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。