自动舵
船舶结构与设备-第5章-舵设备ppt课件全文
一致，夜间调亮照明 2）灵敏度调高些 3）操舵稳定于新航向、正舵后由“随动”
改为“自动” 4）根据海况和装载状态调节各旋纽。
.
第五节 自动舵
• 二、自适应舵 • 1970s，产生了基于现代控制理论的第三代自动
操舵仪——自适应自动舵(adaptive autopilot)，简 称自适应舵。 • 自动适应运动特性和海况的变化，自动确认各项 系数进行最佳控制。
M S F L lL F L (L 2 B P x g x co ) s 1 2 F L L BP
.
第五章 舵设备
• 第二节 舵的类型和结构 • 一、舵的类型 • 1、按舵杆轴线位置分：
–不平衡舵(single plate rudder); –平衡舵(balance rudder)：部分舵叶在舵杆轴
• 4、设置要求：除可共用舵柄或舵扇外，辅 助操舵装置不应属于主操舵装置中的任何 部分。
.
一、操舵装置的设置
• 5、配置方案： 1）一套主操舵装置和一套辅助操舵装置 2）主操舵装置设置两套相同的动力设备，并设两
套操舵控制系统： a、一套随动控制 b、一套手柄控制
.
一、操舵装置的设置
随动控制 手柄控制
.
第二节 舵的类型和结构
• 二、舵的结构 • 流线型平衡舵由舵叶、舵
杆、舵承组成。 • 1、舵叶 • 由水平隔板和竖直隔板按
线型组成骨架，加舵叶板 焊制而成水密结构。 • 舵叶焊制或修理后在涂油 漆或敷设其他材料之前应 进行密性试验
.
密性试验
每个密封部分进行密性试验：
１）灌水试验 Ｈ=1.2d+V2/60(m)、保持15min以 上 ，不得变形和渗漏
简述船舶舵设备的日常检修与调整
舵设备由舵、舵机、转舵装置、操舵装置及其附属装置组成。
舵手通过转动操舵手柄，控制机械或液压装置带动舵杆转动，实现对舵叶的正转、反转和停止。
而舵叶相对水流方向产生的水动力力矩，迫使船舶改变或保持航向。
所以，船舶驾驶员须对舵机设备进行经常性的检查和调整，以验证设备性能的可靠性和安全性。
舵的种类按舵叶剖面形状可分为平板舵、复板舵、流线型舵；按舵杆轴线位置可分为平衡舵、不平衡舵、半平衡舵；按支承情况可分为悬挂舵、半悬挂舵、多支承舵；按舵叶侧面形状可分为长方形舵、倒梯形舵、斜梯形舵；还有一些特殊作用的特种舵，例如襟翼舵、平旋推进器、横向喷流舵、反应舵等等。
一、SOLAS公约对船舶操舵装置的要求1、对主操舵装置的要求。
对一般船舶而言，应设置主操舵装置和辅助操舵装置，它们的布置应满足当其中的一个失效时应不致使另一个失灵。
主操舵装置和舵杆应具有足够的强度并能在最大营运航速时进行操舵，舵杆直径大于120mm，其操舵装置应为动力操作，使舵自任一舷的35°转至另一舷的35°，并且于相同条件下自一舷的35°转至另一舷的30°所需的时间不超过28s。
2、对辅助操舵装置的要求。
辅助操舵装置具有足够的强度并足以在可驾驶的航速下操纵船舶，并能在紧急时迅速投入工作。
舵柄处的舵杆直径大于230mm时，该操舵装置应为动力操作。
在最大营运前进航速的一半但不小于7kn时进行操舵，使舵自一舷的15°转至另一舷的15°，且所需时间不超过60s。
3、主、辅操舵装置动力设备布置要求。
主、辅操舵装置的动力设备应布置成当动力源发生故障失效后又恢复输送时，能自动再启动。
能从驾驶室位置使其投入工作。
任一台操舵装置动力设备的动力源发生故障时，应在驾驶室里发出听觉和视觉报警。
4、操舵装置控制系统布置要求。
主操舵装置应在驾驶室和舵机室两处都设有控制器。
当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系统，且每个系统均应能在驾驶室控制。
自动舵报警
AUTO TERMINAL UNIT EMERGENCY ALARMEMG 01 CPU ERROREMG 02 MEMORY (RAM) ERROREMG 03 MEMORY(ROM) ERROREMG 04 AUTO OUTPUT ERROREMG 11 LINK MASTER AUX. COMPASS GYRO COMPASS EMG 05 GYROCOMPASSEMG 06 AUX. COMPASSSignal input errorSignal input error ACT FAIL It requires some switchover operations to a hand steering or to non follow-up steering at the time of the alarm’s issuing. When the emergency alarm occurs, the emergency alarm lamp begins to flash and the buzzer sounds. Besides the alarm causes are indicated on the LCD display of the auto steering unit.the rudder is kept the actual rudder angle or the midshipposition according to the setting of CONTROL FUNCTION.Auto steering unit No.1 Control & Power Box No.1 Control & Power BoxSERVO LOOP FAILUREAn alarm is issued if the difference between the rudder order and feed back rudder angle is approx.5 degree or more and, the follow up time does not finish within the following time.The monitor setting of Servo loop failure can be carried out using the maintenance menu, and setting the minimum & maximum commanded angle and the minimum & maximum delay time can be adjusted as shown in the following table.。
2-2-6自适应舵与航迹舵.ppt
六、自适应舵与航迹舵
2）在进行避让操船时，应终止使用航迹舵。 当定位传感器长期无船位时，航迹舵应批示提醒 驾驶员转到其他的操舵方式；
3）在利用航迹舵自动转向时，驾驶员必须对 周围的海域、船位与所采用的航迹带宽度、对转 向前后的海面状况均了解清楚。航迹带宽度应根 据航行区域与海况确定。当在自动校正风流压影 响及航向修正量过大（例如大于10度）时，应同 时发出报警指示。
六、自适应舵与航迹舵
5）最佳控制器：将卡尔曼滤波器检出的 偏航角加到最佳控制器，经处理后，产生使船舶 回到原航向的舵角指令。因此，偏航角、偏航角 速度和上述性能指标可以在有些自适应舵上自动 确定，而不需要像一般自动舵那样凭经验进行 人工手动设定；
6）增益调节器：当海况恶劣、波浪等噪声 增大时，噪声对船舶转向的影响也随之增大，会 导致卡尔曼滤波检测的精度下降。为了减少这种 影响并改善操作性能，设置增益调节器来调整 增益参数。通过软件可自动选择节能方式和保向 方式。当海况恶劣到一定程度、操纵性能变差 时，可自动转到保向方式上运行。
六、自适应舵与航迹舵
然后给出一个指标航向到自动舵组件中去 执行，使船能够沿着计划航行，并能在预定的 转向点转向，从而达到无人驾驶。
2. 基本工作原理： 1）计划航向的确定：恒向线航法和大圆航 法（在某一段时间内是不变的计划航向）； 2）实时定位的获取：一般由船舶定位仪获得。 GPS定位仪连续性好，精度高；
六、自适应舵与航迹舵
3）航迹带宽度的设置：采用实时船位连续不 断地去修正或改变航向并保持在计划航向上是极 其困难的，所以实际操作中需根据海况等因素， 设定一个允许的计划航线附近一定距离范围内的 位置偏移量与这个偏移量的极限值。
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。
自动操舵仪操作规程
CSGZ 版本号：QSMS-2 文件编号：QSMR-NA4-D-01 页次：1/1HQ-系列型自动操舵仪操作规程一.根据需要将机组选择开关由停止位置转到I或II的位置来接通I或II舵机机组。
二.视情况调整“亮度调节旋钮”使罗经面板航向改正及舵角指示器到所需的亮度。
三.向下拉航向匹配旋钮的保险销并按住航向匹配旋钮，转动该旋钮修正自动舵面板上的航向指示刻度盘与陀螺罗经的同步误差。
（无特殊情况勿动该旋钮）四.手动操舵：a.先将操纵选择开关转到手动位置。
b.操作左及右两个手柄即可操纵左、右两台舵机至所要的舵角位置（舵角指示器位于操纵台的左边）。
c.当要操某一舵角时，操纵操舵手柄并看住舵角指示至该舵角之前就要松开手柄，此时舵就转到所要求的舵角位置。
五.随动操舵：a.将操纵选择开关转到随动位置。
b.转动手轮到所要的舵角位置，即可操纵舵机进行左、右操舵。
六.自动操舵：a.当要走某一即定的航向时，先用随动操舵将船首稳定在该航向上。
b.向下拉航向改正旋钮保险销，并按住航向改正旋钮，转动该旋钮使航向改正显示窗内的航向刻度至所要走的航向。
c.将操纵选择开关转到自动的位置，舵机即可自动操舵。
七.面板上的各旋钮的功能：a.灵敏度调节旋钮（也称天气调节旋钮）在良好海况下，灵敏度可以调节高些；反之，在恶劣海况下，灵敏度应调低些。
b.比例调节调节时应根据海况、船舶装载情况和舵叶浸水面积等不同情况而定。
海况恶劣、空载、舵叶浸水面积小，应选用高档；风平浪静船舶操纵性能好时用低档。
c.微分调节重载、旋回惯性大时微分要调大；反之，要调小。
海况恶劣，微分作用要调小或调至0。
d.压舵调节(1)将压舵调节选择开关转到压舵位置，然后调节面板上的压舵旋钮使舵叶偏转一个固定的角度，以抵消单侧偏航作用。
(2)当有不对称偏航情况下，应将压舵调节选择开关转到积分位置，舵机就可自动向左或向右进行压舵。
e.航向改变调节在使用自动舵时用来改变航向。
若要向右改变航向5°，按下旋钮，向右转到5°处，待船舶转到给定航向时，指针能自动回零，不需人工复位。
第五章 舵设备解读
2、按舵杆轴线位置分为：
1）不平衡舵- 舵叶全部位于舵杆轴线 之后的舵； 2）平衡舵- 舵杆轴线位于舵叶前缘后 边一定距离的舵； 3）半平衡舵- 一般半悬挂舵为半平衡 舵。
3、按舵的剖面形状分为：
1）平板舵- 仅用一块平板做成的最简单的舵； 2）改良形平板舵- 在平板舵上以木质板， 其外形与流线型舵相似的舵； 3）流线型舵- 舵的翼剖面是机翼型的舵， 如果带有固定舵柱的就称为固定舵柱型流线型 舵； 4）反应舵- 是将流线型平衡舵以螺旋轴为 界，按一定流程进行上下扭曲后的舵，据说这 种舵可以提高推进效率4- 6％左右。
第五章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节
舵设备
舵设备的作用及组成 舵的类型和结构 操舵装置 操舵装置的控制系统 自动舵 应急舵 操舵要领及注意事项 舵设备的检查 保养与试验
第一节
舵设备的作用及组成
一 作用:船舶航行中保持和改变航向及旋回运动 主要工具 二. 组成:主要由舵装置、转舵装置、舵机、操舵 装置的控制系统及其他附属装置组成 三. 舵力的产生: 机翼原理 四 . 乔塞尔平板公式: P=KFV2 sinδ P－舵力 Ｋ－流量系数 Ｆ－舵叶面积 Ｖ－舵速 -- 舵角 五. 极限舵角：极限舵角＝３５°
2、整流帽舵- 在普通舵（一般是流 型舵）的适当位置加装一个外型为对称 机翼剖面的回转体或近似于椭圆形的整 流帽，由于整流帽填充了通常是涡流低 压区的空间，使得螺旋桨后部的乱流得 到改善。这样不仅提高推进效率，还能 降低船尾的震动，据称在一般舵上加装 整流帽后，可以增加航速0．3- 0．5
3、襟翼舵- 将舵叶做成主舵和子舵两部分，子 舵即是襟翼舵。当主舵转动一个角度时，子舵相 对主舵再转动另一个角度。这样一来，就明显地 提高了舵效，改善了操纵性能。此种舵的缺点是 结构和制造较为复杂。
船舶结构与设备课件——舵设备
2. 舵叶
平板舵舵叶的截面形状 为平板形状，该舵阻力较 大，主要用于小船。流线 型舵叶剖面呈流线型的复 板舵，该舵都做成空心水 密，一方面可以减轻舵的 重量，另一方面也可减少 舵承上的压力；其阻力小， 强度高，舵效好，可提高 舵向的稳定性。虽然构造 比较复杂，但被广泛采用。
2. 舵杆
1) 作用: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
二、主操舵装置：
系指在正常情况下为操纵船舶使舵产生动作 所需的机械、舵执行器、操舵动力设备以及 附属设备和对舵杆施加扭矩的设施。主操舵 装置应在驾驶室和舵机室都设有控制器。 辅助操舵装置：系指如主操舵装置失败时驾 驶船舶所必须的设备。它不属于主操舵装置 的任何部分，但不包括舵柄、舵扇或作同样 用途的部件。
原理：转换开关改变发电机励磁方
向，从而使电动机反转。
电动机励磁不变。
第五节 自动舵
一. 一般自动舵 二. 自适应自动舵 三. 航迹舵
一.1. 一般自动舵工作原理
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。
操舵过程：见下图
[第五节要点]：操舵方式(种类、原理)；自动操舵 仪组成原理。
2. 一般自动舵基本类型
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。
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二、原理方框图
三、系统原理图 1、随动操舵
2、自动操舵（1）运算电路
（2）开关电路
Eref
7 Ein
R12
Rf Uout
R11
负半周
D3 r
－5 Eref
Ein 6＋ － －＋ Eref
＋7 D6
i1 if
R12 Rf
R11
i3 i2 r
方程组
• Eref+Ein=i1*r+if(R+Rf) • Eref-Ein=i2*r-i3*R • i3*R-if(R+Rf) =0 • if+i3+i2＝i1
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
U
UC UI
2、热积分环节：
偏航加热器
UI
积分输出
热敏电阻
UC 电源
3、在舵角反馈回路设置微分环节
第四章 船舶航向自动控制系统
§4-1船舶舵机装置的组成及控制系统分类
一、舵机装置组成 1、操舵装置 2、舵机 3、舵叶 二、控制系统分类 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。 4、航线自动控制系统，又称航向自适应控制系统
§4-2 船舶航行对舵机装置的要求
φ* Δφ
β*
β
φ
航向控制器
舵角控制器
舵机
船舶
-
-
舵角反馈
航向反馈
§ 4-4 自动舵的执行机构
• 舵机
舵机 [Steering Gear]
一、泵控型液压舵机
防浪阀(双联溢流阀)： 储能弹防簧冲太太击软硬，：：沟无不通法起高转作低舵用压油路
ACB：浮动杆追随机构[Float Hunting Gear]
1、环形相敏整流电路
5
+ Eref 6 + Eref
-
7
D3 D4 D6 D5
Ein
R12 Rf Uout
R11
相敏整流电路分析
D4 r
条件：参考（调制）电压远大于输入电压 5
正半周
Eref
D3 D4
＋5 Eref
6+ Eref
-7
Ein
＋－
D5
i1
if R11 Rf
R12
i3
r
i2
6 D6 D5
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°。
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。
§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：
接电反馈装置
夜控旁通阀： 旁通油、路隔锁断闭液压阀缸
驾 锁驶 闭台 油操 路 舵 锁电 闭信 备号 用油路
溢流节流安阀全：阀调：速伺服
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。
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。
4、性能： 电源：60V，50/60Hz交流电。 最大舵角：±35°。 转舵速度：舵自一 舷35°转至另一舷
§4-5 自动舵中常用典型电路
一、相敏整流电路
许多自动舵中在用于偏航信号检测和舵角反馈 信号转换时，都采用自整角机作为检测元件。而自 整角机输出信号为交流信号，其相位反映偏航方向， 幅值反映偏航角度。因此，必须将其转换为直流信 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。
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
二、阀控型液压舵机
使用单向定量油泵，转舵靠驾驶台遥控换向 阀实现，油泵排油回泵的进口或回油箱。
特点：系统简单，造价低；冲击大，可靠性 差，油液发热量大，经济性差。
缺点：
1.液压伺服系 统故障率大
2.转换遥控系 统时间长
Uout if * Rf
2RRf
Ein
r(Rf 2R) 2R(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 舵角反馈信号
§4-6 典型线路分析-安修斯自动舵
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。
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
航向反馈
3、“游隙”机构的作用
φ* Δφ
β*
β
φ
航向控制器
舵机控制器
舵机
船舶
-
-
舵角反馈
航向反馈
主驱轴
从动轴
* 0
t
1
2
t
kp
三、比例、微分、积分控制的自动操舵
控制方程式：
k
p
kD
d
dt
kI
dt
其中比例和微分控制规律如前所述。这里的积分控制主要 功能是要消除单向航向静差。当这种单向航向偏差出现在 灵敏度以内时，将不会引起动舵。但这种灵敏度以内的小 角度偏航，随着航行时间的增长，将引起船舶较大的偏航。 积分环节的作用就是要将这种小角度偏航进行积累，当积 累的偏航角度超过灵敏度时，给出一个纠偏舵角，此舵角 即为积分舵角。
二、按比例、微分控制的自动操舵
(kp kd d )
dt
式中， d d * d
dt
dt
dt
则，
k
p
kd
d
dt
d
dt
* 0
t
kd
d
dt
t
kp
实现比例、微分控制的方案 1、航向控制器为运算放大器组成的比例、微分调节器 其方框图如下：
φ* Δφ
β*
β
φ
PD控制器
舵机控制器
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。