自动舵的发展及其特性
自动舵
号，且其极性反映交流信号的相位，大小反映交流
信号的幅值。能完成此功能的整流电路称为相敏整
流电路。
1、环形相敏整流电路
5
+ Eref 6 + Eref R11 7 Ein Rf Uout D6 D5 R12 D3 D4
相敏整流电路分析
条件：参考（调制）电压远大于输入电压 5 正半周
Eref ＋5 Eref 6+
2 RRf Uout if * Rf Ein r( Rf 2 R) 2 R( Rf R)
波形
Eref
Ein
Uout
2、整流桥式相敏整流电路
U * +
* E0
U1
* E0
-
3、晶体管调制解调器
4、运算放大器相敏整流电路
二、灵敏度调整电路
偏航信号
三、比例、微分、积分电路
偏航信号输入
• 舵机
舵机 [Steering Gear]
一、泵控型液压舵机
防浪阀(双联溢流阀)： 太软：无法转舵 防冲击，沟通高低压油路 储能弹簧 太硬：不起作用
ACB：浮动杆追随机构[Float Hunting Gear]
三点浮杆追随机构原理
作用：加快转舵速度 操纵杆 A A1 A2
变量控制杆
C
C1
反馈杆 B2 B1 B
即使这种单侧偏航角度超过灵敏度,但不对称偏航所引 起的偏舵也是不对称的.因此时间长了，船舶也会出现 单侧偏航.实际航海中,通常人为压一个合适的舵角航行， 以纠正单侧偏航。 实现积分控制的方案: 1、电动机积分环节：
UC
UC
U
UI
2、热积分环节：
偏航加热器
UI
自动舵
6、设舵机失电报警和舵机电动机过载报警，但不设 过载保护。
7、在船舶高速满载情况下，舵应能自一舷35°转至 另一舷35°。且所需时间不超过28秒。辅助舵机小 于60秒。 9、在驾驶台设有舵角指示器，其与操舵指令和实际 舵角的误差＜1°。
10、自动操舵仪应具有自动、随动和应急三种操舵 方式，且能方便转换和相互联锁。 11、舵杆直径>230mm的舵机，45s内提供替代动力； 1万Gt以上工作 30min, 其他工作10min。
安全阀： 伺服 溢流节流阀： 调速
活塞最大输出力
§4-4 自动操舵的控制规律
一、按比例控制的自动操舵
k p
式中 *
Kp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。
* kU U
+
R
R
U K
- +
U
UC
U K U U U C (U U C ) U
或
M
M
U U UC
UC
四、自动操舵仪中的常用调节环节 1、比例舵角调节 2、反舵角调节（微分舵，制动舵，纠偏舵） 3、灵敏度调节。天气调节。调节规律为：风平浪静， 灵敏度高；大风大浪，灵敏度低。
舵角反馈信号
§4-6 典型线路分析-安修斯自动舵
一、安修斯自动舵的特点及性能 1、属比例、微分、积分型航向控制系统 2、有自动和随动两种操舵方式。无应急操舵。 3、自动和随动操舵系统各自独立。除液压舵机的 控制电磁阀共用外，其信号传递、综合、变换均采 用两个通道，由选择开关进行选择和联锁。提高了 可靠性。
第5章 船舶操纵设备2
它的偏舵角和偏航角的关系是：
式中：k1-比例系数； k2-微分系数； k3-积分系数。 特点：1）能加快给舵速度 2)能自动消除单侧偏航角 3)结构复杂，造价高 4)比较完善的自动舵 综上：比例系数k1根据船型、海况、装载情况调节。 微分系数k2根据船舶偏航惯性调节。 积分系数k3根据风流或螺旋桨不对称产生单侧干扰调节
第八节 操舵要领及注意事项
1.按舵角操舵 舵工在听到值班驾驶员下达舵角舵令后，应 立即复诵并迅速、准确地把舵轮转到所命令的舵 角上，及时报告。在值班驾驶员下达新的舵令前， 舵工不得任意更动舵的位置。 船舶在进出港、靠离泊及海上采取避让措施时通 常采用按舵角操舵的方法。
第八节 操舵要领及注意事项
第六节 自动舵
四、自动舵的使用操作程序 各种类型的自动舵都和罗经、舵机组合起来， 并且都具有自动、随动和手柄（应急）三种操舵方 式。下面以图5-34所示国产红旗-4型自动操舵仪为 例，说明自动舵的使用操作程序。
第六节 自动舵
图 5-34 红旗－4型操舵仪
1-选择开关（selector switch）； 2-分罗经调节孔（compass louver）； 3-灵敏度（sensitivity）； 4-压舵（meeting rudder）； 5-微分调节（differential coefficient controlling）； 6-分罗经（compass repeater）； 7-舵角指示器（helm indicator）； 8-灯光（lighting）； 9-航向改变（course changing）； 10-比例调节（proportional controlling）； 11-机组开关（unit switch）； 12-电源开关（power switch）； 13-应急舵控钮（jury rudder controlling）
船舶自动舵控制技术的发展.doc
船舶自动舵控制技术的发展摘要：介绍了船舶自动舵的控制方法，结合当前航海科学技术的发展，提出了船舶自动舵系统的功能集约化、远程络化、装备内河化、无人驾驶化的发展趋势及其应用需要注意的问题。
关键词：自动舵；航向保持控制；自适应控制；智能控制船舶自动操舵仪（Autopilot），俗称自动舵，是根据指令信号自动操纵舵机，实现船舶在给定航向或航迹上航行的助航系统。
随着计算机、通信及控制技术的发展，船舶自动舵正向智能化和综合型发展。
性能优良的自动操舵仪可以减轻舵手的劳动强度，高精度的保持船舶航向、航迹，减少偏航次数及偏航值，提高船舶的安全性、操纵性和经济效益，因此一直受到国内外很多研究人员的关注。
1 船舶自动舵的控制方法自动舵的发展大体分为四个阶段：机械式自动舵、PID自动舵、自适应自动舵和智能自动舵。
1.1 机械式自动舵船舶自动舵的历史起源于陀螺罗经的发展。
1911年，El-mer Sperry将陀螺罗经应用于船舶自动转向，通过反馈控制和自动进行舵角修正，实现模拟人工操作。
此种自动舵的精度比较低，被称为第一代自动舵。
1.2 PID自动舵20世纪50年代，出现了集控制技术和电子器件发展成果于一体的PID自动舵。
经典的PID控制器结构方程为：δ=K1φ+K2φ+K3？φdt式中δ、φ分别为舵角信号和航向偏差信号；K为比例常数；K3？φdt为抵消风力矩的航向偏差积分项。
由上述经典方程可以看出，PID自动舵的控制参数较少、结构简单，易于推广应用。
然而，当船舶处于恶劣海况等复杂航行条件下时，人工调节参数无法满足外界条件的随时变化，降低了PID自动舵的适应性。
1.3 自适应自动舵随着自适应控制应用于船舶自动舵设计，大大提高了航向控制的精度，提高了恶劣海况条件下自动舵的适应性。
陆祥润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究，该自动舵比PID自动舵具有更好的控制效果。
船舶自动化发展现状
船舶自动化发展现状随着科技的不断进步，船舶自动化技术也在不断发展，逐渐成为航运行业的一个重要趋势。
本文将从船舶自动化的定义、发展历程、应用领域、优势和挑战等方面进行详细阐述。
一、船舶自动化的定义1.1 船舶自动化是指利用先进的控制系统和无人驾驶技术，实现船舶的自主导航、自动操纵和自动监控。
1.2 船舶自动化技术主要包括自动舵、自动导航、自动泊位、自动货舱管理等功能。
1.3 船舶自动化技术以提高船舶安全性、节约人力成本、提高运输效率为主要目的。
二、船舶自动化的发展历程2.1 20世纪80年代，船舶自动化技术开始萌芽，主要应用于船舶的导航和操纵。
2.2 21世纪初，随着无人驾驶技术的发展，船舶自动化技术逐渐成熟，应用范围不断扩大。
2.3 目前，船舶自动化技术已经进入智能化阶段，实现了船舶的全自动化运行。
三、船舶自动化的应用领域3.1 船舶自动化技术主要应用于远洋航行、港口操作、海上救援等领域。
3.2 在远洋航行中，船舶自动化技术可以大大提高船舶的航行安全性和航行效率。
3.3 在港口操作中，船舶自动化技术可以实现船舶的自动停靠、自动卸货等功能，提高了港口作业效率。
四、船舶自动化的优势4.1 船舶自动化技术可以减少人为操作失误，提高船舶的安全性。
4.2 船舶自动化技术可以节约人力成本，提高船舶的运输效率。
4.3 船舶自动化技术可以提高船舶的环保性能，减少对海洋环境的污染。
五、船舶自动化的挑战5.1 船舶自动化技术的成本较高，需要大量的投入和研发。
5.2 船舶自动化技术的安全性和可靠性仍然存在一定的挑战，需要不断改进和完善。
5.3 船舶自动化技术的标准化和规范化工作尚需加强，以确保船舶自动化技术的稳定性和可持续发展。
总结起来，船舶自动化技术是航运行业的未来发展方向，虽然面临一些挑战，但随着技术的不断进步和完善，相信船舶自动化技术将会在未来取得更大的突破和发展。
简述船舶操纵自动舵原理
简述船舶操纵自动舵原理-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1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。
自动舵的发展及其特性
自动舵的发展及其特性自动操舵控制装置，简称自动舵autopilot，是在随动操舵基础上发展起来的一种全自动控制的操舵方式。
它是船舶运动控制问题中具有特殊重要性的一个系统，用于航向保持/航向改变/航迹保持控制。
它是根据陀螺罗经的航向信号和指定的航向相比较来控制操纵系统，自动使船舶保持在指定的航向上。
由于自动舵灵敏度和准确性都较高，它替代人工操舵后，相对提高了航速和减轻了舵工的工作量。
早在20世纪20年代已出现商品化的机械式PID自动舵用于商船的航向保持。
在此后的历史进程中，随着科学的发展和技术，工艺的进步，自动舵的构造变化巨大，电气式，电子式，微型计算机化的产品相继问世。
目前商船均配置有自动舵，当定向航行且航区没有其他船往来时，则可改手操舵为自动舵。
船舶借助螺旋桨的推力和舵力来改变或保持航速和航向，实现从某港口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的控制系统，其性能直接影响着船舶航行的操纵性，经济性和安全性。
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。
自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置。
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；给定航向和实际航向比较环节；航向偏差与舵角反馈比较环节；控制器；执行机构；舵；舵角反馈机构等。
舵系统的性能主要是由控制器的性能决定的，因此自动舵的技术发展，也主要表现在控制技术的推陈出新。
自动舵的发展是随着自动控制理论和技术的发展而发展。
在自动控制理论和技术发展的不同阶段，取得了不同的研究及应用成果，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。
自动舵的发展及其特性：船舶在海上航行时，由于受到海风，海浪及海流等海洋环境扰动的作用，不可避免地要产生各种摇荡和航向改变，其运动形式可以分为两大类：一是船舶的操纵运动，另一个是船舶的摇荡运动。
船舶自动舵的发展
船舶自动舵的发展0942813220 刘磊摘要：综述了航海自动舵的技术史和今后发展趋向以及就船舶操纵自动舵的工作原理和方法方面进行了综述。
关键词:自动舵技术发展过程自动舵发展趋向自动舵的原理自动舵的工作方法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。
本文在展望人工智能控制舵之前先对目前的自动舵进行简要的回顾，再对船舶操纵自动舵的构成和工作原理方面进行了综述。
一．自动舵的技术发展历史1.传统的自动舵1922年Minorsky和Sperry分别从数学角度和陀螺罗经在船舶上的运用角度各自发表了论文, 这两篇论文可以看作是对船舶自动舵作出了最早的贡献。
1923年,Minorsky设计的自动舵就装在新墨西哥的战舰上投人了试验。
早期自动舵以机械结构为基础,仅能对航向进行初步控制, 今天我们将这种控制方法称为“比例（P）控制”。
这是由于自动舵舵角的偏转大小是和船舶偏航角成比例的。
下面的公式可表示比例控制的规律：在实际工作中, 用陀螺罗经测出即时航向信号并与设定的航向进行比较, 然后将二者的差值输人到控制器中去, 由控制器输出并驱动舵轮伺服机构。
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自动舵的发展及其特性
自动操舵控制装置，简称自动舵autopilot，是在随动操舵基础上发展起来的一种全自动控制的操舵方式。
它是船舶运动控制问题中具有特殊重要性的一个系统，用于航向保持/航向改变/航迹保持控制。
它是根据陀螺罗经的航向信号和指定的航向相比较来控制操纵系统，自动使船舶保持在指定的航向上。
由于自动舵灵敏度和准确性都较高，它替代人工操舵后，相对提高了航速和减轻了舵工的工作量。
早在20世纪20年代已出现商品化的机械式PID自动舵用于商船的航向保持。
在此后的历史进程中，随着科学的发展和技术，工艺的进步，自动舵的构造变化巨大，电气式，电子式，微型计算机化的产品相继问世。
目前商船均配置有自动舵，当定向航行且航区没有其他船往来时，则可改手操舵为自动舵。
船舶借助螺旋桨的推力和舵力来改变或保持航速和航向，实现从某港口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的控制系统，其性能直接影响着船舶航行的操纵性，经济性和安全性。
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。
自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置。
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；给定航向和实际航向比较环节；航向偏差与舵角反馈比较环节；控制器；执行机构；舵；舵角反馈机构等。
舵系统的性能主要是由控制器的性能决定的，因此自动舵的技术发展，也主要表现在控制技术的推陈出新。
自动舵的发展是随着自动控制理论和技术的发展而发展。
在自动控制理论和技术发展的不同阶段，取得了不同的研究及应用成果，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。
自动舵的发展及其特性：
船舶在海上航行时，由于受到海风，海浪及海流等海洋环境扰动的作用，不可避免地要产生各种摇荡和航向改变，其运动形式可以分为两大类：一是船舶的操纵运动，另一个是船舶的摇荡运动。
所谓操纵运动是指驾驶者借助于操纵装置，来改变或保持船的运动状态；而摇荡运动是指在风，浪，流的干扰下产生的往复运动。
自从20世纪20年代机械式自动舵应用于船舶航向控制到现在航向自动舵及其控制算法发展可以划分为四个阶段：
（1）第一代机械自动舵：经典控制的自动舵，率先推出自动舵产品的是德国和美国。
德国的Aushutz和美国的Sperry分别于1920年和1923年独立研制成了机械式的自动操舵仪，其出现是一个重要里程碑，因为它使人们看到了在船舶操纵方面摆脱体力劳动实动自动控制的希望。
机械式自动舵只能进行简单的比例控制，这种自动舵需要采用低增益以避免震荡，只能用于低精度的航向保持。
（2）第二代PID自动舵：20世纪50年代，随着电子学和伺服机构理论的发展与集控制技术和电子器件的发展成果于一体的PID自动舵横空出世，使得航向自动舵的控制精度明显提高。
缺陷是对外界变化应变能力差，操舵频繁，幅度大，能耗显著。
如对海浪高频干扰，PID控制过于敏感，为避免高频干扰引起的频繁操舵，常采用“死区”非线性来进行天气调节，但死区会导致控制系统的低
频特性恶化，产生持续的周期性偏航，这将引起航行精度降低，能量消耗加大；此外，当船舶的动态特性速度，载重，水深，外型或外界条件风浪流等发生变化时，控制参数需连续地进行人工整定，不合适的控制参数的控制器将导致差的控制效果，如操舵幅度大，操舵频繁等，而人工整定参数很麻烦。
（3）第三代自适应舵：20世纪60年代未，随着计算机技术和自适应理论的发展，人们到注意到将自适应理论引入船舶操纵成为可能，瑞典等北欧国定的一大批科技人员纷纷将自适应舵应用到实船上，继而正式形成了第三代自动舵。
自适应舵在提高控制精度，减少能耗方面取得了一定的成绩，但物理实现成本高，参数调整难度大，尤其是船舶的非线性和不确定性使得控制效果难以保证，影响系统的稳定性。
70年代初期，JvAmernogen等人，就开始研究基于模型参考自适应控制的自动操舵仪。
70年代中期，KJAStorm等人研究了基于自校正控制的自适应操舵议。
自校正控制系统包括被控制对象和自校正控制器两部分。
当船舶在变海况，变速，变载航行时，舵角也在相应的改变。
由于船舶运动及加在其上扰动的数学模型参数是不断变化的，因此必须通过在线辩识来实时辨识变化着的数学模型参数。
自校正控制器的功能就是使数学模型的参数能在系统投入运行后动整定，且当模型参数发生变化时，控制器本身也能修正自己的参数。
使控制系统在指定的性能指标下（动舵次数最少，偏航幅最小）尽可能接近最优。
因此其制成的自动舵，控制规律采用最小方差自适应调节器算法。
具有适应能力良好，附加阻力小的优点。
（4）第四代智能舵：20世纪80年代以来，人们开始探索类似于人工操舵的智能方法，尝试着将其具有自适应，自学习，自优化，自整定能力的智能控制，其中又可分为神经网络控制，模糊逻辑控制，混合智能控制，应用于船舶航向控制技术，产生了第四代智能式自动舵。
第四代智能舵对于过程模型存在的不确定性，干扰以及量测噪声都具有良好的鲁棒性，使得自动舵的控制性能从自适应性，鲁棒性，稳定性等等各个方面均有了明显的改善和提高。
不足之处是控制器复杂，参数调整仍然相对较难。
船舶的自动化，从船舶在机舱设置集中控制室到出现无人机舱值班和驾驶台对主机遥控操作及监测，船舶机舱自动化已大势所趋。
计算机功能代替复杂的电子线路，发出操舵指令，送到执行中心，自动校正控制的相关参数，代替繁琐的人工指令，使船舶舵发展成为一个具有自适应功能的接受指令的自动舵。
近年来，国内的学者对自适应控制的研究也相当活跃，他们在相关的学术刊物上发表了许多研制成果。
自适应模糊控制，专家控制，基于神经网络的自适应控制也取得很大进步。
国内外的研究动态均表明今后的自适应技术将朝着智能化的方向发展。