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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

操为自然环境，信息C为航行环境，信息D为操船手册。

纵人 操纵船舶运动的机构，主要有舵和推进动力装置。舵是船舶环境 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，船 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。

变螺距螺旋桨、固定螺距螺旋桨（FPP）图4–24 船舶操纵系统 螺旋桨分为等螺距螺旋桨、

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。

ABCD目标设定预测模型操船信息N模型设定正确Y得到必要信息NYN决定优先顺序Y指令螺旋桨转速舵 角锚的使用缆的使用拖船的使用

图4–25 船舶操纵流程图

目 标 设 定 预 测 模 型 A B C D 操船信息 N 模型设定正确 Y 得到必要信息 N 图4–25 船舶操纵流程图

Y N 预 决定优先系列 Y 测 模 型 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

1) 常规PID自动舵

在航海自动化系统中，船舶是系统的调节对象，若略去动力装置的影响，船舶运动状态的调节，将由舵来实现，并从船首方向表现出来。自动舵在调节船舶状态的动作中，一般都是采用小舵角，在采用小舵角操舵时，船舶回转运动可以用一个二阶微分方程来描述：

d2?J2?KV2? （4–5） dt式中：J——船舶转动惯量； ψ——船舶偏航角；

δ——偏舵角。 V——船舶速度；

K——与船舶结构有关的系数。

船舶是一个具有很大惯性的控制对象，所以早期的自动舵绝大多数都采用“比例–微分–积分（PID）”控制规律。为了了解PID控制规律的作用，不妨看一看人工操舵过程。假定船舶原来航驶在某预定航向上，但由于某种外界因素（扰动）的作用，船舷向右偏离航向Ψ角，于是舵手操左舵角δ，船舶在左偏舵产生的转船力矩作用下，开始回航；船舶开始回航后，一般舵手将减小舵角，使船舶回航的角速度不会继续加大。在船舶回到正航向时，由于惯性作用，船舶必然还将向左偏航；为了克服这向另一方向继续偏航的现象，有经验的舵手将适当操出一个反方向的舵角（右舵），令舵产生一个向右的转船力矩，抑制船向左偏航。一般不可能恰好使船停在正航向上，而会出现左偏或右偏的现象，因而又重复上述过程，直到使船舶恢复到正航向上来。PID舵事实上就是模拟上述人工操舵过程，但由仪器自动实现。

若按比例舵的控制规律，那么舵角的操舵规律将是： 式中：Kp——比例系数。

将式（4–6）代入式（4–5），整理后得：

???KP? （4–6）

d2?KV2KP???0 （4–7） dt2J式（4–7）是一齐次二阶常系数微分方程，解此方程可得

KV2KPt （4–8） ???0cos JKV2KP???KP?0cost （4–9）

J式（4–9）中，Ψ0是舵效开始起作用时的偏航角。船舶在受到风浪的作用后，偏航到Ψ0

时自动舵投入工作，使船舶回航。偏航角Ψ和偏舵角δ分别以Ψ0和KPΨ0为振幅，以余弦函数随时间变化。比例操舵，在船舶偏离预定航向后，无法重新稳定在正航向上航驶，而是在预定航向的两侧摆动，所以按比例规律设计的自动舵不能满足船舶航海需要。

但若令舵角按比例和微分（PD）规律控制，即偏舵角与偏航角之间符合下列关系：

???(Kp??Kdd?) （4–10） dt

式中：Kp——比例系数；Kd——微分系数。

同理将式（4–10）代入式（4–5），可得一齐次二阶常系数微分方程，求解后船舶回转运动将为：

??Ae?KV2Kdt2J?Bte?KV2Kdt2J （4–11）

式中A、B是由初始条件确定的常数，则幅值随时间按指数规律迅速衰减，t趋于无限

大，Ψ=0，船船具有航向保持功能。不论由于什么扰动，当船舶偏离预定航向时，只要KP和Kd调节恰当，船首能够迅速返回原航向，显然可以基本满足自动操舵的要求。

当船舶航行在风平浪静的情况下，自动舵的灵敏度可以适当调得高些，对于微小的偏航信号产生偏舵，使船舶以较高的精度，在预定的航向上航行。但是在风浪很大的情况下，船舶摇摆，即所谓“高频”海浪干扰，如果对于微小偏航信号就进行操舵，则非但不能使船舶稳定航行，反而会使摇摆加大，航速降低，并由于频繁使用舵机，致使能源消耗增加，缩短舵机使用寿命。最好的办法是，在一定偏航角内不予操舵，降低操舵灵敏度，使偏航精度相应降低。随着气象、海况条件的变化相应的调整偏航精度和舵机动作的灵敏度，形成了一个可以调节的“死区”，在这个死区内，船舶离开了正航向，自动舵不工作，只有偏航超过“死区”时，才进行工作。因此，若有从一个方向持续作用的风浪，而使船舶改变航向，只要不超出“死区”范围，自动操舵仪不响应，船舶将从一个方向偏离预定航向，偏离角Ψ。若航速为V，航行时间为?t，那么船位离开给定航线的距离为?s = ΨV?t 。尽管?s可能不大，但时间长了，?s也是个不可忽视的量。这个量显然与时间的积分成比例，即

S???Vdt （4–12） 只要设计一个积分机构，规定一个值，偏离原航线达到此值时，由于时间、航速己知，则可求出Ψ，加以修正；亦就是在偏舵角中加人了积分项，从而使自动舵的功能更加完善。

根据以上所述，自动操舵仪偏舵角与偏航角之间关系已成为：

d? ???(Kp??Kd＋Ki??dt) （4–13）

dt式中，Ki为积分系数。负号表示偏舵角的方向总是与偏航量（包括偏航角及其微分、积分项）的方向相反。

PID自动操舵系统具有反馈通道闭环系统，其原理方框图如图4–26。航向比较环节将给定的航向和反馈回来的船舶实际航向进行比较，得到偏航角，送给控制器，按PID规律计算出舵令角δ，经放大器放大及限幅后，再经天气调节环节送到舵角伺服机构，控制舵机工作，操纵船舶调整航向。当船舶航驶在预定航向上时，航向比较环节输出为零，只要压舵角调整恰当，整个系统将处于平衡的伺服状态。

设定航向－kp限幅?气候调节扰动伺服舵角船机构航向kdski1s

航向反馈图4–26 PID自动操舵系统原理方框图

PID控制规律的自动操舵仪，是一种精确的航向保持自动控制系统。但常规PID自动舵存在下列缺点：

(1) 它不能随着船舶动态特性和海况的变化而自动整定与调节PID控制器参数； (2) 控制器的性能准则不是最佳的，其设计只考虑了技术指标，而未顾及操舵的经济性；