航向控制系统

hand
操舵仪
示意图！ 1
电磁阀
GYRO
PID PWM
NFU M
舵机
定量液
船
压泵
舵叶
航向控制系统组成（2）
hand
操舵仪
GYRO NFU
PID I f
M
示意图！ 2
液压泵
舵机 船
舵叶
航向控制系统的组成1 ： 操舵仪
操舵分罗经 调节旋钮 舵角指示 舵令指示 应急操舵手柄 随动操舵手轮
操舵仪：操舵方式（控制系统）
（3）自动压舵
R
自动压舵是根据单侧偏 航大小自动产生一个与 之相平衡的压舵角。右
( ) Uβ* =kUΔϕ R
+ R -+
图为在舵角反馈回路设 置一个微分环节来实现
Uβ - UC
自动压舵。不对称偏航
必定产生不对称偏舵。
U βK
=
U
∗ β
−Uβ
+UC
Mϕ
将在电容两端产生一个 附加的偏舵信号。其大
=
(U
一、应急操舵
应急操舵只有在自动操舵和随动操舵失灵 情况下使用。要求在驾驶台和舵机舱设置 操舵点。应急操舵实际上是对液压舵机的 直接控制。驾驶台是电控方式。舵机舱除 电控外，还可使用机控方式。
应急操舵原理框图
• 二、随动操舵
• 随动舵在进出港或窄水道航行或自动舵 失灵情况下使用。随动舵实际上是一个 舵角闭环控制系统，即位置随动系统。
• 一、常规舵控制系统框图
常规自动舵方框图
二、常规舵自动操舵的控制规律
1、比例舵 β = −kpϕ
Kp随船型而不同，对万吨船来说，一般 为2～3，即偏航1°时，偏舵角为2°～ 3°。比例系数过大，将使船舶偏航振 幅加大。因此比例操舵虽然简单、可靠 但航向稳定精度较差。当受一舷持续偏 航力矩作用时，不能保证船舶的定向航 行。
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。
∗ 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。
但十字头、导板等结 构复杂，使重量、尺 寸加大，加工、安装 和检修比较麻烦
舵机的转舵机构-拨叉式
N
Pα
Q
α
R0 D
R
拨叉式和十字头式都属于滑式转舵机构，扭矩特性相同。拨叉式结构比十字 头式简单，尺寸也较小，公称转舵扭矩和最大工作油压相同时，重量相应减
轻。目前除特大扭矩舵机外，基本取代了十字头式。 。
• 2、比例微分舵（PD）
• 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
=
−⎜⎛ ⎝
k
pϕ
− kd
dϕ
dt
⎟⎞ ⎠
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
船舶航向自动控制系统：舵 §1 船舶航向控制系统基本概念
船舶舵机是船舶航行的重要设备，其功能为航 向控制，所以又称航向控制系统。
系统主要由安装在舵机舱的舵机和安装在驾驶 台的操舵仪组成。
舵机是转舵的执行机构，操舵仪是控制机构。
目前舵机多采用液压传动，而操舵仪采用先进 的电子技术或计算机技术。
一、 航向控制系统组成（1）
舵机的转舵机构-转页式
转叶式转舵机构占地面积小， 重量轻，可组装后整体吊装， 安装方便；外部无需润滑部 位，管理方便；扭矩特性不如 滑式但优于滚轮和摆缸式；内 部密封部位较多，泄露不易发 现，更换密封件比较麻烦；普 通单缸转叶式舵机，一旦内部 发生密封损坏和其它故障导丧 失操舵能力时，无法在45s内 将故障隔离而恢复操舵能力。 目前随着密封材料和密封方式 的不断改进，它也成功应用于 大型油轮。
新造船逐渐采用变频电机驱动液压泵
缺点：
1.液压伺服系 统故障率大
2.转换遥控系 统时间长
接电反馈装置
夜控旁通阀： 旁通油、路隔锁断闭液压阀缸
驾锁驶闭台油操路 舵锁闭电备信用号油路
溢流节流安阀全：阀调：速伺服
活塞最大输出力
4： 舵机的转舵机构-十字头式
十字头转舵机构在舵角增大 是工作油压增加平缓，而且 油缸与柱塞不承受侧推力， 密封可靠，故较适合大转多 扭矩和高工作油压。
3、自动操舵控制系统，auto，cpu，ຫໍສະໝຸດ Baiduyro
航向自动舵
航迹自动舵：节能，减少实际航程，减少舵动作
航向控制系统组成2：舵机
1 船舶航行对舵机装置的要求（solas）
1）舵机装置供电要采用两舷供电方式。其中一路应经由应 急配电板供电。
2）电动舵机的电动机采取连续工作制，有足够的过载能 力，软机械特性，能堵转一分钟。
• 通常随动舵舵令发讯器和舵角反馈发讯器 使用线性电位器或自整角机。由于其精度 限制，舵角误差要求在 1°以内。
• 误差调整：误差调整是指在任意舵位时舵 令与舵角指示器和实际舵位存在超过 1° 以上的误差。这种情况下需要进行舵位误 差调整。
• 第一步：舵位校零。通常做法是将舵位设 置在零度，调整舵令发讯器或舵角反馈发 讯器线性电位器或自整角机的外壳，使实 际舵位归零。
§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。
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
• 目前发展方向主要是，1先进控制理论应用，如非 线性、模糊、神经网络等等，最终达到节能目的； 2功能更强大，增加与其它驾驶台设备（电子海 图、GPS等等）的信息交换，成为IBS的重要节点。
§2 舵的控制系统
一、人工操舵的一般规律
360
270
90
180
§2-1 人工操舵基本原理及要求
操舵仪的三种操舵方式中（应急操舵、随 动操舵、自动操舵），应急操舵和随动操 舵属于人工操舵。
二、 航向控制系统发展与现状
• 历史上自动操舵仪经历了机械自动舵、PID自动 舵、自适应自动舵三代。近代船舶通常装有自适应 舵，在航船舶中也有不少装有PID自动舵。
• 目前使用较多的自动操舵仪有：日本东京计器 TOKIMEC公司的PR-8000系列自动操舵仪、日本北辰 YOKOGAWA的PT21系列自动操舵仪、德国ANSCHUTZ的 NAUTOPILOT A系列自动操舵仪、美国Sperry Marine NAVIPILOT 4000系列自动操舵仪。
自动舵的 机电接口
ACB：浮动杆追随机构[Float Hunting Gear]
三 点浮杆追随机构原理
作用：加快转舵速度
操纵杆
A
A1 A2
变量控制杆
C
C1
反馈杆
B2
B1 B
太软：无法转舵 储能弹簧 太硬：不起作用
3、阀控型液压舵机
使用单向定量油泵，转舵靠驾驶台遥控换向 阀实现，油泵排油回泵的进口或回油箱。 特点：系统简单，造价低；冲击大，可靠性 差，油液发热量大，经济性差。
舵机的转舵机构-滚轮式
滚轮式转舵机构结构简单布置灵活，安装拆修比较方便；柱塞与舵柄的轮之间 靠接触传动，磨损后自动补偿，不会像滑式那样因滑块等磨损后间隙增大而产 生撞击；大、小舵角时的工作油压相差较大，与滑式相比，可适用的转舵扭矩 较小。
舵机的转舵机构-摆缸式 β
摆缸式转舵机构外形尺寸和质量可显著减少；结构简单、拆装方便、布置灵 活；对缸内表面加工精度及活塞与油缸同心度要求较高；扭矩特性不佳，一般 用于功率不大的舵机。
1、直接控制系统或称单舵系统、应急操舵，NFU。
应急操舵只有在自动操舵和随动操舵失灵情况下使用。 要求在驾驶台和舵机舱设置操舵点。应急操舵实际上是对液 压舵机的直接控制。驾驶台是电控方式。舵机舱除电控外， 还可使用机控方式。
2、随动控制系统 , HAND。
随动舵在进出港或窄水道航行或自动舵失灵情况下使用。随动舵实 际上是一个舵角闭环控制系统，即位置随动系统。
9）在驾驶台设有舵角指示器，其与操舵指令和实际 舵角的误差＜1°。
10）自动操舵仪应具有自动、随动和应急三种操舵 方式，且能方便转换和相互联锁。
11）舵杆直径>230mm的舵机，45s内提供替代动 力；1万Gt以上工作 30min, 其他工作10min。
舵机 [Steering Gear]
2、泵控型液压舵机
（1）运用控制系统前向通道的积分环 节对灵敏度以内的小角度航向误差进行 积累。当误差积累超过灵敏度后，给操 舵系统一个动舵信号，打出一个纠偏 舵，使船舶回到设定航线上。右图所 示。
（2）使用人工压舵。根据单侧偏航大 小，人为设定一个单侧偏舵角。使其产 生的纠偏力矩与单侧偏航力矩相平衡。 使船保持在给定航向上。有的常规舵设 有专用人工压舵环节。没有压舵环节 的，也可使用航向调节旋钮来压舵。单侧偏航力矩
φ
PD控制器
舵机控制器
舵机
船舶
-
-
舵角反馈
航向反馈
φ* Δφ
β*
β
φ
航向控制器
舵机控制器
舵机
船舶
-
-
比例积分
航向反馈
• 比例微分舵的调整
• 操舵仪上有比例和微分舵效的调整旋钮。调 整原则是根据船舶载荷和航速情况配合进 行。通常在满载低速航行时，加大比例和微 分舵。而在压载高速航行时，相应减小比例 微分作用。但不管在何种情况下，微分舵不 宜过大。否则将影响船舶保航能力。根据船 舶载荷情况对自动舵比例微分舵效进行合理 调整，是驾驶员职责。但电气人员也有责任 协助驾驶员进行调整。
• 3、比例微分积分舵（PID）
∫ β
=
−⎜⎛ ⎝
k
pϕ
+
kD
dϕ
dt
+
kI
Δϕdt ⎟⎞
⎠
在比例微分舵基础上增加积分环节即构成 PID操舵。积分舵的作用是克服船舶不对 称偏航。不对称偏航的产生是由于单侧 风、浪、流的持续作用或不对装载或螺旋 桨推进的不平衡等因素使船舶出现单侧偏 航。
实现积分舵的形式有三种：
育鲲轮舵机
育鲲轮舵机2
“育鲲”轮变频调速转叶舵机
总结
• 无论何种舵机，最终都是用电控制向液压油 缸注油速度和方向，从而控制舵角
• 泵控型阀控型区别在于控制注油速度和方向 的手段不同
• 电磁阀通常是机电接口（变频电机驱动液压 泵特殊）
• 电磁阀通常有两个：左舵电磁阀，右舵电磁 阀，或者组合在一起，如三位四通阀
三、自动操舵仪中的常用调节环节及调节规律
• 1、比例舵角调节:重载时船舶回转惯性大， 要求较大的舵角比例。船速较高时，较小的 舵角比例就能实现纠偏。
• 2、反舵角调节（微分舵）：根据船舶偏航速 率，与舵角比例配合调节。偏航速率大，所 需反舵角制动作用大，反之亦然。
• 3、灵敏度调节。防止风浪大时舵机动作频 繁。调节规律为:风平浪静，灵敏度高；大风 大浪，灵敏度低。
• 第二步：减小误差调整。通常方法是增 大系统放大倍数。但放大倍数增大后， 可能会引起舵机震荡。因此，调整时要 兼顾这两方面的要求。调整结束时，舵 令、舵角指示器、实际舵位误差应不超 过 1°。
• 在调整过程中，可能会出现左右舵角不 对称的情况。原因可能是电位器或自整 角机处在假零点，需要进行真零点整 定。有时可能要反复进行，才能完成。
• 具有比例、微分和积分调节作用的自动舵称为 PID自动舵。这种PID舵实际上是航向保持仪， 不能实现航迹的自动跟踪。而且，在不同的海 况下，比例、微分、积分等参数需要人为地进 行调节，才能达到比较满意的调节效果。
• 近代船舶大多装备自适应操舵仪。其保航能力 优于常规舵。航向误差可以达到一个船长以 内。因此，又称航线舵或称航迹舵。船舶舵机 保航能力强，可以节省主机推进功率，缩短航 期，具有重大经济意义。
• 4、航向调节。用于自动航行中改变航 向。通常一次航向改变不超过10度。防 止偏航报警误动作。