船舶操纵00.doc

______________________________________________________________________________________________________________精品资料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船舶操纵基本原理人船操纵环境图4–24船舶操纵系统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。图4–25船舶操纵流程图图4–25船舶操纵流程图ABCDNNNYYY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：（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：（4–6）式中：——比例系数。将式（4–6）代入式（4–5），整理后得：（4–7）式（4–7）是一齐次二阶常系数微分方程，解此方程可得（4–8）（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KPΨ0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：（4–10）式中：Kp——比例系数；Kd——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：（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KP和Kd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