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简述船舶操纵自动舵原理 摘 要:船舶操纵的自动舵是船舶系统中的一个不可缺少的重要设备,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
2021-12-06 17:53:24

简述船舶操纵自动舵原理 
摘 要:船舶操纵的自动舵是船舶系统中的一个不可缺少的重要设备,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,随着现代科学技术的不断进步,各种先进仪器的使用,使得船舶操纵开始向智能化方向发展,本文就船舶操纵自动舵的构成和工作原理方面进行了综述。

 
关键字:船舶 自动舵 现代船舶自动化  
船舶操纵的自动舵是船舶系统中的一个不可缺少的重要设备,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。它的性能直接关系到船舶的航行安全和经济效益。代替人力操舵的自动舵的发展在相当程度上减少了人力,节省了燃料,降低了机械磨损,直接影响到船舶航行的操纵性、经济性和安全性。

 
舵机装置由操舵装置、舵机、传动机构和舵叶四部分组成。
 
(1)操舵装置:操舵装置的指令系统,由驾驶室的发送装置和舵机房的接受装置组成。

 
(2)舵机:转舵的动力。
 
(3)传动机构:能将多机产生的转舵力矩传递给舵杆。
 
(4)舵叶:环绕舵柱偏转,承受水流的作用力,以产生转舵力矩。
 
在自动操舵仪中,按控制系统分类可分为三种操舵方式:  
(1)直接控制系统或称单舵系统、应急操阿舵。
 
(2)随动控制系统。
 
(3)自动操舵控制系统,又称自动航向稳定系统。
 
自动操舵适用于船舶在海面上长时间航行.随动操舵供船舶经常改变航向时使用,如在内河、狭航道区和进出港口。当自动航向/航迹、随动操纵出现故障时,可用应急的简单操舵,直接由人工控制电磁换向阀.使舵正、反或停转。

 
原理:利用电罗经检测船舶实际航向α,然后与给定航向K°进行比较,其差值作为操舵装置的输入信号,使操舵装置动作,改变偏舵角β。在舵角的作用下,船舶逐渐回到正航向上。船舶回到正航向后,舵叶不再偏转。


 
自动舵的控制原理:  
(1)比例舵(P舵)  
比例舵操舵的规律是:偏舵角β的大小与偏航角φ的大小成比例关系,即: 
 
β=-K1φ(2-1)  
β:偏舵角,K1:比例系数,φ:偏航角,-:偏舵角方向是消除偏航。
 
K1是可调的比例系数,一般根据船型、吃水、装载量来确定。但船舶载荷增加(惯量J加大)而且航速变慢,使周期T变长。为了缩短周期使船舶偏航迅速消除,就可加大K1。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。

 
性能:可消除偏航。
 
特点:机构简单,航行保持精度较差,船舶营运经济性较差(会出现S形航迹)。

 
比例舵的不足:偏航初期偏舵角较小,不能很快阻止船舶继续偏航;回航过程中船舶具有惯性,偏舵角不能及时减小,容易反向偏航。

 
(2)比例——微分舵(PD舵)  
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=-(K1φ+K2dφ/dt)(2-2)  
(表示偏舵角与偏航角和偏航角速度成比例)  
如果传播偏航速度大,产生的-K2dφ/dt也大,则舵角β就增加,船回航时dφ/dt变号,使回舵角增加。

 
微分部分作用是保证偏舵速度和偏舵角,从而能教好地克服船舶惯性,提高航向的精度,减少船舶的s航迹,使船舶较快的稳定在正航向上。

 
原理:船舶回到正航向前,已受到微分部分的反向舵作用,从而能有效地阻止因惯性 

 
而向反方向的偏航。微分舵又叫纠偏舵、稳舵角或反舵角。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。

 
(3)比例——微分——积分舵(PID舵)  
组成:是在比例-微分舵基础上增加积分环节。
 
β=-(K1φ+K2dφ/dt+K3òφdt)(2-3)  
积分环节作用是——克服不对称偏航。K3是积分系数。
 
积分环节工作原理:积分环节可以对偏航持续时间进行累积,当某舷(侧)偏航持续的 
 
时间比另一舷(侧)持续时间长时,通过环节输出的信号(偏舵角)将继续保持,这个信号将通过执行机构使舵叶维持在一定的偏转角度上,从而使船舶具有克服单向偏航的能力。

 
由于卫星、计算机、雷达技术在船舶上的应用,现代船舶自动化程度相当高,自动操舵仪开始向智能舵发展。但是不管怎样发展,虽然它们的控制规律各不相同,但控制的目的是一致的,即能按照偏航角的大小转动相应的舵角,并使船舶尽快地到达规定的航向。



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