船舶操纵

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。