《船舶结构与设备》课程教学课件（PPT讲稿）第五章 舵设备与操舵 Steering Equipment（2/2）

第四节操舵装置的控制系统一、液压操舵装置的电气控制系统（了解）1.力矩马达式操舵控制系统2.伺服油缸式操舵控制系统二、电动操舵装置的控制系统1.单动操舵控制系统（手柄控制系统）a.原理；b.操舵注意两点（按舵角和航向操舵的不同）2.随动操能控制系统注意工作原理。随动操舱（Follow-upsteering）控制

一、液压操舵装置的电气控制系统（了解） 1.力矩马达式操舵控制系统 2.伺服油缸式操舵控制系统 二、电动操舵装置的控制系统 1.单动操舵控制系统（手柄控制系统） a.原理； b.操舵注意两点（按舵角和航向操舵的不同） 2.随动操舵控制系统 注意工作原理。 第四节 操舵装置的控制系统 随动操舵（Follow-up steering）控制

第四节操装置的控制系统操舵控制系统的布置要求：1.主操舵装置应在驾驶室和舵机室两处都设有控制器。2.主操能装置由两台或两台以上相同的动力设备组成，下设辅助操舵装置时3.对干辅助操能装置：4.能从驾驶台操作的主、辅操能装置的控制系统应符合：能在驾驶室某一位置被投入工作；在舵机室应设有能将驾驶室操纵的控制系统与其服务的操能装置脱开的设施5.电源供应故障（控制系统的），视听警报。6.通讯联络。7.独立的舵角指示系统8.带原理框图的适当操作说明

◆ 操舵控制系统的布置要求： 1.主操舵装置应在驾驶室和舵机室两处都设有控制器。 2.主操舵装置由两台或两台以上相同的动力设备组成，下设辅助 操舵装置时．．．．．． 3.对于辅助操舵装置： 4.能从驾驶台操作的主、辅操舵装置的控制系统应符合： ✓ 能在驾驶室某一位置被投入工作；在舵机室应设有能将驾 驶室操纵的控制系统与其服务的操舵装置脱开的设施。 5.电源供应故障（控制系统的），视听警报。 6.通讯联络。 7.独立的舵角指示系统。 8.带原理框图的适当操作说明。 第四节 操舵装置的控制系统

自动能的一般要求：（1）静态性能：一般海况下航向控制精度在0.5-1.0度，恶劣海况下在1.0~3.0度：(2）具备消除恒值干扰的能力。鲁棒性.ppt（3）对天气变化有适应能力：能抑制海浪的高频干扰，在八级风内能正常工作：一般海况下转向时航向基本无超调（小于5%）：（4）动能次数少，幅度尽量小，节约能耗，减少舵机磨损第五节自动舵（autopilot）一、普通自动舵（一）自动舵的种类（按其调节规律分）：自动操舵系统简称自动舵1、比例（P）控制（按船舶偏航角来操能的自动能）：α=-kΦ比例系数<，可根据船舶类型、海况、装载情况来选择和调整。结构简单，航尚稳定过程慢，精度较差。2、比例-微分（PD）舵（按船舶偏航角和偏航角速度来操能的自动能）α= -(k,Φ+k2dΦ/dt)比例系数k，和微分系数k根据船舶种类、装载和偏航惯性来选调。减少偏摆、稳定航向过程较快，灵敏度、精度高，自前多采用。3、比例-微分-积分（PID）舵（按偏航角、偏航角速度及偏航角积分来操能的自动能）：α=-(k,+k2db/dt+k3Jdt)在比例微分舵基础上增加一个积分环节项，以克制因风流或不对称等原因而产生的忆值扰的作角。设计完善，但结构复杂，造价高

自动舵的一般要求： (1)静态性能：一般海况下航向控制精度在0.5~1.0度，恶劣海况下在1.0~3.0度； (2)具备消除恒值干扰的能力。鲁棒性.ppt (3)对天气变化有适应能力；能抑制海浪的高频干扰，在八级风内能正常工作；一般 海况下转向时航向基本无超调(小于5％)； (4)动舵次数少，幅度尽量小，节约能耗，减少舵机磨损。 第五节 自动舵（autopilot） 一、普通自动舵 （一）自动舵的种类（按其调节规律分）：自动操舵系统简称自动舵 1、比例（P）控制舵（按船舶偏航角ф来操舵的自动舵）： α＝‐k1ф ➢ 比例系数k1可根据船舶类型、海况、装载情况来选择和调整。 ➢ 结构简单，航向稳定过程慢，精度较差。 2、比例-微分（PD）舵（按船舶偏航角和偏航角速度来操舵的自动舵）： α＝‐（k1ф＋k２dф/dt） ➢ 比例系数k1和微分系数k２根据船舶种类、装载和偏航惯性来选调。 ➢ 减少偏摆、稳定航向过程较快，灵敏度、精度高，目前多采用。 3、比例-微分-积分（PID）舵（按偏航角、偏航角速度及偏航角积分来操舵的自动舵）： α＝‐（k1ф＋k２dф/dt＋k３∫фdt） ➢ 在比例——微分舵基础上增加一个积分环节项，以克制因风流或不 对称等原因而产生的恒值干扰的作用。 ➢ 设计完善，但结构复杂，造价高

微分设定天气调节+扰动M敢大限幅航向能角5U水操能装置0-+8比例上航向中第五节自动舵（autopilot）轮角反馈航向反馈（二）PID自动能的基本工作原理随动操舵的指令机构是人工操舵的舵轮，而自动舵是航向信号。（1）设定航向与实际航向比较环节：自动能的角度比较大多采用由陀螺罗经测得的实际航向与设定航向通过自整角机进行比较，获得航向偏差，自整角同时将偏差信号转换成电量。(2)PID控制器：经过PID控制器建立起偏能角8与航向偏差、航向偏差变化率以及航向偏差的积分之间的关系微分的作用是预测船舶的偏航趋势，改善船舶操纵的动态性能：积分的作用是角于降低甚室消除船舶的航向偏差，改善船舶操纵的静态特性。(3)放大（限幅）器：用以对舵角信号加以放大或限幅，最终按一定的控制规律驱动执行机构。(4)操舵装置：>它接收经放大或限幅的舵角控制信号，转动舵叶，产生使船舶转向的力矩。(5）航向反馈装置：一般为陀螺罗经，用它测得船舶的实际航向，该航向信号经自整角机转换成A电信号以便写设定航向进行比较

（二）PID自动舵的基本工作原理 随动操舵的指令机构是人工操舵的舵轮，而自动舵是航向信号。 (1)设定航向与实际航向比较环节： ➢ 自动舵的角度比较大多采用由陀螺罗经测得的实际航向与设定航向通过自整 角机进行比较，获得航向偏差，自整角机同时将偏差信号转换成电量。 (2)PID控制器： ➢ 经过PID控制器建立起偏舵角δ与航向偏差、航向偏差变化率以及航向偏差的 积分之间的关系。 ➢ 微分的作用是预测船舶的偏航趋势，改善船舶操纵的动态性能；积分的作用 是用于降低甚至消除船舶的航向偏差，改善船舶操纵的静态特性。 (3)放大(限幅)器： ➢ 用以对舵角信号加以放大或限幅，最终按一定的控制规律驱动执行机构。 (4) 操舵装置： ➢ 它接收经放大或限幅的舵角控制信号，转动舵叶，产生使船舶转向的力矩。 (5)航向反馈装置： ➢ 一般为陀螺罗经，用它测得船舶的实际航向，该航向信号经自整角机转换成 电信号以便与设定航向进行比较。 第五节 自动舵（autopilot）

第五节自动舵（autopilot）（三）自动舵的操作使用1.自动舵的操舵传动方式【随动、自动、应急】2.自动能面板各调节旋钮的使用1）操能方式转换开关2）比例调节（Rudderadjust）比例调节旋钮用以调节比例系数。福刻度的档次越高，比例系数越大，偏能角与偏航角的比值也较人船舶重载，或空载并有舵叶露出水面，或海况恶劣时一般应调一此3）微分调节（Rateadjust）微分调节旋钮也称反舵角调节旋钮或速率调节，是调节微分系数。应主要根据偏航惯性来调节，重载时船舶的转动惯量大，则其1偏航惯性也大，应调大一些，轻载或海况差时应调小一些

（三）自动舵的操作使用 1.自动舵的操舵传动方式【随动、自动、应急】 2.自动舵面板各调节旋钮的使用 1）操舵方式转换开关 2）比例调节(Rudder adjust) ➢比例调节旋钮用以调节比例系数。 ➢刻度的档次越高，比例系数越大，偏舵角与偏航角的比值也较 大。 ➢船舶重载，或空载并有舵叶露出水面，或海况恶劣时一般应调 大些。 3）微分调节(Rate adjust) ➢微分调节旋钮也称反舵角调节旋钮或速率调节，是调节微分系 数。 ➢应主要根据偏航惯性来调节，重载时船舶的转动惯量大，则其 偏航惯性也大，应调大一些，轻载或海况差时应调小一些。 第五节 自动舵（autopilot）

第五节自动舵（autopilot）4）灵敏度旋钮（(Sensitivityadjust）：灵敏度旋钮又称天气调节（Weatheradjust)或航摆角(Yawing）调节。2调节方法是：在天气好时，海浪干扰小，可将灵敏度调高（“死区或“航摆角”调小）一些；风浪大时，应将灵敏度调低些。5）压舵调节：无积分作用的自动舵设此旋钮，用以调整压舵的舵角大小。当船舶受到风流等恒值外力干扰而向单侧方向偏转时，需向相反一压能，以抵消单侧偏航作用。压舵的舵角大小可以根据船舶偏转情况来选定对于PID自动舵，当利用GPS自动测算时，不必人工调节。6）自动改向调节（Courseadjust）：在自动工作状态下改向时可使用此功能。使用该旋钮改向时，应把比例旋放在最小位箸应注意在自动状态下改向的幅度一般每次不宜超过10°，最大不超过20°，超过时应改为随动操舵状态，由人工操舵转至新的航向后再恢复到自动状态，或在首动获悉下分几次进行。船舶避让改尚时一般也应该为人工操舵7）零位修正调节旋钮

4）灵敏度旋钮(Sensitivity adjust)： ➢ 灵敏度旋钮又称天气调节(Weather adjust)或航摆角(Yawing)调节。 ➢ 调节方法是：在天气好时，海浪干扰小，可将灵敏度调高（“死区” 或“航摆角”调小）一些；风浪大时，应将灵敏度调低些。 5）压舵调节： ➢ 无积分作用的自动舵设此旋钮，用以调整压舵的舵角大小。 ➢ 当船舶受到风流等恒值外力干扰而向单侧方向偏转时，需向相反一舷 压舵，以抵消单侧偏航作用。 ➢ 压舵的舵角大小可以根据船舶偏转情况来选定。 ➢ 对于PID自动舵，当利用GPS自动测算时，不必人工调节。 6）自动改向调节(Course adjust)： ➢ 在自动工作状态下改向时可使用此功能。使用该旋钮改向时，应把比 例旋钮放在最小位置。 ➢ 应注意在自动状态下改向的幅度一般每次不宜超过10°，最大不超过 20°，超过时应改为随动操舵状态，由人工操舵转至新的航向后再恢复 到自动状态，或在自动状态下分几次进行。船舶避让改向时一般也应 该为人工操舵。 7）零位修正调节旋钮 第五节 自动舵（autopilot）

第五节自动舵（autopilot）3.使用自动操舵仪（自动舵）的注意事项1自动操舵只有当船舶航行于海上，不需要频繁变向时才使用。其他要人工操能时，均应使用或改为人工（随动）操舵情况。船舶遇有大风浪，或为保护自动舵时也应改用人工操舵。在上述这些情况下，应毫不迟延地为值班驾驶员提供一位合格的舵工，该能工应随时准备接过操能工作2当随动操舵时操舵失效或在自动操能时自动和随动均失效时应立即按应急操舵程序改为应急操舵3）从自动操舵转换为人工操舵，以及相反地从人工操舵转换为自动操舵，应由一位负责的驾驶员操作或在其监督下进行操作。4）在长期使用自动操舵仪以后，以及在进入需要特别谨慎驾驶的区域以前，均应试验人工操能。通常在使用自动舵航行时，每一航行班次（即每4小时）至少应检香一次随动操舵装置是否正常5）在随动操能状态下，自动操能的有关各调节旋钮不起作用，但当随动转入自动操舵时，应先将压舵旋钮和自动改向旋钮调至零位

１)自动操舵只有当船舶航行于海上，不需要频繁变向时才使用。其他 情况。需要人工操舵时，均应使用或改为人工（随动）操舵。 ⚫ 船舶遇有大风浪，或为保护自动舵时也应改用人工操舵。 ⚫ 在上述这些情况下，应毫不迟延地为值班驾驶员提供一位合格的舵 工，该舵工应随时准备接过操舵工作。 ２)当随动操舵时操舵失效或在自动操舵时自动和随动均失效时，应立 即按应急操舵程序改为应急操舵。 ３)从自动操舵转换为人工操舵，以及相反地从人工操舵转换为自动操 舵，应由一位负责的驾驶员操作或在其监督下进行操作。 ４)在长期使用自动操舵仪以后，以及在进入需要特别谨慎驾驶的区域 以前，均应试验人工操舵。通常在使用自动舵航行时，每一航行班 次(即每4小时)至少应检查一次随动操舵装置是否正常。 ５)在随动操舵状态下，自动操舵的有关各调节旋钮不起作用，但当随 动转入自动操舵时，应先将压舵旋钮和自动改向旋钮调至零位。 第五节 自动舵（autopilot） 3.使用自动操舵仪(自动舵)的注意事项

第五节自动舵（autopilot）自适应自动舵（Adaptiveautopilot）1.特点：能适应船舶运动特性和海况的变化、自动地确定各项系数（k、kz、k，），从而可以进行最佳控制，减少操舵次数、减小舵角等，弥补一般自动舵存在的不足（手动调节各旋钮、操舵次数往往较多、航行阻力增加、燃油消耗量相应增加）。2.自适应自动舵的主要组成部分及其相应的功能（1）普通（一般）自动能自适应舵实际上是在普通自动舵的基础上增加了通过微机实现的自适应控制。自适应舵包含了一般自动的部件和功能（2）数学模型自适应舵的微机内贮存着供计算、比较、鉴别之用的船舶运动特性的模型（3）辨识装置这种检测出模型的变化并形成新模型的过由于。。程称为“辨识”：这种辨识在船舶用动操能和智操能时就已开始识别，并在操纵过程中不断更新模型

二、自适应自动舵（Adaptive autopilot） 1.特点：能适应船舶运动特性和海况的变化、自动地确定各项系数 （k1、k2、k3） ， 从而可以进行最佳控制， 减少操舵次数、减 小舵角等，弥补一般自动舵存在的不足（手动调节各旋钮、操 舵次数往往较多、航行阻力增加、燃油消耗量相应增加）。 2.自适应自动舵的主要组成部分及其相应的功能 （1）普通（一般）自动舵 ➢ 自适应舵实际上是在普通自动舵的基础上增加了通过微机实 现的自适应控制。自适应舵包含了一般自动舵的部件和功能。 （2）数学模型 ➢ 自适应舵的微机内贮存着供计算、比较、鉴别之用的船舶运 动特性的模型。 （3）辨识装置 ➢ 由于。这种检测出模型的变化并形成新模型的过 程称为“辨识”。这种辨识在船舶用手动操舵和自动操舵时就 已开始识别，并在操纵过程中不断更新模型。 第五节 自动舵（autopilot）

第五节自动舵（autopilot）（4）卡尔曼滤波器其功能是有效地滤除罗经输出信号（偏航角、偏航速率）中所包含Q：的不规则噪声成分，并估算出船在某一舵角下何时开始转向。并直用统计方法处理新模型输出的船舶偏航与由罗经所观测的偏航角不同的差值，从而估算出转舵时船舶的偏航角。（5）最佳控制器○将卡尔曼滤波器检出的偏航角加到最佳控制器，经其处理后，产生使船舶回到原航向的舵角指令。因此，偏航角、偏航角速度和自动舵工作的备项性能参数可以通过首适应能自动确定，而不需要像般自动能那样凭经验进行人工手动设定。（6）增益调节器当海况恶、波浪等噪声增大时，噪声对船舶转向的影响随之增大?荟尊致紧蔓滤波测的精度下降。努藏尽翠影弃改善因此操纵性能，需设置增益调节器来调整增益参数。日由于船舶运动特性检测出海况的变模型和噪声模型事先已存微型计算机，因此，可过软件自动选择节能方式和保向方式。当海况恶穷到一定程度、操纵性能变差时，则可自动转到保向方式上运行

（4）卡尔曼滤波器  其功能是有效地滤除罗经输出信号（偏航角、偏航速率）中所包含 的不规则噪声成分，并估算出船在某一舵角下何时开始转向。并且， 用统计方法处理新模型输出的船舶偏航与由罗经所观测的偏航角不 同的差值，从而估算出转舵时船舶的偏航角。 （5）最佳控制器  将卡尔曼滤波器检出的偏航角加到最佳控制器，经其处理后，产生 使船舶回到原航向的舵角指令。因此，偏航角、偏航角速度和自动 舵工作的各项性能参数可以通过自适应舵自动确定，而不需要像一 般自动舵那样凭经验进行人工手动设定。 （6）增益调节器  当海况恶劣、波浪等噪声增大时，噪声对船舶转向的影响随之增大， 因此，会导致卡尔曼滤波检测的精度下降。为减少这种影响并改善 操纵性能，需设置增益调节器来调整增益参数。由于船舶运动特性 模型和噪声模型事先已存人微型计算机，因此，检测出海况的变化 后，可通过软件自动选择节能方式和保向方式。当海况恶劣到一定 程度、操纵性能变差时，则可自动转到保向方式上运行。 第五节 自动舵（autopilot）

第五节自动舵（autopilot）扩展形卡尔曼滤波器给定航向航向偏差前电估计做V最佳控制i卡尔曼滤波器调节器偏航率偏航率估计值业设定偏最佳船速V航角速增益船舶运动模型18度k.T增益调节器V平一船舶运动模型参数辩识器S自动能控制器能角8指令能角航向业船速V能机计程仪罗经风、浪、潮流图5.31 自适应舵基本原理图

图5.31 自适应舵基本原理图 第五节 自动舵（autopilot）