机泵组运行报警信息的采集、发送及接收功能。当故障发生时，报警系统向驾驶室、集控室或其它远程报警单元发出报警信息，提示驾驶员及时检查。船舶航行控制和舵机动力控制的结合，共同实现船舶对舵
操舵装置操舵装置的控制系统
操舵装置操舵装置的控制系统 操舵装臵 能够使舵转动的装臵称为操舵装臵，通常指安装在舵机舱内的舵机和传动机构。根据动力源的不同，操舵装臵可分为电动操舵装臵和液压操舵装臵等；根据有关公约和规范，操舵装臵又分主操舵装臵和辅助操舵装臵。 主操舵装臵：系指在正常情况下为驾驶船舶而使舵产生动作所必需的机械、转舵机构、舵机装臵动力设备(如设有)以及附属设备和向舵杆施加转矩的设施(如舵柄或舵扇)。 其中，转舵机构系指将液力转变为机械动作转动舵的部件。舵机装臵动力设备指： (1)如为电动舵机，系指电动机及辅助设备； (2)如为电动液压舵机，系指电动机及辅助的电气设备，以及与电动机相连的泵； (3)如为其他液压舵机，系指驱动机器及其相连的泵。主操舵装臵应在驾驶室和舵机室都设有控制器。 辅助操舵装臵：系指在主操舵装臵失效时，为驾驶船舶所必需的设备。这些设备不成属于主操舵装臵的任何部分，但可共用其中的舵柄、舵扇或作同样用途的部件。 动力转舵系统：系指提供动力转动舵杆的液压设备，由1个或几个舵机装臵动力设备及辅助管路和附件，以及转舵机构所组成。各个动力转舵系统可共用一 些机械部件，如舵柄、舵扇和舵杆或作同样用途的部件。 (一)电动操舵装臵 电动操舵装臵主要是指电动舵机。它由电动机、蜗轮、小齿轮、舵扇、缓冲弹簧和舵柄等组成。 当由驾驶室操舵装臵控制系统遥控电动机转动时，通过蜗杆、蜗轮、小齿轮带动松套在舵杆的舵扇旋转，舵扇再通过缓冲弹簧推动键套在舵杆上的舵柄，从而使舵杆和舵偏转。
采用蜗杆蜗轮的传动方式主要是为了获得较大的减速比，以增大转矩；同时，可以利用其机械传动中的自锁作用，防止舵叶在受外界冲击作用下发生逆转现象，从而起到保护电动机的作用。缓冲弹簧的硬度较大，平时在正常的力作用下，弹簧不会变形，并能顺利地传递转舵力矩；当舵叶受到外界巨大的冲击力作用时，弹簧能吸引冲击能量，起保护舵机的作用。 电动舵机结构简单，操作方便，传动可靠，维修方便，所以广泛使用于中小型船舶。 (二)液压操舵装臵 液压操舵装臵主要是指液压舵机，液压舵机也称电动液压舵机或电液舵机。它是利用电动机带动一主油泵运转，当有操舵信号时，主油泵开始排吸油，产生的高压油通过管路系统进入转舵油缸，推动油缸中的柱塞或叶片运动，从而带动舵杆、舵叶转动；当舵转至要求的角度后通过反馈系统使油泵停止排吸油，舵就停止在所需的舵角上。 液压舵机具有噪声小、体积小、重量轻、转矩大、传动平稳，能实现无级调速，易于遥控和容易管理，操作方便，在操舵次数频繁时仍有较高可靠性等优点，为现代船舶广泛采用。 常见的液压舵机有柱塞式和转叶式两大类。 1.柱塞式液压舵机 柱塞式液压舵机也称往复式液压舵机。目前，船上常用的有二缸柱塞式液压舵机和四缸柱塞式液压舵机。 柱塞式液压舵机一般由转舵机构、动力源和操纵追随机构三大部分组成。 动力源由电动机、主油泵、辅油泵和控制阀箱等组成。电动机带动丰、辅油泵供给工作需要的各种压力油，安全控制阀是起保护作用和对压力油的分配。 转舵机构由油缸、柱塞和舵柄等。当操舵装臵控制系统启动电机带动变苗泵
浅谈对船舶操舵装置的检查
浅谈对船舶操舵装置的检查 船舶的操舵装臵是使舵产生动作，从而使船舶航行中改变航向及旋回运动的主要设备，也是船舶安全检查工作的一项重要内容，但长期以来由于受各种因素影响，我们往往忽视对这方面的检查，或是检查仅局限于表面。而操舵装臵是否处于良好可用的技术状态是关系到船舶航行安全的大事。作为主管机关必须在安全检查过程中加强对操舵装臵的检查，下面就如何检查船舶操舵装臵谈一点浅见。 一、船舶操舵装臵的种类。操舵装臵的种类和形式较多，但目前海船常用的操舵装臵主要有电动和液压两种，人力操舵装臵仅作为小型船舶的辅助操舵装臵。 二、SOLAS1974公约及其修正案和国内现行《海船法定检验技术规则》对操舵装臵的基本要求。 1、对操舵装臵的一般要求 （1）除下述4.（4）各款规定外，每艘船舶（国内500总吨以上的货船及所有客船）均应设臵一个主操舵装臵和一个辅助操舵装臵； （2）所有操舵装臵的部件和舵杆应为坚固和可靠的构造； （3）主、辅操舵装臵的布臵应使两者中之一在发生故障时，不致导致另一装臵不能工作。 2、主操舵装臵和舵杆应满足
（1）具有足够强度并能在最大营运前进航速时进行操舵，使舵自任一舷的35°转至另一舷的30°所需的时间不超过28S； （2）为了满足上述（1）的要求，当舵柄处的舵杆直径（不包括航行冰区的加强）大于120mm，该操舵装臵应为动力操作； （3）设计成在最大后退速度时不致损坏，但这一设计要求不需用最大后退速度和最大舵角进行验证。 3、辅助操舵装臵应满足 （1）具有足够的强度和足以在可航行的航速下操纵船舶，并能在紧急时迅速投入工作； （2）能在船舶最深航海吃水和最大营运前进航速的一半，但不小于7Kn时进行操舵，在不超过60S内将舵自一舷15°转至另一舷15°； （3）为了满足上述（2）条的要求，在任何情况下，当一舵柄处的舵杆直径（不包括航行冰区的加强）大于230mm时，该操舵装臵应为动力操作； （4）人力操舵装臵只有当其操作力在正常情况下不超过160N 时方允许装船使用。 4、主、辅操舵装臵动力设备的布臵应满足 （1）当动力源发生故障失效后又恢复输送时，能自动再启动； （2）能从驾驶台控制使其投入工作； （3）任何一台操舵装臵的动力设备在失电时，应在驾驶台发出声、光警报；