船舶操纵.doc

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424 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424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425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425 船舶操纵流程图图425 船舶操纵流程图 A B C D NNNY Y Y 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： （45）式中：J船舶转动惯量； 船舶偏航角；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，船舷向右偏离航向角，于是舵手操左舵角，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： （46）式中：比例系数。将式（46）代入式（45），整理后得： （47）式（47）是一齐次二阶常系数微分方程，解此方程可得 （48） （49）式（49）中，0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0时自动舵投入工作，使船舶回航。偏航角和偏舵角分别以0和KP0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： （410）式中：Kp比例系数；Kd微分系数。同理将式（410）代入式（45），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： （411）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，=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。但是在风浪很大的情况下，船舶摇摆，即所谓“高频”海浪干扰，如果对于微小偏航信号就进行操舵，则非但不能使船舶稳定航行，反而会使摇摆加大，航速降低，并由于频繁使用舵机，致使能源消耗增加，缩短舵机使用寿命。最好的办法是，在一定偏航角内不予操舵，降低操舵灵敏度，使偏航精度相应降低。随着气象、海况条件的变化相应的调整偏航精度和舵机动作的灵敏度，形成了一个可以调节的“死区”，在这个死区内，船舶离开了正航向，自动舵不工作，只有偏航超过“死区”时，才进行工作。因此，若有从一个方向持续作用的风浪，而使船舶改变航向，只要不超出“死区”范围，自动操舵仪不响应，船舶将从一个方向偏离预定航向，偏离角。若航速为V，航行时间为t，那么船位离开给定航线的距离为s = Vt 。尽管s可能不大，但时间长了，s也是个不可忽视的量。这个量显然与时间的积分成比例，即 （412）只要设计一个积分机构，规定一个值，偏离原航线达到此值时，由于时间、航速己知，则可求出，加以修正；亦就是在偏舵角中加人了积分项，从而使自动舵的功能更加完善。根据以上所述，自动操舵仪偏舵角与偏航角之间关系已成为： （413）式中，Ki为积分系数。负号表示偏舵角的方向总是与偏航量（包括偏航角及其微分、积分项）的方向相反。PID自动操舵系统具有反馈通道闭环系统，其原理方框图如图426。航向比较环节将给定的航向和反馈回来的船舶实际航向进行比较，得到偏航角，送给控制器，按PID规律计算出舵令角，经放大器放大及限幅后，再经天气调节环节送到舵角伺服机构，控制舵机工作，操纵船舶调整航向。当船舶航驶在预定航向上时，航向比较环节输出为零，只要压舵角调整恰当，整个系统将处于平衡的伺服状态。 图426 PID自动操舵系统原理方框图PID控制规律的自动操舵仪，是一种精确的航向保持自动控制系统。但常规PID自动舵存在下列缺点： (1) 它不能随着船舶动态特性和海况的变化而自动整定与调节PID控制器参数；(2) 控制器的性能准则不是最佳的，其设计只考虑了技术指标，而未顾及操舵的经济性；(3) “高频”海浪干扰处理方法欠佳。PID自动舵是采用“天气调节”增大死区的办法来抑制“高频”海浪干扰，有一定的效果，但死区的增大同时导致“低频”特性的恶化，引起持续的周期性的偏航，因而消耗额外的能源。再就是在大风浪中常常由于产生大角度转舵，导致严重的偏航，这是相当危险的。因此几乎所有的航行法规都要求在大风浪和特殊环境下禁止使用自动舵，而必须改用手动舵。自适应自动舵能克服上述缺点，因此当前它正在逐渐替代常规自动舵。2) 自适应自动舵自适应控制的研究对象是具有不确定性的系统，所谓不确定性是指描述被控对象，例如船舶数学模型不是完全确定的，或者模型的参数是随工况和时间而变化的。不确定性还包括系统的外部扰动。自适应控制的研究内容为如何控制具有不确定性的对象，使其在指定性能指标下达到并保持最优或次最优。图427 NAVIPILOT AD型自适应舵原理框图自适应控制系统的工作原理为在系统运行过程中，系统本身不断地测量被控对象或系统的状态、参数或性能，从而“认识”或“掌握”系统当前的运行指标并与期望的指标相比较，进而作出决策，改变控制器的结构参数或根据自适应的规律来改变控制作用，以保证系统运行在某种意义下的最优或次优状态。随着上述自适应理论的不断发展和完善以及微机的广泛应用，生产自动舵的厂商相继推出多种型号的自适应舵，其共同特点是在原有自动舵的基础上，增加了具有自适应功能的模块或附件而成为自适应舵，也有少数是另行设计的自适应舵。下面简单介绍NAVIPILOT AD型自适应舵，其原理框图如图427所示。图427中的虚线框为自适应部分，其余部分为常规的自动舵，即基本的反馈控制回路。自适应部分的船舶数学模型框和船舶参数判断框形成船舶参数辨识器。船舶模型和实际船舶的输人为舵角。模型的输出和船舶的输出（包括转向速度）比较后得到模型误差e，该误差输人船舶参数判断框，在框内进行船舶参数的估计。将得到的估计值反馈给模型并修改模型参数使e值趋向极小值。参数的估计值输人控制器，按给定的性能指标设计最优或次优控制规律参数并发出舵令信号c。海况框供驾驶员根据航区和海况选择三种使用条件之一，即狭水道、平静海区和大风浪海区。船在狭小道航行时，保持航向精度是主要的而节能是次要的，宜用大舵角纠正航向误差。在大风浪海区航行时，由于风浪的扰动大，允许较大的航向误差，同时从节能考虑，宜用小舵角。在平静海区航行，则介于上述两种条件之间。“船舶状态判断”框是根据输入量计算船舶操纵特性的稳定程度即稳定（Stable）和不稳定（Unstable）。2. 集成驾驶系统1) 集成驾驶概述集成驾驶台是综合导航系统（Integrated Navigation System，INS）、组合船桥系统（Integrated Bridge System，IBS）、一人驾驶台系统（One Man Bridge）、航行管理系统 （Voyage Management System，VMS）等的统称。在这里，驾驶台已不再是单一的实施操船和发布指令的场所，它已变成了整个船舶监视控制中心。这种称为集成驾驶台的系统布局，看上去就象一个航天火箭发射控制中心，值班人员可以在任一时刻从各种显示仪表和显示屏幕上观察到全船设备的运行状态以及船舶航行的实际情况，实施对船舶的全面控制。如上所述，未来船舶、智能化船舶的研究诱发了集成驾驶台观念的形成。然而，真正促进并能够检验它的是“一人值班”概念与规则的形成。因而，可以说集成驾驶台已成为船舶自动化的必然趋势，亦成为航海自动化的研究动向。关于集成驾驶台的主要特征，可归结如下：(1) 集中集成控制是集成驾驶台的基本思想。即将全船所有监视、控制功能完全集中到驾驶台，将所有仪器设备全部网络化集成管理。这种思想，能够满足一人值班规则的要求。(2) 模块化设计思想已普遍接受。各种功能部件经模块化设计集成，独立工作性能强且易于组合集成，可以依需要进入集成工作状态或独立状态，当其发生故障时，不影响系统中任何其他部件的操作和运行。(3) 屏幕式显示方法能够直观、明显地提供船舶航行中各种相关的信息，适宜于值班人员观测、判断和操作。因此，它已成为集成驾驶台的核心方式、方法和目标。(4) 工作台式布局便于监视、操作和适应一人值班的要求，已趋认可。目前有办公桌式组合结构、线性阵列式结构、圈椅式结构、航天控制中心式配置等布局。(5) 电子海图作为集成驾驶台的核心内容，近年来的开发已使之具有了“真正海况”的船舶航行环境功能，从而可以把船在海上航行比照成船在海图上航行。2) 集成驾驶台构成集成驾驶台主要包括：主机监视控制显示系统、电子海图桌、航行显示工作台、航行监测装置、船舶状态监控工作台、海图显示装置、雷达、船舶控制工作台、通信工作台等等。4.4.3 船舶主机遥控操纵为了满足船舶在各种工况下的航行需要，将船舶主机的起动、换向和调速等各装置联结成一个统一整体，并可集中控制的所有机构、设备和管路，总称为柴油机推进装置的操纵系统。操作人员在驾驶室或集中控制室根据指令和主机运行状态对柴油机、汽轮机等主推进机械的运转进行顺序控制或闭环控制。这样可以减少人工操作的差错，实现对可调螺距桨主推进机械的最佳控制，提高推进效率。 1. 主机操纵系统类型及功能近年来电子计算机技术和微处理机已用于主机遥控、巡回检测和工况监视等方面，不仅大大减轻了轮机人员的劳动强度，改善了工作条件，还可以避免人为的操作差错，提高船舶运行的安全性、操纵性和经济性。目前，主机遥控技术水平越来越高，船舶正朝着全面自动化和智能化的方向发展。按操纵部位和操纵方式，操纵系统可以分为： (1) 机旁手动操纵 操纵台设置在柴油机旁边，使用相应的控制机构操纵柴油机，由轮机员直接手动操纵，使之满足各种工况下的需要。 (2) 机舱集中控制室控制 操纵台设置在机舱适当部位的专用控制室内，由轮机员对柴油机实现操纵和监视。 (3) 驾驶室控制 在船舶驾驶室内，专设主机遥控操纵台，由驾驶员直接操纵柴油机。 机旁手动操纵是操纵系统的基础，机舱集中控制和驾驶台控制均称为遥控，三者之间常设有转换装置以便随意转换。尽管目前主机遥控技术已经达到了相当高的水平，但系统中仍然必须保留机旁手动操纵系统，以保证对主机的可靠控制。 遥控系统是用逻辑回路和自动化装置代替原有的各种手动操作程序。按遥控系统所使用的能源和工质，主机遥控系统可分为： (1) 电动式遥控系统 以电作为能源，通过电动遥控装置和电力驱动装置对主机进行远距离操纵。该类型系统控制性好，控制准确，遥控距离不受限制，有利于远距离控制，但管理水平要求高，故障不易发现，操作管理人员要具备一定的电子技术知识。 (2) 气动式遥控系统 以压缩空气为能源，通过气动遥控装置和气动驱动装置对主机进行远距离操纵。遥控距离一般在100 m以内可满足系统的控制要求。该系统气源净化品质要求高，须除水、除油、除尘，否则易使气动元件失灵。(3) 液力式遥控系统 以油泵产生的压力油作为能源，通过液压阀件和液动机构进行控制。液力式遥控系统的主要优点是结构牢固、工作可靠、传递力较大。但由于液力传动易受惯性和液压油粘温特性的影响而降低传动的灵敏性和准确性，不适于远距离信号传递。 (4) 混合式遥控系统 综合上述各种系统的优点，分段或分系统采用不同的遥控形式。远距离采用电传动，近距离则采用气力或液力。目前船舶上广泛采用电气混合式和电液混合式，即从驾驶台到机舱采用电传动，机舱系统采用气动或液动。(5) 微型计算机遥控系统 采用微机对主机进行遥控是通过专门的软件设计，给计算机一个执行程序来取代常规遥控系统的控制回路。微机执行遥控动作时能根据输入的指令和表征柴油机实际运行状态的各种信息进行综合判断和运算，得出需要的控制信息并经输出接口去控制操纵系统的执行元件，对柴油机进行正倒车换向、起动、调速和停车等操作。 主机遥控系统的功能除了完成主机起动、换向、调速和停车等程序操作外，还必须具有重复起动、慢转起动、负荷程序、应急停车、自动避开临界转速、故障自动减速或停车、紧急倒车等辅助功能。柴油机的备车系统状态检查等均由轮机人员在机舱内完成。2. 典型船舶柴油主机操纵系统工作原理 MAN/BW LMC/MCE型柴油机的操纵系统是一种电一气联合操纵系统。它具有以下三种控制方式：集控室控制、驾驶台控制和机旁应急控制。 为了保证控制部位的转换，在机旁应急操纵台上设有遥控/应急转换阀和手轮，用于集控室和机舱应急操纵台的控制部位转换。在集控室设有驾驶台/集控室控制转换阀，用于驾驶台和集控室的控制部位转换。 LMC/MCE型柴油机的操纵系统由下面几部分组成： (1) 集控室操纵台与主控制阀箱 在操纵台上有回令车钟、“停车起动供油调速”操纵手柄、驾驶室/集控室控制转换阀、主机或遥控系统中某些设备的工况显示、故障报警及安全保护的信息显示，以及若干应急操纵的指令按钮等。在主控制阀箱内有为实现上述主机遥控功能的既相互独立又密切相关的功能单元。 (2) 驾驶室控制台及控制阀箱 主要有遥控发令车钟、集控室/驾驶室控制转换阀、电气转换阀、主机工况显示、重要的故障报警信息，以及若干应急操纵的指令按钮等。 (3) 机旁应急操纵台 主要有遥控/应急转换阀、起动阀、停车阀、正倒车控制阀、调速手轮，以及若干控制阀件等。主要用于当气动遥控系统、调速器或电子设备发生故障的情况下，在机旁应急操作主机。 在集控室手动控制期间，主机的起动、停车和调速由集控室操纵台上的操纵手柄以电动、气动或电气联合进行。主机转速由气动设定或电子设定的调速器执行，换向操作由回令车钟手柄进行。 在驾驶室自动控制期间，主机完全由发令车钟手柄控制。 遥控系统使用单独的0.7 MPa压缩空气作为控制空气；系统的安全保护装置使用单独供应的0.55 MPa压