第七节自动操舵控制系统
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
船舶自动舵知识
§4-3自动操舵的工作原理
一、人工操舵的一般规律
360
270
90
180
二、自动操舵原理及方框图
常规自动操舵通常是指用电罗经或磁罗经检测航向 偏差，在通过航向控制器进行舵角操纵，达到航向 纠偏。其控制方框图如下：
R
U
*
kU
R
+ R -+
U -
UC
M
U K
U
U
UC
(U
UC ) U
或
U
U
UC
U K
M
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。 4、航向调节。用于自动航行中改变航向。 5、罗经匹配旋钮。 6、自动、随动、应急操舵转换开关。 7、航向警报消音按钮。
1、舵机装置供电要采用两舷供电方式。其中一路应经由应 急配电板供电。 2、电动舵机的电动机采取连续工作制，有足够的过载能力， 软机械特性，能堵转一分钟。 3、舵机应能在驾驶台和舵机房两个地方控制，由转换开关 转换。 4、应设有舵叶偏转限位开关，一般为±35°。 5、自动操舵时，设有偏航报警，一般为±8°~±10°。
舵机
船舶
-
-
舵角反馈
航向反馈
2、在舵角反馈回路设置比例、积分环节
φ* Δφ
β*
β
φ
航向控制器
舵机控制器
舵机
船舶
-
-
比例积分
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。
舵设备培训教材
3、努力掌握本船的舵性，如左舵与右舵，
•
空载和满载、强风与急流、浅水与
波
•
浪、顶流与顺流、快车与慢车等情
况
•
下舵来得快与慢，偏转惯性大与小。
• 4、 熟悉本船操舵装置的转换开关，能
5、注意随动舵与应急舵的不同。前者是 有舵角反馈，后者没有，操舵方法是 不一样的。
• 第十节 舵设备的检查保养与试验
• 一、检查保养
• 1、 随动操舵系统 （ 有舵角反馈发送器）
2、手柄控制系统 （没有舵角反馈发送器）
• 三、应急操舵 （3个月一次） • 四、操舵控制系统的要求
1、操舵装置控制系统的布置
• 1）对主操舵装置，应在驾驶室和舵机室两处都设 有控
•
制器。
• 2）对主操舵装置是由两台或几台相同的动力设备 组成
•
不设辅助操舵装置时，应设置两个独立的控制
• 第八节 航迹舵
• 与GPS、雷达、罗经、计程仪等相连 • 使用航迹舵的注意事项 • 1、不能使用自动舵的地方，也不要使
用航迹舵。
2、进行操船避让时，应中止使用航迹舵重 新启动航迹舵时，需要谨慎。
• 3、确认定位仪所给出的船位，如不可靠 应立 即
•
转为其它的操作。
• 4、在利用航迹舵自动转向时，驾驶员必须对周
• 1、日常检查保养
• 1）平时：平时舵机间不准放置杂物，
•
应保持清洁干燥，切忌电机受潮；
•
卸货后利用干舷高的条件查看舵
叶
•
舵杆和连接法兰的情况。经过大风浪或冰区航
行、
•
搁浅或其它海事后更要仔细查看，特别要注意
法兰
•
上水泥包是否完好。对其各个部位要经常保持
自动操舵系统的基本要求和工作原理
自动操舵系统的基本要求和工作原理1.自动操舵系统基本要求在给定的航向上,为使船舶以足够的精度安全航行自动舵必须满足以下的基本要求:(1)自动操舵性能良好当船舶偏离给定航向一定角度(超过系统灵敏度所整定的角度)时,系统应立即工作,使舵叶偏转一定的角度,这个初始转舵角叫做一次偏舵角。
初始舵角应有适当的数值,如果过大会降低船舶航行速度,过小则产生的转船力矩不足以使船舶回到正航向来。
如果给出初始偏航舵角后船舶仍然偏离预定航向,自动舵必须保证有附加舵角(二次偏舵角)。
上述要求,实质上是选择比例舵的比例系数问题。
此外,在自动舵中还应具有微分和积分(或压舵)校正环节,其目的是使自动舵在调节过程中具有良好的动态性能和静态性能。
(2)具有必要的调节装置为了使同一型号的自动舵装置能够适用于不同的排水量、装载量、航速及舵机拖动装置的船舶,并能适应各种天气、海况,在自动舵系统中应有如下的基本调节装置:①灵敏度调节(俗称天气调节)。
灵敏度是指系统开始投入工作时的最小偏航角。
它视天气、海况而定。
在风平浪静时,灵敏度要调高一些;在大风大浪下,应适当降低自动舵的灵敏度,以减少动舵次数。
②舵角比例调节。
偏舵角与偏航角之比(即K1的数值)的大小,直接影响自动舵给出的一次偏舵角和二次偏舵角的数值,因此要根据船型、装载、航速等情况调节舵角比例,以获得一个合适的舵角比。
③反舵角调节。
偏航中的船舶在自动舵的作用下回复到正航向时,舵叶应先回到艏艉线上,然后再向另一舷偏过一个小角度,以防止船舶因惯性力而继续向另一侧偏航,这个预先的偏舵角称之为反舵角(又称制动舵角,稳舵角,纠偏舵角),应根据船型、装载、天气等情况进行调节。
反舵角可以由微分环节来实现反舵角调节主要调节微分系数K2,又称微分调节。
④压舵调节。
为了纠正船舶由于受到单侧风浪、水流等因素影响而引起的不对称偏航单侧偏航,自动舵中应当设有自动压舵/人工压舵的调节装置。
在具有航向积分环节的自动舵中,则设有积分调节,主要调节积分系数K3。
知识点五 操舵装置的控制系统-PPT课件
知识点：操舵装置的控制系统
操舵装置控制系统
将舵令由驾驶室传至舵机装置动 力设备之间的一系列设备。由发送 器、接受器、液压控制泵及电动机、 电动机控制器、管路和电缆组成。 船舶操舵装置的控制系统主要有电 力控制和液压控制两种。电力控制 装置因具有轻便灵敏，线路易于布 置，对船体变形和温度变化可不受 影响，工作可靠，维修方便，并有 利于操舵自动化等特点，目前被海 船普遍采用3-液缸；4-活塞；5-轴； 6-小齿轮；7-齿条；8-弹簧；9-活塞杆；10-曲拐
杠杆；A、B-液压管路
2. 电力控制系统：是装有舵角反馈发送器， 能进行追随控制的操舵系统。
3.手柄控制系统：也称直接控制系统，它 是直接控制继电器使舵机转动的系统。它 没有舵角反馈装置，手柄或揿钮相当于继 电器的开关。操舵时，当舵角指示器上到 达所需的舵角时，要立即将手柄回复到中 间位置或松开揿扭。应注意掌握船的回转 惯性的作用，要及时断电，才能使舵叶准 确到达所需的舵角。
随动控制系统工作原理图
1-电桥电源；2-操舵轮；3-放大器； 4-舵机电源；5-舵机；6-舵角反馈发送器
操舵装置控制系统
1. 液压控制系统：实际上是充满甘油 和水混合液体的连通器将驾驶台的操舵 动作传达到舵机上。
连通器的一端放置在驾驶台称为发送 器；而另一端设在舵机间。它接受发送 器传来的操舵信息，称为受动器，当操 舵时，发送器动作，使一根管中液体压 力比另一根大，推动了受动器相应动作 以达到遥控操舵的目的，使舵偏转。
【精品】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NAUTOCONTROL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。
第5章 舵设备(船舶结构与设备课件)
1.舵叶（rudder stock）
舵杆是舵叶转动的轴，并用以承受和传递作用在舵叶上 的力及舵给予转舵装置的力。其下部与舵叶连接，上部与转 舵装置相连。 为了使舵在受损时不必拆开船体内的部分就能修理，把 舵杆分作上舵杆和下舵杆两段制造，然后用法兰接头连接。 上舵杆的顶端称舵头。舵头通过舵杆套筒伸至舵机室与 转舵装置相连接。上舵杆下端是法兰接头，与舵叶连接。 为了使万一法兰螺母脱落而螺栓不至滑落，安装时，螺 母应朝下，并用水泥包搪。
齿轮襟翼式舵
1-舵叶（rudder blade）； 2-位于舵杆筒内的舵杆（Rudder stock in rudder trunk）； 3-襟翼（flap）； 4-铰轴（hinge line）；
5-舵机（steering engine）；
6-舵机座（steering engine foundation）； 7-密封套与轴承（gland and bearing）； 8-舵顶（rudder dome）； 9-舵承（rudder carrier） 10-转动襟翼的传动装置（flap actuator）
6）倒车舵
（1）正车整流，加强正车舵效； （2）倒车舵效；
（3）侧移功能。
7）全向推进器
又称Z轴螺旋桨。能绕竖轴作360度旋转，用以推进和操 纵船舶的螺旋桨或导管推进器。主机输出功率通过一级伞齿 轮转动竖轴，再通过二级伞齿轮传递给推进器，形成一个Z字 形传动系统。另设有油压泵驱动蜗轮蜗杆，以驱使整个推器 装置作360°水平回转。Z形轴系与导流管螺旋桨全部安装在 一个圆筒体上，整个装置可吊出或安装在甲板开口处。转向 螺旋桨的单位马力推力大，操纵性能良好，装双全向推进器 的拖轮具有就地回转、平移、倒退等能力。后退推力与前进 推力基本相同，可以驾机合一遥控作业。导管前安装网罩可 保护螺旋桨。这种舵适用于港作拖轮等小型船舶。
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电动 — 液压舵机装置
系统组成： 恒速电动机 （可用普通异步 机）拖动双向变 量油泵，提供双 向的高压油驱动 液压油缸。
工作过程：当一油缸注入高压油而另一油缸排出 低压油时，推动撞杆（活塞）移动，从而带动舵柄， 舵柱和舵叶偏转。
一、舵机对电控设备的要求
基本要求：—— 三可靠。 1.供电可靠： 采用双路供电 ，两路分离较远的馈电线， 其中一路经应急配电板。
偏航与操舵
自动舵方框图
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 = - K 1φ 其中：K1为比例系数，负号表示与偏航方向相反。 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。
也叫压舵，可提高保持正航向精确度。
操舵定律特点比较
比例舵：可以克服偏航，但容易形成S形航迹， 航程较长。 比例 - 微分舵：可以减小最大偏航角，克服 回航时的反向偏航。但微分系数不能太大，否则容 易造成不稳定。 比例 - 微分 - 积分舵：能够产生“自动压舵” 调节，克服不对称偏航。 [要点]：自动舵的基本类型；各种调节规律的性能、 特点。
§6.7 自动操舵控制系统
教学要求： 了解船舶舵机对电力拖动控制设备的 要求，理解自动操舵的工作原理，掌握比 例舵、微分舵、积分舵的调节规律。
船舶舵机操纵台
船舶舵机总组成机房
转船力矩：T=F2· L
舵机装置
•
• • • • •
舵机装置由操舵装置、执行电动机、传动机 构和舵叶四部分组成。 按传动机构分： 1．电动—机械舵机装置 电动机通过齿轮转动带动舵叶 2．电动—液压舵机装置 电动机通过液压系统转动带动舵叶
随动操舵工作原理
随动操舵，又叫“舵轮操舵”。 随动 —— 舵叶随着舵轮转动 。 原理：是负反馈调节系统。以舵 角和舵轮的偏差控制电动机。 操舵过程：舵轮向右转过一个角 度α，电位器R1的滑动点移动， 电桥失去平衡，放大器输入信号 >0，发电机输出电压使电动机顺 时针方向转动，使舵叶向右偏转。 同时舵角反馈同步传递机构带动 反馈电位器R2的滑动点不断向a’ 方法：左偏航操右舵，舵轮操右几 点移动。当电桥重新处于新的平 度，舵叶右偏几度（右偏也相似）。 衡状态时，放大器输入=0，电动 机停转，舵叶处于右舵与舵轮转 回舵过程相似，只是放大器输入变 反，电动机反转，舵叶回偏。 动相对应的角度上。
操舵过程：见下图
三、自动舵的基本类型及其调节规律
1.自动舵的基本类型：—— 三种 比例、比例-微分、比例-微分-积分 2.三种自动类型的作用和特点
自动操舵基本类型
定义：自动舵的基本类型是指按操舵 的规律分类的（也就是舵的偏转规律）类 型，而不是舵机装置的类型。 三种基本类型：⑴.比例舵；⑵.比例 - 微分舵；⑶.比例 - 微分 - 积分舵。 说明：不同基本类型的自动舵，对舵 叶的调节规律是不同的。
舵机装置分为两类： ⑴.电动 - 机械；⑵.电动 - 液压。
电动 - 机械舵机装置： 工作过程：电动机通过连 轴节带动蜗杆蜗轮转动，并通 过主动齿轮带动扇形齿轮，再 经过缓冲弹簧转动舵柄（在扇 形齿轮下面，通过弹簧推动）， 从而使舵柱和舵叶偏转。 系统组成：—— 一般采用G-M系统。 作用：蜗杆蜗轮传动，大变比减速，能够锁定舵柱和舵叶。 缓冲弹簧，减轻船舶在航行中波浪对舵叶的冲击力， 防止传动装置受到损伤。
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） 其中：K1为比例系数，K2为微分系数。 说明：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。
2.电动机运行可靠：
①电动液压舵机：普通长期工作制，过载能力强的 鼠笼电动机 ②电动舵机：应能在船舶处于最深航海吃水，并以 最大营运航速前进时，将舵自任一舷的35°转至 另一舷的35°，且能在不大于28s的时间内将舵 自任何一舷的35°转至另一舷的30°。 舵机电动机有软的机械特性和足够大的过载能力， 堵转时间应能持续1min以上，仍不致将电动机烧 坏。
自动操舵工作原理
自动操舵：实际上是自动航向保持仪。 组成原理：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。 线路分析：最简单的电动操舵线路的工作过程见图。
单动操舵工作原理
单动（香蕉柄）操舵：—— 在海船上就是应急操舵。 方法：手扳舵转，复零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右 扳，回舵左扳。—— 人看分罗经和舵角指示器操舵。
原理：转换开关改变发电机励磁方 电动机励磁不变。 向，从而使电动机反转。
性质：
1 ．操舵手柄或舵轮位置不与 舵叶位置相对应，要用舵角 指示器才能知道舵叶所转角 度。 2 ．操舵手柄向某一方向，电 动机拖动舵叶向相应方向， 手柄回零，舵叶固定在某一 角度。 3 ．要使舵叶回到中间位置， 手柄反向。 4 ．太平舵：手直接板动舵叶 。
3．控制系统要可靠
（1）应有驾驶台和舵机舱两个以上控制站、 并设转换开关防同时操作。 （2）设有自动、随动、应急三种操舵。 （3）应设舵叶偏转限位开关，失压报警，自 动操舵极限角自动报警。
二、操舵方式、类型、工作原理
三种操舵方式，主要掌握它们的作用、特点和工 作原理。
1.单动操舵工作原理 2.随动操舵工作原理 3.自动操舵工作原理
自动操舵系统基本要求：
1、自动操舵性能良好 2、具有必要的调节装置 • ①灵敏度调节 • ②舵角比例调节 • ③反舵角调节 • ④压舵调节 • ⑤航向调节：P134 ～P140 • 习题：1255～1274
微分舵又叫纠偏舵、稳舵角或反舵角。
3、比例-积分-微分舵（PID舵）
组成：是在比例 - 微分舵基础上增加积分环节。积分 环节作用是 —— 克服不对称偏航。K3是积分系数。 不对称偏航的产生：不对称偏航是某舷（侧）的偏航角 持续时间比另一舷（侧）偏航角持续时间长。 原因：装载不对称，斜向风的持续影响，斜向海潮的持 续影响。—— 对于具有双螺旋桨推进的船舶，螺旋桨推进 的不平衡也会产生不对称偏航。 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。