船舶操纵
船舶操纵
第五節靠離碼頭繫離泊操縱時，船舶處於低速、大漂角、淺窄水域和舵效差的運動狀態和環境。
由於船舶處於低速運動狀態，因此受其外界風流和周圍環境影響較大，操縱比較困難。
在繫離泊操縱前，必須認真、全面地做好準備工作，並根據客觀實際情況制定完整的操縱計劃。
在靠離泊操縱中，要求沉著冷靜、膽大心細，合理而靈活地運用俥、舵、錨、纜、側推器和拖船等操縱手段。
隨時把船置於最有利的位置，以獲得最大的機動餘地，才能確保繫離泊操縱的順利完成。
一、靠碼頭操縱(一)靠泊計劃1.靠泊前的準備工作(1)掌握本船的船舶特性靠泊前，必須掌握本船的操縱性能，其中包括載重狀況、縱橫傾對操縱的影響，對本船俥、舵、錨、纜等操縱及繫泊設備投入使用的有效性及可靠程度必須有一全面了解，特別是必須了解本船主機進／倒俥換向和頻繁用俥的可靠程度。
(2)靠碼頭前，還必須熟悉掌握外界的客觀條件，其中包括港口、航道、碼頭、泊位(空檔大小一般為船長的120%)的情況，泊位附近風流、水深和船舶交通等資訊。
(3)做好靠泊部署船舶操縱是船上各項工作的聯合作業，全船每一個環節都必須緊密配合，確保各項操作準確、及時，才能使整個操作過程運行自如，並確保靠泊計劃的順利執行。
2.靠泊操縱計劃掌握上述的船舶實況和特性、外界客觀條件及船上人員配備情況，為制定靠泊操縱計劃奠定了良好的條件。
在靠泊前制定全面、完善的靠泊計劃是安全、迅速和順利靠泊的基礎。
靠泊計劃的制定首先應保證其全面性，在進港靠泊的各個過程環節及可能遇到的問題，都需在制定計劃時予以認真考慮。
對任何一個環節可能遇到的問題蘇疏於考慮，都有可能對實際操縱帶來被動。
其次，靠泊計劃中應包含當客觀條件可能發生變化時本船的應變措施。
如有可能，應多考慮幾種方案，以免一旦情況變化，思維缺乏準備，而陷於被動。
通常靠泊操縱方案應包括：進港前的準備、港外航道航行操縱、港內航道航行操縱、靠泊操縱總體安排和各階級的重要實施環節、靠泊中可能遇到的困難和對策等。
船舶操纵与避碰 课件
~~离码头(准备工作,操纵要领)
确定离泊方法:顶流较缓，有吹开风，泊位 前方较清爽，船首开出15°左右船尾的车 舵与码头无碍时，均可采用首离法。自力或 使用拖船尾离时，车舵已与码头无碍，因而 可以自由机动。尾离是更为普遍的离码头方 法，静水港内更是如此。
b. 掌握摆出角度
控制前冲后缩
~~系离浮筒(准备工作,操纵要领) 系浮缆的准备 系浮锚链的准备 系单浮的操纵方法 离单浮筒 系浮时的带缆操作 系双浮筒
直航船行动:应保持航向和航速。然而，当保持航向 和航速的船一经发觉规定的让路船显然没有遵守本 规则各款采取适当行动时，该船即可独自采取操纵 行动，以避免碰撞。
当规定保持航向和航速的船，发觉本船不论由于何 种原因，逼近到单凭让路船的行动不能避免碰撞时， 也应采取最有助于避碰的行动。
~~能见度不良下的行动规则:本条适用于在能见
控制抵泊余速:船首抵泊位中点(N旗)的余速， 以不足2kn为宜
合理选择横距:一般初始横距应大于3倍船宽
调整好靠拢角度:一般重载船顶流较强靠泊时， 靠拢角宜小，以降低入泊速度并减轻拢岸力； 空船、流缓吹开风时，靠拢角宜大，以减低 风致漂移，并保证有足够的入泊速度;吹开风 靠拢角调小,吹拢风时靠拢角调大些.
交叉相遇可分:“小角度交叉”、“大角度交叉”、 “垂直交叉”.
交叉相遇两船的责任:有他船位于本船右舷的船舶， 即为让路船；反之，有他船位于本船左舷的船舶， 即为直航船。
~~让路船和直航船的行动
让路船行动(规则中船舶之间的互见中的责任的让路 船):须给他船让路的船舶，应尽可能及早采取大幅 度的行动，宽裕地让清他船。
~~对遇局面:
当两艘机动船在相反的或接近相反的航向上相遇致 有构成碰撞危险时，各应向右转向，从而各从他船 的左舷驶过。
《船舶操纵》课件
2.船舶推力
船舶推力是指转动的螺旋桨 推水向后，水对螺旋桨的反作 用力在船首方向的分量。倒车 时，则产生指向船尾的拉力。 流向螺旋桨盘面的流称为吸入 流，离开螺旋桨盘面的流称为排出流。吸入流的特点 是流速较慢、范围较大，流线几乎相互平行；排出流 的特点是流速较快，范围较小。水流旋转激烈。 对于给定的螺旋桨，它所产生推力T和转矩M Q 的大 小与其转速n、船速Vs，以及螺旋桨轴在水下的沉深 有关。船速Vs一定时，推力T与转速n2成正比，转矩MQ 也与n 2 成正比；当转速n一定时，则相应方向的船速 Vs越低，螺旋桨推力T越大，转矩MQ也越大。
2.功率种类和效率
1)功率种类
(1)指示功率(IHP) 指示功率是指在主机的气缸内产生的功率，主要用于 蒸汽机。 (2)制动功率(BHP） 制动功率是指输出于主机之外可实际加以利用的功率， 主要用于柴油机。 (3)轴功率(SHP) 轴功率是指传递到与螺旋桨尾轴相接的中间轴上的功 率，主要用于汽轮机。 (4)收到功率(DHP) 收到功率是指通过船尾轴管后向螺旋桨提供的功率。
上述输出功率的相互比例，将因主机的种类和 新旧程度不同而不同，一般情况下如下表所示。
种 类 最大持续输出功率 常用(海上)输出功率 过载(应急)输出功率 输出功率比 100％ 80％～90％ 105％～110％
倒车输出功率 40％～60％ 进港航行或雾航时往往需要备车，此时的 输出功率也称备车输出功率，通常约为最大持 续输出功率的50％～60％。
据统计，船速Vs和船舶长度均较接近的船舶，其航 向稳定性指数T与该船的方形系数Cb和长宽比有密切 关系。方形系数Cb较低、长宽比较高的船，一般说来， 具有较高的航向稳定性
4.舵效
1)舵效的含义 舵效是指运动中的船舶，操一定舵角后，使船在 较短时间内，较小的水域上得到的转头角，即改向 角的大小。 若转头角大，则认为舵效好，否则，舵效就差。 2)影响舵效的主要因素以及提高舵效的措施 (1)舵角： 因为舵角的大小直接影响转船力矩和转头角的大 小，所以加大舵角是提高舵效的有效措施。 (2)舵速： 舵速是由船速、伴流和螺旋桨排出流流速三部分 组成。船舶在低速航行中，当需要大角度转向时， 则可加大螺旋桨转速，提高滑失比，增大排出流流 速以提高舵效。
船舶操纵和避碰规则
船舶操纵和避碰规则船舶在海上操纵的基本原则是安全、合法、高效。
下面将介绍一些船舶操纵和避碰规则的主要内容。
首先，船舶应遵守海上交通规则，包括正常航行、近岸航行、进港、离港和遇险等各种情况的规定。
船舶应根据自身情况和实际需要，采取适当的操纵方式，并遵循导航标志和灯光信号的指示。
其次，船舶在遇到其他船舶时，需要遵守避碰规则。
主要有以下几个原则：1.第一原则是尽量避免碰撞。
船舶在遇到其他船舶时，应尽量采取行动以避免碰撞，特别是在接近情况下。
船舶应及时调整航向和航速，采取必要的避让动作，确保安全间隔。
2.第二原则是维持航行通道。
船舶应在通道中心或标有航行指示标志的位置航行，遵循航行通道的规定。
如果需要改变航行方向，船舶应提前发出相应的信号，并确保周围船舶安全。
3.第三原则是给予避让权。
在遇到交叉航线、相对航向以及重合航线的情况下，船舶应给予避让权。
避让的原则是尽量避免对避让船舶造成困扰，采取明确且安全的行动。
另外，船舶还应注意合理的安全距离。
船舶在与其他船舶或障碍物有接近距离时，应维持合理的安全距离，以确保可以及时避让或减速等应急操作。
此外，船舶还需特别注意近岸航行。
在接近陆地、港口或其他船只停泊区域时，船舶应严格遵守相关规定，按照导航标志、灯光信号和约定的航线进出港口，确保安全。
以上只是船舶操纵和避碰规则的一些主要内容，实际上，这些规则还涉及到较为复杂的航行情景，如船舶相遇、逃避危险、改变航向和速度等。
为了确保船舶操纵和避碰的安全性，船舶操纵人员应进行专业的培训，熟练掌握这些规则，并在实际操作中加以运用。
总之，船舶操纵和避碰规则是保障海上航行安全的重要规范，船舶操纵人员应熟悉并遵守这些规则，以确保船舶在海上的安全航行，避免碰撞和意外事故的发生。
这对于保护人员和财产的生命安全至关重要。
第二章 船舶操纵基本知识
第二章船舶操作基本知识船舶操纵是指船舶驾驶人员根据船舶操纵性能和客观环境因素，正确地控制船舶以保持或改变船舶的运动状态，以达到船舶运行安全的目的。
船舶操纵是通过车、舵并借助锚、缆和拖船来实现的。
要完成操纵任务，除保证所有操纵设备处于正常良好的技术状态外，操纵人员必须掌握船舶操纵性能(惯性和旋回性等)及对客观环境（风、流、水域的范围等）的正确估计。
第一节车的作用推动船舶向前运动的工具叫船舶推进器，推进器的种类很多，目前常见的有明轮、喷水器推进器螺旋桨、平旋推进器、侧推器等。
因为螺旋桨结构简单、性能可靠且推进效率高，所以被广泛应用于海上运输船舶。
一、螺旋桨的构造1、螺旋桨的材料和组成螺旋桨常用铸锰黄铜、青铜和不锈钢制作。
现在也有采用玻璃制作的。
螺旋桨有桨叶和浆毂两部分组成，连接尾轴上。
（1）桨叶，一般为三片和四片，个别也有五片甚至六片的，低速船采用宽叶，高速船采用窄叶。
（2）桨毂，多数浆毂与桨叶铸成一体。
浆毂中心又圆锥形空，用以套在尾轴后部。
（3）整流帽（4）尾轴2、螺旋桨的配置一般海船都采用单螺旋桨，叫单车船。
也有部分船舶（客船和军舰）采用双螺旋桨，叫双车船。
单桨船的螺旋桨通常是右旋转式的。
右旋是指船舶在前进时，从船尾向船首看，螺旋桨在顺车时沿顺时针方向转动的称为右旋，沿逆时针方向转动的称为左旋。
目前，大多数商船均采用右旋式。
双桨船的螺旋桨按其旋转方向可分为外旋式和内旋式两，对于双桨船，往舷外方向转动的称为外旋，反之称内旋。
通常采用外旋，以防止水上浮物卷入而卡住桨叶。
进车时，左舷螺旋桨左转，右舷螺旋桨右转，则称为外旋式；反之，称为内旋式。
二、推力、阻力和功率1、船舶推力在主机驱动下，螺旋桨正车旋转时推水向后运动，水对螺旋桨的反作用力在船首方向的分量就是推船前进的推力，倒车时则产生指向船尾的拉力。
流向螺旋桨盘面的水流称为吸入流（suction current）；离开螺旋桨盘面的水流称为排出流（discharge current）。
船舶操纵知识
Tr Lk
V
b
Ad
V D0 Re
• 大小：
– 一般约为3~6L，回 转性较差船舶可达 7~8L。 DT值越小， 则回转性越好。
b
4.旋回初径
船舶种类
• 应用：
– 在航海实践中，旋 回圈的大小常常用 其旋回初径DT表示。 – 采用其旋回初径与 其船长L（一般为 两柱间长）的比值 DT／L来表示，称 为相对旋回初径。
4. 横倾（list）
4. 横倾（list）
• 影响因素：
– 船舶旋回横倾大小与船速、所操的舵角、船舶的 旋回性能和船舶的初稳性高度GM等有关。
• 注意事项：
– 操船过程中应特别注意回转突倾，避免用急舵特 别是急回舵。 – 1999年10月17日盛鲁轮在避让渔船时因操舵造成 横倾过大，引起汽车碰撞起火，最后沉没。
2.进距（Advance）
DT
• 定义：
– 进距也称纵距，是指从 从转舵开始时刻船舶重 心Ｇ点所在的位置，至 船首转向900时船舶纵 中剖面的距离。
Lk
Tr
V
b
Ad
V D0 Re
b
• 大小：
– 约为3~4L，约为旋回初 径DT的0.6～1.2倍， Ad 表示船舶对操舵反映得 快慢，即应舵速度。
3.横距（Transfer）
DT／L
5~6.5
4~5 2.5~7.5 7.5~8.0
大型货船
中小型货船 油轮 大型远洋客船
中小型海上客船
大型客货船 中小型客货船
4~5
5~7 4~5
拖轮
巡洋舰 驱逐舰 潜艇
1.5~3
3~5 5~10 3~5
5.旋回直径
DT
• 定义：
船舶操纵知识点归纳
{（1）定常旋回阶段第一章船舶操纵性基础1、定义：保向、改向、变速。
2、船舶操纵性能：①变速性能：（1）停船性能（2）启动性能（3）倒车性能②旋回性能③保向性能④航向稳定性能3、一些主要概念：①转心：转轴与船舶首位线交点（垂足）通常位于船首之后1/3L （船长）它的位置稍有移动②通常作用在船上的力及力矩：水动力、风动力、舷力、推力③漂角：船舶运动速度与船首位线的夹角4、①水动力及其力矩：水给予船舶的运动方向相反的力②特点：船前进时，水动力中心在船中前船后退时，水动力中心在船中后③附加质量：惯性质量及惯性矩大型船舶纵向附加质量≈0.07m （m 为船的质量）附加惯性矩≈1.0Iz （Iz 为船的惯性矩）④水动力角：水动力方向与船首位线的夹角它是漂角的函数，随它漂角的增大而增大⑤水动力中心大概位置:前进平吃水：漂角为0时，中心在船首之后1/4L （船速越低，越靠近船中，前进速度为0时，在船中）后退平吃水：漂角为0时，中心距船中1/4L⑥水动力距：与力矩系数水线下面积、船体形状有关力矩系数是漂角的函数5、船体阻力摩擦阻力→主要阻力占70%—90%速度越大，其值越大（与V 2成正比）兴波阻力（低速时：与V 2成正比；船高速时：急剧增大）涡流阻力空气阻力：约占2%附体阻力6、船舶的变速性能①停船性能（冲程）：与惯性有关②冲程：往往是对水移动的距离（对水移动速度为0）③一般万吨船：倒车停船距离为6—8L倒车冲程：5万：8~10L 10万吨:10~13L 15—20万吨：13~16L④当船速降到60%~70%时，转速降到25%~35%倒车⑤换向时间：从前进三到后退三所需时间汽轮机：120s~180s 内燃机：90s~120s 蒸汽机：60s~90s7、船舶的旋回性：转船阶段①旋回圈：过渡阶段—变速旋回阶段{剩余阻力：附加阻力：{②旋回初径：操舵后航向转过180°时，重心移动的横向距离一般为3~6L③旋回直径：船定常旋回时，重心轨迹圆的直径通常为旋回初径的0.9~1.2倍④进距：开始操舵到航向转过任一角度，重心移动的纵向距离通常为旋回初径的0.6~1.2倍⑤横距：指操舵让航向转过任一角度，垂心所走的横向距离约为旋回初径的1/2倍⑥制距：操舵开始时的重心位置到定常旋回率重心的纵向距离1~2L（2）船舶旋回运动是舷力的横向分量、水动力横向分量共同作用的结果（3）船舶旋回运动中的性能：降速车旋回的初始阶段：内倾；定常旋回：外倾旋回时间：旋回360°所需的时间；万吨级船旋回时间约为：6min（4）影响旋回特性的因素：①方形系数大旋回性好旋回圈小②船首水线下面积多旋回性好旋回圈小③船尾有钝材或船首瘦削旋回性差旋回圈大④舵面积大旋回性好旋回圈小⑤吃水增大横距、旋回初径增大，反移量减小⑥横倾，影响较小：低速时，向底舷一侧旋回旋回性好高速时，向高舷一侧旋回旋回性好船速低于某一值时，旋回圈加大⑦浅水：水变浅阻力加大转船舵力作用小旋回圈大旋回性变差⑧旋回圈在实际操船中的应用：反移量（kick ）：向操舵相反一舷移动的距离0.1~0.2L （10%~25%L ）9、操纵指数：k r r T =+.（T ：追随性指数.r :r 的导数角速度<r>的加速度k:旋回性指数）阻尼力矩惯性力矩=T （T 大，惯性大，实际操舵中T 越小越好）阻尼力矩转舵力矩=k （k 大，转舵效应好，实际操舵k 越大越好）无因次的k’、T’)(')('v L T T v L k k ==（k/T 表示舵效）{{第二节航向稳定性及保向性1、船向稳定性定义：船受外力干扰，干扰消失后，不用舵的前提下，船能自动恢复直线运动①恢复到原航向平行的航向航向稳定性（方向稳定性）稳定性②彻底恢复到原航行完全相同的航向上③直线稳定航向稳定性：方形系数低，长/宽高的船航向稳定性好瘦船稳定性好船首侧面积大航行稳定性差（例如：球鼻首bulous）2、保向性概念：船首线运动受外力干扰通过用船纠正使其恢复到原航向与航迹上继续做直线运动一般来说：航向稳定性好的船保向性好3、影响保向性因素瘦船好浅吃水差船尾肥大（有钝材）好干舷高差尾倾较首倾好轻载比满载保向性好（如有风，另当别论）船速高好水深浅好逆风逆流好第三节变速性能补充1、启动性能：静止定常运动定常速度v、所需距离与排水量成正比，与v2成反比，与阻力成正比经验：满载启动距离20L轻载为满载的1/2~2/32、减速性能：停车冲程：对水速度为0通常对水移动能维持舵效的最低速度，即认为停船万吨级船2节、超大船3节，即认为停船一般货船停船冲程8~20L、超大船停船冲程20L3、制动性能：前进三后退三变螺距船CPP是FPP船紧急停船距离的60%~80%总结：排水量大停船距离大船速大停船距离大污底严重停船距离小主机功率大停船距离小顺流顺风停船距离大第四节船舶操纵性试验1、旋回试验：在直航情况下，左35°或右35°，使船旋回旋回试验的目的:测定旋回圈，评价船舶旋回性2、冲程试验冲程条件：风流小水深≥3Bd 采用投掷法测定倒车使船停下（这种试验）要求船首改变90°3、螺旋试验、逆螺旋试验该试验目的，判断船舶航向稳定性好坏逆螺旋试验：求取船舶达某一回旋角速度所需舵角4、Z 性试验该试验主要评价船舶首摇抑制性，也可测定旋回性，追随性，航向稳定性获得操纵性指数第五节IMO 要求1、①对旋回性：进距＜4.5L 旋回初径＜5L操10°舵角航向改变10°时的进距＜2.5L②对停船性：全速倒车停船距离＜15L超大船倒车停船距离＜20L③对于首摇抑制性、保向性3、Z 型试验结果：左右10°舷角第一超越角：a 、当L/v ＜10s 时：＜10°b 、当L/v ＞30s 时：＜20°c 、当10s ＜L/v ＜30s 时：[5+21（L/v ）]°第二超越角：a 、当L/v ＜10s 时：＜25°b 、当L/v ＞30s 时：＜40°c 、当10s ＜L/v ＜30s 时：＜[17.5+0.75（L/v ）]°第三章车、舵、锚、缆、拖船第一节螺旋桨（propeller ）1、关于阻力的补充摩擦阻力占到70%~80%，它与大约船速1.852的次方成正比2、吸入流与排出流①进入螺旋桨的流吸入流：范围广、流速慢、流线平行②螺旋桨排出的流排出流：范围小、流速快、水流旋转3、推力有船速关系（还与滑失有关）推力：排出流对船的反作用力船速一定，螺旋桨转速高推力大螺旋桨转速一定，船速高推力小4、滑失：螺旋桨对水实际速度与理论上能前进速度之差理论速度滑失滑失比=螺旋桨推力主要取决于其转速及滑失比。
第三节船舶操纵与避碰分解
第三节船舶操纵与避碰一、船舶操纵(一)船舶操纵基础知识1•船速与冲程1)船速为了保护主机不使其超负荷运转，方便操纵和保证安全上来说，就需要对船速做出相应的规定。
(1)额定船速①额定功率供海上长期使用的最大功率。
②额定转速额定功率下的主机转速。
③额定船速在额定功率与额定转速条件下，船舶在静水中所能达到的速度，称为额定船速。
额定船速是船舶在深水中可供使用的最高船速。
(2)海上船速在海上常用功率和常用转速条件下，船舶在静水中航行的速度，称为海上船速。
目的：由于海上气象多变，为确保长期安全航行，需储备部分主机功率，海上常用功率为额定功率的90%,常用转速为额定转速的96〜97%。
(3)港内船速为保护主机和便于操纵与避碰，规定船舶在港内的航行速度，称为港内船速，或称备车船速。
一般为海上船速的70〜80%。
车(telegraph)：前进三(Full ahead)> 前进二(Half ahead)、"前进一(Slow ahead)、微速前进(Dead Slow ahead)；后退三(Full astern)后退二(Half astern)后退一(Slow astern)> 微速后退(Dead Slow astern)；停车(Stop Engine)；完午(Finish with Engine) o2)冲程⑴定义船舶以不同速级的转速前进中停车或倒车，需要经过一段时间和前冲相当长的一段距离才能使船停住，这段距离称为冲程。
(2)产生原因船舶运动惯性。
(3)影响冲程的因素①排水量排水量越大，冲程越大；②船速船速越大，冲程越大；③风流顺风顺流，冲程增大。
④污底船舶污底严重时，冲程减小。
⑤水深浅水中，冲程较小(因受浅水阻力作用)。
⑥主机类型主机倒车功率越大，换向时间越短，冲程越小(4)冲程的获取冲程通常是通过实测求得。
(5)冲程的大小通常，一般货船的倒车冲程约为6〜8倍船长，载重量5万吨左右的船舶约为8〜10倍船长，10万吨左右的船舶约为10〜13倍船长，15〜20万吨左右的船舶约为13〜16倍船长。
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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为自然环境，信息C 为航行环境，信息D 为操船手册。
操纵船舶运动的机构，主要有舵和推进动力装置。
舵是船舶操纵的重要设备，操舵者通过操舵可以使船舶保持或改变其航向，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。
螺旋桨分为等螺距螺旋桨、变螺距螺旋桨、固定螺距螺旋桨（FPP ）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。
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：222d d J KV tψδ= （4–5） 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：P K δψ=- （4–6） 式中：p K ——比例系数。
将式（4–6）代入式（4–5），整理后得：22P 2d 0d KV K t Jψψ+= （4–7） 式（4–7）是一齐次二阶常系数微分方程，解此方程可得2P 0cos KV K t Jψψ= （4–8） 2P P 0cos KV K K t Jδψ=- （4–9） 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K P Ψ0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：p d d ()d K K tψδψ=-+ （4–10）式中：K p ——比例系数；K d ——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：22d d 22A B KV K tKV K tJ J e te ψ--=+ （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K P 和K d 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d S V t ψ=⎰ （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：p di d (dt)d K K K tψδψψ=-+⎰＋ （4–13） 式中，K i 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。
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；(3) “高频”海浪干扰处理方法欠佳。
PID自动舵是采用“天气调节”增大死区的办法来抑制“高频”海浪干扰，有一定的效果，但死区的增大同时导致“低频”特性的恶化，引起持续的周期性的偏航，因而消耗额外的能源。
再就是在大风浪中常常由于产生大角度转舵，导致严重的偏航，这是相当危险的。
因此几乎所有的航行法规都要求在大风浪和特殊环境下禁止使用自动舵，而必须改用手动舵。
自适应自动舵能克服上述缺点，因此当前它正在逐渐替代常规自动舵。
2) 自适应自动舵自适应控制的研究对象是具有不确定性的系统，所谓不确定性是指描述被控对象，例如船舶数学模型不是完全确定的，或者模型的参数是随工况和时间而变化的。
不确定性还包括系统的外部扰动。
自适应控制的研究内容为如何控制具有不确定性的对象，使其在指定性能指标下达到并保持最优或次最优。
自适应控制系统的工作原理为在系统运行过程中，系统本身不断地测量被控对象或系统的状态、参数或性能，从而“认指标并与期望的指标相比较，进而作出决策，改变控制器的结构参数或根据自适应的规律来改变控制作用，以保证系统运行在某种意义下的最优或次优状态。
随着上述自适应理论的不断发展和完善以及微机的广泛应用，生产自动舵的厂商相继推出多种型号的自适应舵，其共同特点是在原有自动舵的基础上，增加了具有自适应功能的模块或附件而成为自适应舵，也有少数是另行设计的自适应舵。
下面简单介绍NA VIPILOTAD型自适应舵，其原理框图如图4–27所示。
图4–27中的虚线框为自适应部分，其余部分为常规的自动舵，即基本的反馈控制回路。
自适应部分的船舶数学模型框和船舶参数判断框形成船舶参数辨识器。
船舶模型和实际船舶的输人为舵角δ。
模型的输出和船舶的输出（包括转向速度）比较后得到模型误差e，该误差输人船舶参数判断框，在框内进行船舶参数的估计。
将得到的估计值反馈给模型并修改模型参数使e值趋向极小值。
参数的估计值输人控制器，按给定的性能指标设计最优或次优控制规律参数并发出舵令信号δc。
海况框供驾驶员根据航区和海况选择三种使用条件之一，即狭水道、平静海区和大风浪海区。
船在狭小道航行时，保持航向精度是主要的而节能是次要的，宜用大舵角纠正航向误差。
在大风浪海区航行时，由于风浪的扰动大，允许较大的航向误差，同时从节能考虑，宜用小舵角。
在平静海区航行，则介于上述两种条件之间。
“船舶状态判断”框是根据输入量计算船舶操纵特性的稳定程度即稳定（Stable）和不稳定（Unstable）。
2. 集成驾驶系统1) 集成驾驶概述集成驾驶台是综合导航系统（Integrated Navigation System，INS）、组合船桥系统（Integrated Bridge System，IBS）、一人驾驶台系统（One Man Bridge）、航行管理系统（V oyage Management System，VMS）等的统称。
在这里，驾驶台已不再是单一的实施操船和发布指令的场所，它已变成了整个船舶监视控制中心。
这种称为集成驾驶台的系统布局，看上去就象一个航天火箭发射控制中心，值班人员可以在任一时刻从各种显示仪表和显示屏幕上观察到全船设备的运行状态以及船舶航行的实际情况，实施对船舶的全面控制。
如上所述，未来船舶、智能化船舶的研究诱发了集成驾驶台观念的形成。
然而，真正促进并能够检验它的是“一人值班”概念与规则的形成。
因而，可以说集成驾驶台已成为船舶自动化的必然趋势，亦成为航海自动化的研究动向。
关于集成驾驶台的主要特征，可归结如下：(1) 集中集成控制是集成驾驶台的基本思想。