第6章_6.7自动操舵控制系统
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。
第六章第七节自动操舵控制系统
1、对于采用直流G-M系统供电的电动-机械舵机，发电机G采用的励磁方式是______。
A．并励B．串励C．他励D．差复励2、舵机的电力拖动系统应设置至少______个控制站（台）；其控制系统应保证各控制站（台）______同时操作。
A．2/不可以B．2/可以C．3/可以D．1/不可以3、下列对船舶舵机的电力拖动与控制装置的基本要求的叙述错误的是______。
A．通常分左、右舷两路馈线方式向舵机供电，其中之一与应急电源相连B．至少有两个控制站（驾驶台和舵机房），控制站之间装有转换开关C．当舵叶转至极限位置时，舵机自动停止转舵，防止操舵设备受损D．从一舷最大舵角转至另一舷最大舵角的时间应不超过60 s4、下列对船舶舵机的电力拖动与控制装置的基本要求的叙述错误的是______。
A．通常采用一路供电并与应急电源相连B．至少有两个控制站（驾驶台和舵机房），控制站之间装有转换开关C．当舵叶转至极限位置时，舵机自动停止转舵，防止操舵设备受损D．从一舷最大舵角转至另一舷最大舵角的时间应不超过30 s5、下列对船舶舵机的电力拖动与控制装置的基本要求的叙述错误的是______。
A．通常分左、右舷两路馈线方式向舵机供电，其中之一与应急电源相连B．只需设有1个控制站（驾驶台）C．当舵叶转至极限位置时，舵机自动停止转舵，防止操舵设备受损D．从一舷最大舵角转至另一舷最大舵角的时间应不超过30 s6、下列对船舶舵机的电力拖动与控制装置的基本要求的叙述错误的是______。
A．通常分左、右舷两路馈线方式向舵机供电，其中之一与应急电源相连B．至少有两个控制站（驾驶台和舵机房），控制站之间装有转换开关C．随动和应急操舵时，极限偏转限位不工作D．从一舷最大舵角转至另一舷最大舵角的时间应不超过30 s7、下列关于舵机对电力拖动与控制的要求的诸多说法，正确的______。
A．应设有专用的柴油发电装置向舵机供电以保证供电可靠B．电动舵机的拖动电动机不允许发生堵转C．通常分左、右两舷馈线向舵机供电，其中之一与应急电源相连D．拖动电动机的过载能力较差8、下列关于舵机对电力拖动与控制的要求的诸多说法，错误的______。
舵机控制系统图
舵机控制系统图舵机控制系统图第一章：引言1.1 研究背景和意义舵机是一种常见的控制装置，广泛用于机械系统中的位置控制。
舵机控制系统图是用于描述舵机与其他设备之间连接关系的图形表示方法。
它可以帮助工程师更好地了解系统的工作原理，优化系统的控制方案，提高系统的性能。
1.2 研究目的和内容本论文旨在研究舵机控制系统图的基本概念和应用方法，并通过实例分析验证其实用性。
具体内容包括舵机控制系统图的组成要素、绘制方法、示例分析等。
第二章：舵机控制系统图的组成要素2.1 舵机舵机是舵机控制系统图中的核心组成要素，它负责将输入信号转换为相应的机械运动。
舵机通常由电机、减速器和位置反馈传感器等部件组成。
2.2 控制器控制器负责根据输入信号生成适当的控制信号，控制舵机的运动和位置。
控制器可以是硬件控制器，如单片机或PLC，也可以是软件控制器，如上位机或嵌入式系统。
2.3 传感器传感器用于检测舵机的位置和运动状态，将其转换为电信号并传递给控制器。
常用的传感器有位置传感器、速度传感器和力传感器等。
2.4 电源电源为舵机系统提供能量，使舵机能够正常工作。
电源可以是直流电源或交流电源，具体选择与舵机的工作电压需求相关。
第三章：舵机控制系统图的绘制方法3.1 符号表示法舵机控制系统图使用统一的符号表示法，以便工程师能够快速识别和理解图中的各个元素。
常见的符号有方框表示控制器，箭头表示信号的流向，圆圈表示传感器等。
3.2 连接线的表示方法连接线用于表示各个组成要素之间的连接关系。
连接线有不同的表示方法，如直线连接和带箭头连接等，用于表达不同的信号流向和控制关系。
3.3 具体绘制步骤舵机控制系统图的绘制步骤包括确定系统的组成要素、制定系统的控制策略、绘制连接关系等。
在绘制过程中，需要考虑各个组成要素的位置、数量和连接方式等因素。
第四章：舵机控制系统图的应用与实例分析4.1 舵机控制系统图在机器人控制中的应用机器人控制是舵机控制系统图的重要应用领域之一。
飞行器自动控制导论_第六章
第六章 典型飞行自动控制系统的工作原理 6.1 概述6.1.1典型飞行自动控制系统的组成描述飞机运动的参数有三个姿态角（θ、ψ、φ）、两个气流角（α、β）、两个线位移（H 、Y ）与一个线速度（V ）。
飞行控制的作用，就是应用负反馈控制原理对上述参数的部分或全部进行控制。
有时也根据需要也可控制与速度V 和迎角α有关的马赫数M 与法向过载。
实际上飞行自动控制就是按一定飞行控制律，输出三个舵偏角（e δ、r δ与a δ）与油门T δ对飞行器实现闭环控制。
典型飞行自动控制系统一般包括三个反馈回路：舵回路、稳定回路和控制（制导）回路。
舵回路通常是一个随动系统（或称为伺服系统），一般包括舵机、反馈部件和放大器，如图6.1-1所示。
舵回路中的舵机作为执行机构带动舵面偏转。
图6.1-1 舵回路方框图舵回路中有两个反馈回路：位置反馈回路，使控制信号与舵机输出信号成比例关系，速度反馈回路，增加舵回路阻尼，改善舵回路的动态性能。
如果敏感部件是测量飞机的姿态，测量敏感部件、放大计算装置与舵回路构成自动驾驶仪，自动驾驶仪和飞机构成了飞行器的稳定回路，主要起稳定和控制飞机的姿态的作用。
典型的稳定回路如图6.1-2所示。
图6.1-2 稳定回路由稳定回路和飞机重心位置测量部件以与描述飞机空间几何关系的运动环节，组成更大的回路，称为控制（或称制导回路），如图6-3所示。
主要起稳定和控制飞机的运动轨迹的作用。
图6.1-3 控制（或制导）回路6.1.2 纵向控制飞行器纵向扰动运动，一般由短周期模态运动和长周期模态运动组成。
随着飞行器的速度越来越快，飞行高度越来越高，飞行包线围扩大，欲使飞行器在整个包线围满足飞行品质要求，普遍采用反馈控制技术。
例如高空飞行时，飞行器的阻尼特性常常变差，短周期模态特性趋于恶化，造成操纵反应过程中超调量过大，振荡加剧，严重影响飞行任务的完成，此时，可以在纵向通道引入适当的反馈可以改善飞行品质。
又如当飞行器要完成保持姿态角或等速V飞行时，即使飞行器具有良好的短周期模态时，但由于长周期模态振荡频率较低，衰减较慢，甚至是慢发散的。
飞机电气控制系统基础知识讲解
§6.1 飞机操纵系统概况
1
图6.1.1 典型飞机操纵舵面的布局
2
舵面操纵系统
➢ 主操纵系统：各种舵面操纵动作的实现，可以有机械传动 方式、液压传动方式或电力传动方式，我们称直接实现这 些操作功能的设备为主操纵系统。
➢ 辅助操纵系统：除电力传动直接操纵的工作方式以外，在 机械传动和液压传动方式中，还常常用到一些电器设备去 控制一些机械附件工作，或控制液压活门的启闭，或对主 操纵系统的舵面，如副翼、升降舵、方向舵再配置电动调 整片，我们将这些协同液压或机械主操纵系统工作的电气 设备称为辅助操纵系统。
➢ 辅助系统主要是为操作方便和减轻驾驶员的劳动强度而设
置的。
3
图6.1.2 简单机械式操纵系统
4
简单机械式操纵系统
➢ 中央操纵机构由驾驶杆、驾驶盘和脚蹬组成。 ➢ 驾驶员向前推或向后拉驾驶杆，可以操纵升降舵向
下或向上偏转，从而使飞机头部下俯或上仰。 ➢ 当向左或向右压驾驶盘时，则操纵了左右两机翼上
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图6.6.2 起落架手柄锁控制电路举例
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§6.7 顺桨系统
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一、螺旋桨
➢ 飞机发动机带动的螺旋桨在空气中高速旋转，空气 流过桨叶的前桨面，就像流过机翼的上表面一样， 流管变细，流速加快，压力降低；空气流过桨叶的 后桨面，就像流过机翼下表面一样，流管变粗，流 速减慢，压力升高。这样，在桨叶的前后表面形成 压力差，这种压力差综合起来构成了推动飞机前进 的动力——拉力。
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二、螺旋桨的自转、飞转、顺桨和逆桨
➢ 逆桨：在有些飞机上装有逆桨操纵系统，其桨叶能 由正常位置转至逆桨位置，使螺旋桨在负的桨叶角 条件下工作。由于桨叶的负迎角很大，相对气流方 向几乎是对着前桨面吹来，前桨面压力加大，产生 负拉力(阻力)。利用逆桨产生负拉力作用，可使着 陆滑跑的飞机降低速度，起到了刹车作用。
大连海事大学继续教育学院(函授)教学周历
大连海事大学继续教育学院（函授）教学周历版本：K 修改状态：0 DMU －2－095－1课程名称： 船舶柴油机 2013~2014 学年 第 1 学期 专业、层次、年级： 轮机工程专科12级 主讲教师： 刘勤安 教材名称： 主推进动力装置 中国海事服务中心组织编写 2008函授站站长签字：函授站大连海事大学继续教育学院（函授）教学周历版本：K 修改状态：0 DMU －2－095－1课程名称：船舶电气设备及系统 2013 ~2014 学年 第1学期 专业、层次、年级：轮机工程专科12级 主讲教师： 张春来 教材名称：《船舶电气（自学教材）》、《船舶电气培训教材》函授站站长签字：函授站大连海事大学继续教育学院（函授）教学周历版本：K 修改状态：0 DMU －2－095－1课程名称： 轮机英语听力与会话 2013 ~2014 学年 第 1 学期 专业、层次、年级： 轮机专科2012级 主讲教师： 段绪旭 教材名称： 轮机英语听力与会话/中海服/交通函授站站长签字：函授站大连海事大学继续教育学院（函授）教学周历版本：K 修改状态：0 DMU －2－095－1课程名称： 船舶辅机 2013 ~2014 学年 第 1 学期专业、层次、年级：轮机专科2012级 主讲教师： 陈海泉 教材名称： 《船舶辅机》2010版陈海泉编，大连海事大学出版社函授站站长签字：函授站轮机工程专科2012级船舶辅机平时作业第一次作业1.泵的性能参数有哪些？2.写出泵的工作扬程表达式，并说明每一项的物理意义。
3.写出并简要说明保证泵正常吸入条件的表达式。
4.写出并简要说明保证泵正常排出条件的表达式。
5.简述影响往复泵容积效率的主要因素。
6.往复泵上为何要设空气室，对空气室的管理应注意哪些问题？7.简述影响往复泵正常吸入的因素。
8.简述往复泵工作时没有水排出的可能原因。
9.简述齿轮泵流量不能太大的原因。
10.简述影响齿轮泵容积效率的因素。
新操舵装置的控制系统
三、应急操舵 • 定义：当操舵装置控制系统或主操舵装
置发生故障后，利用通信设施在舵机室 内进行的操舵叫应急操舵。 • 注意事项 1、应急操舵演习时间间隔：至少每三个月 进行一次。
2、应急操舵演习的日期和详细内容应记入 航海日志内。
四、操舵控制系统的要求
（操舵装置控制系统的布置要求） 1）对主操舵装置，应在驾驶室和舵机室两
械连接使舵角反馈发送器转动；电路使舵角反馈接 受器同步转动；滑动触臂L2在电阻r2移动，使a、b两 点同电位；舵机停止工作；反之易然。
2、手柄控制系统（直接控制系统） （系统由直流船电供电）
①工作原理：（见下图2-3-25） 手柄控制继电器
②特点
1）没有舵角反馈装置。 （舵角到达前，应将手柄复位）
处都设有控制器。 2）当主操舵装置是由两台或几台相同的动
力设备组成而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。
3）对于辅助操舵装置应在舵机室进行控制。 若辅助操舵装置是用动力操纵的，则也应 能在驾驶室进行控制，并应独立于主操舵 装置的控制系统。
4）能从驾驶室操作的主、辅操舵装置的控制 系统应符合下列要求。（两条）
置。当一套操舵系统发生故障时，可转 换到另一套操舵系统。
1、随动操舵系统 1）组成 ①电桥电路 ②放大器 ③继电器 ④舵角反馈发送器、舵角反馈接受器 2）工作原理
见下图：电桥电路示意图
电桥电路示意图
R1
a
R3
R2
b
R4
船电供给电桥电路（r1、r2电阻）；滑动触臂L1由 舵轮控制在电阻r1移动；在放大器a、b两点产生电位 差；经放大、整流后控制继电器J左；舵机向左转；机
第6章-智能网联汽车先进驾驶辅助技术精选全文
6.4.2 车道偏离预警系统的组成
➢ 车道偏离预警系统主要由信息采集单元、电子控制单元和人机 交互单元等组成
2024/10/1
6.4.3 车道偏离预警系统的原理
➢ 车道偏移预警系统可以在行车的全程自动或手动开启，以监控 汽车行驶的轨迹
➢ 当系统正常工作时，信息采集单元将采集车道线位置、车速、 汽车转向角等信息，电子控制单元将所有的数据转换到统一的 坐标系下进行分析处理，从而获得汽车在当前车道中的位置参 数，并判定汽车是否发生非正常的车道偏离
第6章 智能网联汽车先进驾驶辅助技术
➢6.1 先进驾驶辅助系统简介 ➢6.2 前向碰撞预警系统 ➢6.3 自动紧急制动系统 ➢6.4 车道偏离预警系统 ➢6.5 车道保持辅助系统 ➢6.6 自适应巡航控制系统 ➢6.7 智能泊车辅助系统
第1页
第6章 智能网联汽车先进驾驶辅助技术
第2页
6.1 先进驾驶辅助技术简介
第 10 页
6.1.2 先进驾驶辅助系统的类型
第 11 页
6.1.2 先进驾驶辅助系统的类型
第 12 页
6.2 前向碰撞预警系统——定义
➢前向碰撞预警（FCW）系统主要是利用车载传感器（如视觉 传感器、毫米波雷达等）实时监测前方车辆，判断本车与前车 之间的距离、相对速度及方位，当系统判断存在潜在危险时， 将对驾驶员进行警告，提醒驾驶员进行制动，保障行车安全
第3页
6.1.1 先进驾驶辅助系统的定义与组成
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6.1.2 先进驾驶辅助系统的类型
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6.1.2 先进驾驶辅助系统的类型
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6.1.2 先进驾驶辅助系统的类型
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6.1.2 先进驾驶辅助系统的类型
第8页
航向控制系统
∗ β
+UC ) −Uβ
小与电侧偏航力矩相平
( ) =
U
∗ β
−Uβ
+UC
衡。
UβK
Mβ
β ∝UC
PID自动舵原理：电罗经和自整角机将船舶的实际航 向和给定航向比较，得到偏航信号经发讯器2和相敏 整流器整流后送到灵敏度调节器，再经过比例、微分 和积分环节（5、 6和13）调节后， 由放大器8和功率 放大器9进行放大 ，送给执行机构 10对舵机进行调 节控制。
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°。
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。
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。
ϕ
ϕ* = 0
kd
dϕ
dt
dϕ
dt
一次舵 角、反舵
角
t 二次舵角
β
t
− k pϕ
比例微分控制航向舵角变化曲线图
• 实现比例、微分控制的方案
φ* Δφ
β*
β
§2-2 自动操舵基本原理
• 自动操舵实际上是在设定的航向上由电罗 经或磁罗经操舵。控制系统结构是在舵角 反馈闭环之外，增加了一个航向反馈闭 环。由于罗经设定的是某一既定的航向， 因此这类自动舵又称为航向保持自动舵， 或称为常规舵。常规舵通常由模拟或数字 电子电路组成控制系统。控制算法常采用 PD或PID控制。
操舵装置操舵装置的控制系统
操舵装置操舵装置的控制系统操舵装置能够使舵转动的装置称为操舵装置，通常指安装在舵机舱内的舵机和传动机构。
根据动力源的不同，操舵装置可分为电动操舵装置和液压操舵装置等；根据有关公约和规范，操舵装置又分主操舵装置和辅助操舵装置。
主操舵装置：系指在正常情况下为驾驶船舶而使舵产生动作所必需的机械、转舵机构、舵机装置动力设备(如设有)以及附属设备和向舵杆施加转矩的设施(如舵柄或舵扇)。
其中，转舵机构系指将液力转变为机械动作转动舵的部件。
舵机装置动力设备指：(1)如为电动舵机，系指电动机及辅助设备；(2)如为电动液压舵机，系指电动机及辅助的电气设备，以及与电动机相连的泵；(3)如为其他液压舵机，系指驱动机器及其相连的泵。
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：系指在主操舵装置失效时，为驾驶船舶所必需的设备。
这些设备不成属于主操舵装置的任何部分，但可共用其中的舵柄、舵扇或作同样用途的部件。
动力转舵系统：系指提供动力转动舵杆的液压设备，由1个或几个舵机装置动力设备及辅助管路和附件，以及转舵机构所组成。
各个动力转舵系统可共用一些机械部件，如舵柄、舵扇和舵杆或作同样用途的部件。
(一)电动操舵装置电动操舵装置主要是指电动舵机。
它由电动机、蜗轮、小齿轮、舵扇、缓冲弹簧和舵柄等组成。
当由驾驶室操舵装置控制系统遥控电动机转动时，通过蜗杆、蜗轮、小齿轮带动松套在舵杆的舵扇旋转，舵扇再通过缓冲弹簧推动键套在舵杆上的舵柄，从而使舵杆和舵偏转。
采用蜗杆蜗轮的传动方式主要是为了获得较大的减速比，以增大转矩；同时，可以利用其机械传动中的自锁作用，防止舵叶在受外界冲击作用下发生逆转现象，从而起到保护电动机的作用。
缓冲弹簧的硬度较大，平时在正常的力作用下，弹簧不会变形，并能顺利地传递转舵力矩；当舵叶受到外界巨大的冲击力作用时，弹簧能吸引冲击能量，起保护舵机的作用。
电动舵机结构简单，操作方便，传动可靠，维修方便，所以广泛使用于中小型船舶。
船舶舵机装置的自动控制系统介绍
三、对舵机拖动控制系统的技术要求 （一）、从主配电板到舵机舱应采用双线供电制，并尽可能远离 分开敷设（如左、右舷两路）。在正常情况下应急配电板供电时， 其中一路可以经应急配电板供电。驾驶室与舵机舱的操舵装置应使 用同一电源。 （二）、舵机电动机应满足舵机的技术性要求，并能保证堵转 1min的要求。 （三）、拖动电动机组应采用双机系统，各机组可单独运行（一 机组为备用），也可同时运行。一机组故障碍时，另一机组应能自 动投入运行。 （四）、至少设有驾驶室和舵机舱两个控制站，并设有转换装置， 防止两地同时操纵。 （五）、现代船舶驾驶室多装有操舵仪，一般设有自动、随动、 应急三种操舵方式，也可只设两种。 （六）、船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时，不仅 能满足舵自一舷350转至另一舷350的最大舵角要求，还应满足自任 一舷350转至另一舷300的时间不超过28s的转舵速度要求。 （七）、舵角指示器指示舵角的误差应不大于±10。
右偏，并自动停在右舵，舵操右舵XX0，舵叶右偏，并且自动停在 右舵XX0上。为了减小S形航迹的振幅，船舶在返回正航向过程中， 必须操回舵 ．
图13-8 随动操舵方框图
图13-9为自动操舵的原理图。当船舶沿给定航向上航行，舵叶 在艏艉线上，如图示，滚轮1恰好与绝缘块4接触，两个继电器KA1、 KA2线圈都不通电，其常开触头都开启，直流发电机G磁场电流为 零，输出电压U0为零，直流电动机M停转。沿着正航向航行的船舶， 当受到风、水流等外界干扰而向右或左偏转离开正航向K某一角度γ 时，通过罗经的航向发送器，使航向接受器也转动同一角度 γ，于 是被航向接受器带动的滚轮1也就在两个导电半圆环2、3内侧滚动 某一角度，或与导电半圆环2接触，或与3接触，于是
Aura′=0，电动机停止转动。舵叶处于右舵与舵轮转角相对应的某 一角度的位置上。 如果要求回舵，就得舵轮扳回零位，R1的滑动点从a点重新返 回到0点，电桥平衡又被破坏，但这时放大器的输入信号U0a′<0， 发电机励磁电流IfG和输出电压U0为负，电动机逆时针方向转动， 舵叶向着艏艉线方向偏转。当回到艏艉线上时，通过反馈机构，R2 的滑动点也从a′点返回到0′点电桥又重新恢复平衡，放大器输入信 号U00′=0，电动机停止转动。 改变舵轮的转动方向，便可以改变电动机旋转和舵叶偏转的方 向。随动操舵的方框图如图13-8所示。由方框图可知，就其工作原 理来说，随动操舵就是一个闭环的随动系统，是一个根据偏差进行 自动调节的系统。这种系统的停舵指令不是由操舵人员发出的，而 是在舵叶偏转过程中，由它本身通过反馈机构发出的。由于闭环系 统中采用了比较环节（由两个电位器组成的电桥）进行比较，因此 只有当舵角反馈信号（与偏舵角β成比例）与操舵信号（分操舵角γ 成比例）相等时，偏关信号U1=0，舵叶才会停止偏转。舵轮从角回 互零位，舵叶也从β角回到艏艉线上。图13-8 随动操舵方框图 随动操舵的方法是，船舶在偏航右舵，舵轮操右舵XX0，舵叶右
第七节自动操舵控制系统解读
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。
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 3、应设有随动、单动等操舵设备
• 作业 • 阅读：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 机械；⑵.电动 - 液压。
自动操舵仪
介绍
01 设备简介
03 系统组成
目录
02 工作原理 04 设备分类
基本信息
又称自动操舵装置，是船舶上用于自动控制舵机，以保持船舶按规定航向航行的设备。船舶水面航行主要是 依靠舵来控制航向，自动操舵仪指代替舵手操舵，保证船舶自动跟踪指令航向，达到自动保持与改变航向的目的。
结合陀螺罗经或磁罗经使船能自动保持预定航向的装置。在船正航时，通连罗经刻度盘的接触器处于绝缘位 置，对舵不起作用。船偏航时，接触器接通电流开动操舵电动机以绑正偏航直至船回复并按预定航向前进。因其 对偏航反应灵敏，可使船沿较直航线前进。可全自动操舵或与人工操舵共同运用，也可将其关闭全用人工操舵。
自动操舵仪是根据指令信号自动完成操纵舵机，以使船舶能够保持在预定航线上稳定航行的设备，性能优良 的自动操舵可保持高精度的船舶航向、航迹，减少偏航，由此相应缩短航程，节省燃料，提高航行的经济效益。 用于海洋船舶的操舵仪操舵范围应为±35°，用于内河船舶的操舵范围应为±40°。
自动操舵有两种工况：一种是自动稳定航向；另一种是改变航向。普通自动舵仅有航向保持功能，航迹舵具 有控制船舶精确的航行轨迹。自动操舵仪与ECDIS相结合，可实现航迹控制，在航路点(WP)处。自动转向；在偏 离航迹时，自动控制船舶回到设定的航迹。
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自动操舵仪通常都应具有自动、随动和非随动三种工作状态，有的还有越控功能。其组成主要包括主操舵台、 简易操纵台、反馈机构、伺服机构、转换开关等，并应具有就地应急操舵功能。
(1)主操纵台是自动操舵仪的主要部件，安装在驾驶室中央，一般具有自动、随动、非随动三种工作状态。 (2)简易操纵台安装在舵机舱，进行应急操舵。 (3)反馈机构安装在舵机舱。 (4)伺服机构安装在舵机舱。 (5)转换开关箱安装在舵机舱。 (6)电源转换器安装在舵机舱。 自动操舵仪应与舵机系统和罗经系统紧密配合(当电罗经有故障时，也可通过磁罗经的传感器获得航向信号)。
第6章_6.7自动操舵控制系统
对舵机装置的要求
我国《钢质海船入级与建造规范》根据《国际海上人命安全公约（SOLAS公约）的
规定，对于从事于 国际航行的大于500 总吨的货船或仅从事于非国际沿海航行的大
于1600总吨的货船的舵机提出了明确要求，基本技术要求如下： 1．每艘船舶均应设置1 套主操舵装置和1 套辅助操舵装置。主操舵装置和辅助操 舵装置的布置，应满足当其中一套发生故障时不致引起另一套也失效；如主操舵装 置具有2台或2台以上相同的动力设备则在下列条件下可不设置辅助操舵装置： ①对于客船，当任一台动力设备不工作时，主操舵装置仍能按本规定进行操舵； ②对于货船，当所有动力设备都工作时，主操舵装置能按本规定进行操舵； ③主操舵装置应布置成当其管系或一台动力设备发生单项故障时此缺陷能被隔离， 使操舵能力能够保持或迅速恢复。
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。
偏航与操舵
自动舵方框图
比例舵
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 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。
比例-微分-积分舵
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。
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。
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。
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一、舵机装置及自动操舵装置基本要求
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。
二、舵机操舵方式、类型、工作原理
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。
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。
对舵机装置的要求
我国《钢质海船入级与建造规范》根据《国际海上人命安全公约（SOLAS公约）的
规定，对于从事于 国际航行的大于500 总吨的货船或仅从事于非国际沿海航行的大
于1600总吨的货船的舵机提出了明确要求，基本技术要求如下： 1．每艘船舶均应设置1 套主操舵装置和1 套辅助操舵装置。主操舵装置和辅助操 舵装置的布置，应满足当其中一套发生故障时不致引起另一套也失效；如主操舵装 置具有2台或2台以上相同的动力设备则在下列条件下可不设置辅助操舵装置： ①对于客船，当任一台动力设备不工作时，主操舵装置仍能按本规定进行操舵； ②对于货船，当所有动力设备都工作时，主操舵装置能按本规定进行操舵； ③主操舵装置应布置成当其管系或一台动力设备发生单项故障时此缺陷能被隔离， 使操舵能力能形成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。
1283.舵机的电力拖动系统应设置至少 A ______个控制站（台）；其控制系统应保证各 控制站（台）______同时操作。 A．2/不可以 B．2/可以 C．3/可以 D．1/不可以 D______。 1284.下列对船舶舵机的电力拖动与控制装置的基本要求的叙述错误的是 A．通常分左、右舷两路馈线方式向舵机供电，其中之一与应急电源相连 B．至少有两个控制站（驾驶台和舵机房），控制站之间装有转换开关 C．当舵叶转至极限位置时，舵机自动停止转舵，防止操舵设备受损 D．从一舷最大舵角转至另一舷最大舵角的时间应不超过60 s C______。 1288.下列关于舵机对电力拖动与控制的要求的诸多说法，正确的 A．应设有专用的柴油发电装置向舵机供电以保证供电可靠 B．电动舵机的拖动电动机不允许发生堵转 C．通常分左、右两舷馈线向舵机供电，其中之一与应急电源相连 D．拖动电动机的过载能力较差 D______。 1291.为保证舵机的工作可靠、操作灵便，自动操舵仪应包括 A．自动、随动和应急三种操舵方式，只能在自动、随动之间选择切换 B．自动、随动和应急三种操舵方式，只能在自动、应急之间选择切换 C．自动、随动和应急三种操舵方式，只能在随动、应急之间选择切换 D．自动、随动和应急三种操舵方式，并能方便地在三者之间选择切换 1295.现船舶出现偏航，若操随动舵，船舶在返回正确航向 B______，操回舵；自动操 舵方式，回舵是______进行的。 A．后/自动 B．过程中/自动 C．过程中/人工 D．后/人工
比例-微分-积分舵
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。
2．主操舵装置和舵杆：具有足够的强度并能在船舶最大航海吃水和最大营 运前进航速时进行操舵，使舵自任一舷的35°，转至另一舷的35°，且 于相同条件下自一舷的35°转至另一舷的300所需时间不超过28s。
3．辅助操舵装置： ①具有足够的强度和足以在可驾驶的航速下操纵船舶，并能在应急情况下迅速 投入工作； ②应能在船舶最大航海吃水和以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15°，转至另一舷的15°，且所需时间不超过60s。 4．主、辅操舵装置动力设备： ①当动力源发生故障失效后又恢复输送时能自动再起动； ②能从驾驶室控制使其投入工作； ③任一台操舵装置动力设备的动力源发生故障时，应在驾驶室发出声、光警 报； ④驾驶室与舵机室之间，应设有通信设施； ⑤操舵装置应设有有效的舵角限位器。以动力转舵的操舵装置，应装设限位 开关或类似设备，使舵在到达舵角限位器前停住。装设的限位开关或类似设 备，应该与转舵机构本身同步而不应与舵机的控制相同步； ⑥舵装置应有保持舵位不动的制动装置。
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。
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。
比例-微分舵
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。 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。
1 2
dt
3
C 给出的。 其中φ：偏航角，即PID舵。通常所说的“纠偏舵、稳舵角”效果是该式中______ A．比例项 B．积分项 C．微分项 D．比例、积分两项共同作用 1305.某舵机控制规律为：舵角 d ( K 1 K 2 K 3 dt ) d t ，其中φ:偏航角。它属于______ D 。 A．P舵 B．PI舵 C．PD舵 D．PID舵 B 。 1307.偏舵角与偏航角及偏航角速度成比例的自动舵属于______ A．比例舵 B．比例-微分舵 C．比例-微分-积分舵 D．比例-积分
1296.对于采用直流G-M系统供电的电动-机械舵机，发电机G采用的励磁方式是______ D 。 A．并励 B．串励 C．他励 D．差复励 C 。 1297.对于电动-液压舵机系统来说，拖动变量油泵的电动机应采用何种型号电机______ A．短时工作制 B．特殊转子结构 C．普通长期工作制 D．允许堵转1 min以上的电机 B 。 1298.驾驶员通过操纵舵轮纠正航向，这实际上是使用舵机的______ A．自动操舵系统 B．随动操舵系统 C．应急操舵系统 D．太平舵 1300.某舵机控制规律为：舵角 ( K K d K dt )
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。
偏航与操舵
自动舵方框图
比例舵
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 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。
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。