新操舵装置的控制系统

自动舵控制系统设计船舶借助螺旋桨的推力和舵力来改变或保持航速和航向，实现从某港出发按计划的航线到达预定的目的港。

由此可见，操舵系统是一个重要控制系统，其性能直接影响着船舶航行的操纵性、经济性和安全性。

自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置，是用来控制船舶航向的设备，能使船舶在预定的航向上运行，它能克服使船舶偏离预定航向的各种干扰影响，使船舶自动地稳定在预定的航向上运行,是操纵船舶的关键设备。

系统的调节对象是船，被调节量是航向。

自动舵是一个闭环系统，它包括：航向给定环节；航向检测环节；给定航向与实际航向比较环节；航向偏差与舵角反馈比较环节；控制器；执行机构；舵；调节对象—船；舵角反馈机构等。

自1922年自动舵问世到今天, 代替人力操舵的自动舵的发展确实取得了长足的进展, 在相当程度上减少了人力, 节约了燃料, 降低了机械磨损, 但是距离真正意义上的操舵自动化还有相。

当大的距离。

一国内外研究现状自70 年代起,国内一些科研院所、高校开展自动舵的理论与开发工作,并取得了不少成果,一些航海仪表厂家也独立或与研究所、高校合作开展了自动舵的试制和生产,其产品以模拟PID 舵为主。

目前虽然国产自适应舵已经投入实船使用,但效果并不明显。

智能控制舵还处于理论研究阶段,还没有产品化。

航迹舵基本上也处于研究阶段,还没有过硬的产品。

目前国外市场上有多种成熟的航向舵、航迹舵产品,其控制方法大多为比较成熟的自适应控制,例如日本Tokimec 公司的PR - 8000 系列自适应自动舵、德国Anschuz 公司的NAU TO CONTROL 综合系统中的自动舵、美国Sperry 公司VISIONTECHNOLOGY系统中的自适应自动舵等。

近几年发展起来的智能控制及其它近代控制在自动舵上应用尚处于方案可行性论证及实验仿真阶段,还有待于进一步工程实现研究。

我国对自适应舵的研究起步较晚，自80年代以来，有关单位开展了对自适应舵的研究工作，发表了一些设计方案，仿真研究结果和产品。

船舶舵机控制系统的优化设计船舶在海洋中航行，舵机控制系统就如同船舶的“方向盘”，其性能的优劣直接关系到船舶的航行安全和操控性能。

随着船舶技术的不断发展，对舵机控制系统的要求也越来越高。

为了提高船舶的操纵性、稳定性和可靠性，优化舵机控制系统的设计变得至关重要。

一、船舶舵机控制系统的基本原理与组成船舶舵机控制系统主要由舵机、传感器、控制器和执行机构等部分组成。

舵机是将电能转化为机械能，驱动舵叶转动的装置；传感器用于检测船舶的航向、航速、舵角等参数，并将这些信息反馈给控制器；控制器则根据传感器的反馈信号，按照预定的控制算法计算出控制指令，驱动执行机构调整舵叶的角度，从而实现对船舶航向的控制。

在传统的船舶舵机控制系统中，通常采用PID（比例积分微分）控制算法。

PID控制算法简单易懂、易于实现，但在面对复杂的海洋环境和船舶动态特性时，其控制性能往往难以满足要求。

例如，在船舶受到风浪等干扰时，PID控制可能会出现超调量大、响应速度慢等问题，影响船舶的操纵稳定性。

二、现有船舶舵机控制系统存在的问题1、控制精度不足由于船舶在航行过程中受到多种因素的影响，如水流、风浪、负载变化等，现有的舵机控制系统在控制精度方面存在一定的不足，导致船舶的航向偏差较大，影响航行安全和效率。

2、响应速度慢在紧急情况下，如避让障碍物或应对突发海况，现有的舵机控制系统可能无法迅速响应，导致船舶的操纵灵活性下降，增加了潜在的危险。

3、抗干扰能力弱海洋环境复杂多变，风浪、水流等干扰因素对船舶的影响较大。

现有的舵机控制系统在抗干扰能力方面表现不佳，容易受到外界干扰的影响，使船舶的航向发生较大的波动。

4、可靠性有待提高船舶在海上航行时间长，工作环境恶劣，舵机控制系统的零部件容易出现故障。

现有的系统在可靠性设计方面存在不足，一旦出现故障，可能会导致船舶失去控制，造成严重的后果。

三、船舶舵机控制系统的优化设计思路为了解决现有船舶舵机控制系统存在的问题，提高系统的性能，需要从以下几个方面进行优化设计：1、先进控制算法的应用采用现代控制理论中的先进控制算法，如模糊控制、神经网络控制、自适应控制等，取代传统的PID控制算法。

自动操舵系统的基本要求和工作原理1.自动操舵系统基本要求在给定的航向上,为使船舶以足够的精度安全航行自动舵必须满足以下的基本要求:(1)自动操舵性能良好当船舶偏离给定航向一定角度(超过系统灵敏度所整定的角度)时,系统应立即工作,使舵叶偏转一定的角度,这个初始转舵角叫做一次偏舵角。

初始舵角应有适当的数值,如果过大会降低船舶航行速度,过小则产生的转船力矩不足以使船舶回到正航向来。

如果给出初始偏航舵角后船舶仍然偏离预定航向,自动舵必须保证有附加舵角(二次偏舵角)。

上述要求,实质上是选择比例舵的比例系数问题。

此外,在自动舵中还应具有微分和积分(或压舵)校正环节,其目的是使自动舵在调节过程中具有良好的动态性能和静态性能。

(2)具有必要的调节装置为了使同一型号的自动舵装置能够适用于不同的排水量、装载量、航速及舵机拖动装置的船舶,并能适应各种天气、海况,在自动舵系统中应有如下的基本调节装置:①灵敏度调节(俗称天气调节)。

灵敏度是指系统开始投入工作时的最小偏航角。

它视天气、海况而定。

在风平浪静时,灵敏度要调高一些;在大风大浪下,应适当降低自动舵的灵敏度,以减少动舵次数。

②舵角比例调节。

偏舵角与偏航角之比(即K1的数值)的大小,直接影响自动舵给出的一次偏舵角和二次偏舵角的数值,因此要根据船型、装载、航速等情况调节舵角比例,以获得一个合适的舵角比。

③反舵角调节。

偏航中的船舶在自动舵的作用下回复到正航向时,舵叶应先回到艏艉线上,然后再向另一舷偏过一个小角度,以防止船舶因惯性力而继续向另一侧偏航,这个预先的偏舵角称之为反舵角(又称制动舵角,稳舵角,纠偏舵角),应根据船型、装载、天气等情况进行调节。

反舵角可以由微分环节来实现反舵角调节主要调节微分系数K2,又称微分调节。

④压舵调节。

为了纠正船舶由于受到单侧风浪、水流等因素影响而引起的不对称偏航单侧偏航,自动舵中应当设有自动压舵/人工压舵的调节装置。

在具有航向积分环节的自动舵中,则设有积分调节,主要调节积分系数K3。

新型操舵控制系统余度管理技术新型操舵控制系统余度管理技术随着科技的不断进步，现代化的操舵控制系统被广泛应用于航空、航海、轮船和汽车等领域。

为了进一步提高操舵控制系统的可靠性和安全性，余度管理技术不断得到应用。

本文将介绍新型操舵控制系统余度管理技术的原理、应用和未来发展。

什么是余度管理技术余度是指操纵系统在给定时间内所能实现的最大运动范围。

余度范围内的变形称为弹性形变，是操纵系统的可逆变形。

余度管理技术即是对操纵系统余度进行有效管理，以保证系统在正常使用中不会超出余度范围。

新型操舵控制系统余度管理技术原理新型操舵控制系统余度管理技术基于数学模型和算法原理，通过对余度进行实时监测和控制，以确保操纵系统稳定性和可靠性。

其主要原理包括以下几个方面：1.余度监测新型操舵控制系统配备高精度传感器，对操纵系统余度进行实时监测。

当余度超出预设范围时，系统将自动发出警报，提示操作者必须采取措施限制操纵系统移动范围。

2.余度控制操纵系统余度控制是指通过控制系统来限制余度的最大范围，以确保系统的稳定性和可靠性。

新型操舵控制系统采用精准的PID算法，通过在线调节控制器的参数来适应不同的运动条件和环境。

3.余度预测余度预测是指对操纵系统未来可能出现的余度进行预测和分析，以便系统能够在未来某个时刻自动限制操纵系统的运动范围。

新型操舵控制系统通过利用神经网络模型等技术，对余度进行预测和分析，以提高系统的智能化程度和精度。

新型操舵控制系统余度管理技术应用新型操舵控制系统余度管理技术应用广泛，涉及航空、航海、轮船和汽车等多个领域。

以下是其主要应用场景：1.航空领域航空领域是新型操舵控制系统余度管理技术的重要应用领域之一。

飞机的操纵系统在高飞行速度和复杂环境下易出现超过余度范围的情况。

新型操舵控制系统余度管理技术能够有效监测和控制飞机操纵系统的余度范围，以确保飞机在飞行过程中的稳定性和安全性。

2.航海领域在航海领域，操纵系统余度管理技术能够摆脱传统独立算法的弊端，有效提高导航系统的性能和精度。

船舶舵机控制系统的基本要求舵机是保持或改变船舶航向,保证安全航行的重要设备,一旦失灵,船即会失去控制,甚至发生事故。

因此,我国《钢质海船入级规范》根据《国际海上人命安全公约》(SOLAS公约)规定,对于从事于国际航行的大于500总吨的货船或仅从事于非国际沿海航行的大于1600总吨的货船的舵机提出了明确的要求,其基本原则就是要求舵机必须具有足够的转舵扭矩和转舵速度,并且在某一部分发生故障时,应能迅速采取替代措施,以确保操舵能力。

操舵装置控制系统的基本技术要求如下:(1)主操舵装置应在驾驶台和舵机室两处都设有控制器。

(2)主操舵装置应按《钢质海船入级规范》的规定,设置两套独立的控制系统,且每套系统均应能在驾驶台控制。

但这并不要求设双套操舵手轮或手柄若控制系统是由液压遥控传动装置组成时,除10000总吨及以上的油船、化学品船、液化气体运输船外,不必设置第二套独立控制系统。

(3)对于辅助操舵装置应在舵机台进行控制，若辅助操舵装置是用动力操纵,则也应能在驾驶室进行控制,并应独立于主操舵装置的控制系统。

(4)在舵机舱应设有能将驾驶台操纵的任何控制系统从正在运转的操舵装置上断开的设施,且此控制系统应能在驾驶台某一位置被投入工作。

(5)若主操舵装置为动力操舵,则舵角位置应在驾驶台进行显示。

舵角的显示装置应独立于操舵装置的控制系统,且在舵机室内能看到舵角的指示。

(6)驾驶台和舵机室应固定展示带有原理框图的适当操作说明。

此说明应表明操舵装置控制系统和动力转舵系统的转换程序。

(7)对于电动和电力液压操舵装置,应在驾驶台和合适的主要机械控制位置装设指示其电动机正在运转的设备(8)由一台或几台动力设备组成的每一电动或电动液压操舵装置至少应由主配电板设两路独立馈电线直接供电。

但其中的一路可以由应急配电板供电(9)电动或电动液压主操舵装置中的每一动力设备,应由主配电板设一路独立馈电线直接供电,上述馈电线中的一路可以由应急配电板供电。

船舶舵机系统的组成
船舶舵机系统包括以下组成部分：
1. 舵机：船舶舵机是用来操控船舶舵轮的机械装置。

舵机一般由电动机、减速器和转动机构组成，通过接收操控信号来控制舵轮的角度。

舵机具有快速响应、高精度和可靠性强的特点。

2. 舵机控制系统：舵机控制系统包括舵机控制器、操控台和操控杆等。

舵机控制器是指控制舵机运行的装置，通常由电子设备或计算机控制。

操控台是操纵船舶舵机的位置，操控杆用于操纵舵机控制系统。

3. 船舶舵轮：船舶舵轮是舵机系统输出力的转换装置，通过舵轮的旋转来操纵船舶的转向。

舵轮通常由金属制成，具有抗腐蚀且坚固耐用的特点。

4. 操作系统：船舶舵机系统通常配备有操作系统，用于船舶舵机系统的自动控制。

操作系统能够根据航行条件和船舶操纵信号，自动调整舵机的角度，帮助船舶保持稳定的航向。

除了上述主要组成部分外，船舶舵机系统还包括传感器、电气部件、连接杆等辅助装置。

传感器用于检测舵轮的角度和舵机的运行状态，电气部件用于提供电力和信号传输，连接杆用于连接舵机和舵轮。

这些部件共同构成了船舶舵机系统。

自动舵控制系统设计船舶借助螺旋桨的推力和舵力来改变或保持航速和航向，实现从某港出发按计划的航线到达预定的目的港。

由此可见，操舵系统是一个重要控制系统，其性能直接影响着船舶航行的操纵性、经济性和安全性。

自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置，是用来控制船舶航向的设备,能使船舶在预定的航向上运行，它能克服使船舶偏离预定航向的各种干扰影响，使船舶自动地稳定在预定的航向上运行，是操纵船舶的关键设备.系统的调节对象是船，被调节量是航向。

自动舵是一个闭环系统，它包括:航向给定环节；航向检测环节；给定航向与实际航向比较环节;航向偏差与舵角反馈比较环节；控制器；执行机构；舵；调节对象—船;舵角反馈机构等。

自1922年自动舵问世到今天，代替人力操舵的自动舵的发展确实取得了长足的进展,在相当程度上减少了人力,节约了燃料，降低了机械磨损,但是距离真正意义上的操舵自动化还有相。

当大的距离。

一国内外研究现状自70年代起，国内一些科研院所、高校开展自动舵的理论与开发工作,并取得了不少成果，一些航海仪表厂家也独立或与研究所、高校合作开展了自动舵的试制和生产，其产品以模拟PID舵为主。

目前虽然国产自适应舵已经投入实船使用，但效果并不明显。

智能控制舵还处于理论研究阶段,还没有产品化。

航迹舵基本上也处于研究阶段，还没有过硬的产品。

目前国外市场上有多种成熟的航向舵、航迹舵产品，其控制方法大多为比较成熟的自适应控制,例如日本Tokimec公司的PR—8000系列自适应自动舵、德国Anschuz公司的NAUTOCONTROL综合系统中的自动舵、美国Sperry公司VISIONTECHNOLOGY系统中的自适应自动舵等。

近几年发展起来的智能控制及其它近代控制在自动舵上应用尚处于方案可行性论证及实验仿真阶段,还有待于进一步工程实现研究。

我国对自适应舵的研究起步较晚，自80年代以来，有关单位开展了对自适应舵的研究工作，发表了一些设计方案，仿真研究结果和产品。

第13卷第3期中国惯性技术学报 2005年6月文章编号：1005-6734(2005)03-0047-05航向、航迹自动操舵仪船舵控制系统的研制周永余, 陈永冰, 周 岗, 李文魁（海军工程大学导航工程系，武汉 430033）摘要：给出了采用数字模拟与物理模拟相结合的方法模拟海上实船环境的航向、航迹自动操舵仪船—舵控制系统的设计方案和实现途径，并介绍了该控制系统的软件设计，该系统为航渡任务的安全、顺利完成提供了有力保障。

关 键 词：自动操舵仪；罗经航向；模拟航向；模拟舵角；模拟船位中图分类号：U666.1文献标识码：ADesign and Realization of Rudder ControlSystem for Ship’s Course and Track AutopilotZHOU Yong-yu, CHENG Yong-bing, ZHOU Gang, LI Wen-kui(Department of Navigation Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)Abstract: The design project and realization approach to simulate ship and rudder control system of course, track autopilot in real navigation environment are introduced which combine digital simulation with physical simulation. Its software designs are also given. The system can guarantee for accomplishing navigation task safely and successfully.Key words: autopilot; gyrocompass course; analog course; analog rudder; analog trace.0 概述自动操舵仪是现代船舶上不可缺少的导航设备，其主要的功能是自动地、高精度地保持或改变船舶的航向，以保证船舶的平时安全航渡和恶劣环境时船舶的避碰。

操舵装置操舵装置的控制系统操舵装置能够使舵转动的装置称为操舵装置，通常指安装在舵机舱内的舵机和传动机构。

根据动力源的不同，操舵装置可分为电动操舵装置和液压操舵装置等；根据有关公约和规范，操舵装置又分主操舵装置和辅助操舵装置。

主操舵装置：系指在正常情况下为驾驶船舶而使舵产生动作所必需的机械、转舵机构、舵机装置动力设备(如设有)以及附属设备和向舵杆施加转矩的设施(如舵柄或舵扇)。

其中，转舵机构系指将液力转变为机械动作转动舵的部件。

舵机装置动力设备指：(1)如为电动舵机，系指电动机及辅助设备；(2)如为电动液压舵机，系指电动机及辅助的电气设备，以及与电动机相连的泵；(3)如为其他液压舵机，系指驱动机器及其相连的泵。

主操舵装置应在驾驶室和舵机室都设有控制器。

辅助操舵装置：系指在主操舵装置失效时，为驾驶船舶所必需的设备。

这些设备不成属于主操舵装置的任何部分，但可共用其中的舵柄、舵扇或作同样用途的部件。

动力转舵系统：系指提供动力转动舵杆的液压设备，由1个或几个舵机装置动力设备及辅助管路和附件，以及转舵机构所组成。

各个动力转舵系统可共用一些机械部件，如舵柄、舵扇和舵杆或作同样用途的部件。

(一)电动操舵装置电动操舵装置主要是指电动舵机。

它由电动机、蜗轮、小齿轮、舵扇、缓冲弹簧和舵柄等组成。

当由驾驶室操舵装置控制系统遥控电动机转动时，通过蜗杆、蜗轮、小齿轮带动松套在舵杆的舵扇旋转，舵扇再通过缓冲弹簧推动键套在舵杆上的舵柄，从而使舵杆和舵偏转。

采用蜗杆蜗轮的传动方式主要是为了获得较大的减速比，以增大转矩；同时，可以利用其机械传动中的自锁作用，防止舵叶在受外界冲击作用下发生逆转现象，从而起到保护电动机的作用。

缓冲弹簧的硬度较大，平时在正常的力作用下，弹簧不会变形，并能顺利地传递转舵力矩；当舵叶受到外界巨大的冲击力作用时，弹簧能吸引冲击能量，起保护舵机的作用。

电动舵机结构简单，操作方便，传动可靠，维修方便，所以广泛使用于中小型船舶。