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。 目

标

设

定预测模型操船信息模型设定正确得到必要信息

决定优先顺序指令N N Y Y Y N 螺旋桨转速舵 角锚的使用缆的使用拖船的使用

A B C D

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

人 船

操纵环

境 图4–24 船舶操纵系统 图4–25 船舶操纵流程图 A B C D N N

N Y Y Y 目

标

设

定 预 测 模 型 操船信息 模型设定正确 得到必要信息

决定优先系列 预 测 模 型

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 t

ψδ= （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 J

ψψ+= （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 J

ψψ= （4–8） 2P P 0cos KV K K t J

δψ=- （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 t

ψδψ=-+ （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 t

KV K t

J 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 d i d (dt)d K K K t

ψδψψ=-+⎰＋ （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。

∑p k d k s

1i k s

伺服机构船航向设定

航向

限幅气候调节扰动－舵角航向反馈

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；