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第十章 船舶舵机电力拖动自动控制系统舵机是改变船舶航向或维持船舶已设定航向的重要设备。目前，船上广泛地应用电力拖动舵机及自动操舵装置（俗称自动舵装置），船上的舵机从驱动形式上可分为人力舵、电动舵、液压舵和电液驱动舵（俗称电液舵）其应用最广泛的是电液舵。从控制形式上分为手动舵、随动舵、自动舵和自适应舵四种。自动舵和自适应舵是用来自动保持船舶在给定航向上航行的自动控制装置，其实是一种航向自动控制系统，其被控制量是航向。本章分别讲座手动舵、随动舵、自动舵和自适应舵的工作原理，以及操作知识。第一节 操舵系统一、手动操舵系统1. 手动操舵系统方块图近代船舶上都装有手动舵装置。它是一个开环控制系统，系统的主要环节可用方框图表示，见图10-1-1。它主要包括如下环节。执行机构 人 舵叶转动装置置放大器手柄 图10-1-1手动操舵系统方框图1）手柄：发出操舵信号的指令元件；2）放大器：用来放大指令信号供给执行机构。目前多采用半导体放大器，电液放大器，磁放大和电机放大器等；3）执行机构：用来推动舵转动装置。一般用电动机或电动液压装置；4）转动装置：将执行机构的角位移传给舵；5）舵叶。2. 手动操舵的特点手动操舵的特点是：手扳舵转，手放舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，；回舵左扳。进行手动操舵，操舵人员必须经常观察罗径上航向指示及舵角指示器，再根据操舵要求扳动操舵手柄，发出操舵信号。每转舵一次，扳动操舵手柄两次（一次发出信号使舵偏转，一次消除信号使舵停转）。因此，这种操舵系统虽简单，但操舵人员劳动强度大。二、随动操舵系统1. 随动操舵系统方框图随动操舵系统方框图如图10-1-2所示，它是由指令机构、比较机构、测量机构和调节对象等环节所组成。以此实现被调量的自动调节作用。其系统为闭环系统。在系统中被调量是舵角，调节对象是舵。从系统的方框图可以看出，当系统中的人发出一个操舵指令时，则手轮即转动，发出偏舵信号。输出一个Ui，其Ui和Uf进行比较后产生一个偏差信号e，偏差信号e经放大器环节放大后，发至执行机构，执行机构根据放大的偏差信号，决定调节对象的转动方向。通过测量机构所测得的舵角信号连至比较机构，当e=Ui-Uf=0时，说明系统已完成了该命令的控制过程。2. 随动操舵的特点随动操舵的特点是：操舵手轮向某舷转动发出一个指令舵角，舵叶就跟随手轮的方向转某一舵角。操舵手轮转至零位，舵叶也跟随船舶的艏艉线上停下来。总之，随动操舵时舵叶的偏转角度与操舵手轮的指令角度总是一致的。三、自动操舵系统1. 自动操舵系统基本原理自动操舵系统和自动操舵的基本原理如图10-1-3所示。自动舵的调节对象是船，被调量是航向，自动舵系统包含了随动舵系统（即图10-1.2中的环节）。自动舵是由电罗径传感元器件来代替人工发出操舵信号，使船回到给定航向。图中的控制器是自动舵的主要部件。给定航行与反馈信号之差就是航向偏差信号，此信号经自动舵中PID调节器及放大器至舵机电力系统，其中，ZC、FC是电动舵使电动机正反转的控制环节(或电液舵左右舵电磁阀环节)。自动操舵系统必须具备舵角反馈和航向反馈，两者缺一不可。如果没有舵角反馈，它是一个结构不稳定的系统；如果没有航向反馈，它就不能自动地保持在给定的舵向上。2. 自动舵的分类自动舵的种类是很多,一般可按调节规律,检测元件的类型及放大器的种类来分。表10-1-1是按照调节规律分类的情况。表10-1-1 自动舵按调节规律分类情况种类操舵规律特点比例舵偏舵角与偏航角成比例，结构简单，精度较差，船舶运行不经常。比例一微分舵（）加快给舵速度，更好克服船舶回转。比例一微分舵积分舵（+K3）可消除船舶不对称偏航,结构复杂,不易调整。注: -偏舵角； -偏航角；K1-比例系数；K2-微分系数；K3-积分系数；上述的是常用分类方法.除此之外,还有完成特殊使命的自动舵。如利用测深仪进行操纵,使船舶按等深线航行的自动舵(渔船用)；使船舶按一定的下潜深度航行的自动舵(潜艇用)。3.自动舵的基本要求1) 自动操舵性能良好(1) 具有一定的灵敏度：当船舶偏离航向达一定角度(一般规定0.20.5)时,自动舵应能立即动作,并能以一定的舵角(即一次偏舵角),使船舶返回到给定航向上。(2) 能够产生二次偏舵角：当一次偏舵不足以使船舶返回正航向时,自动舵应能再次偏舵,一直促使船舶回到给定航向为止。(3) 能产生稳舵角(亦反舵角)：船舶在舵的作用下返回给定航向时,由于船舶的惯性可能向另一方向偏航,为了使船舶恰好回到给定航向而不超过,此时舵必须向另一舷转过一个小角度以抵抗船舶的惯性。(4) 能产生压舵角：由于船舶在航行中受到不对称的外界干扰(一舷的风浪,螺旋桨不对称,装载量不对称等)会产生一舷的持续力矩,船将产生不对称偏航。为此,必须使舵偏离首尾线一个舵角来抵消一舷的持续力矩。(5) 能方便地改变航向：在自动操舵时,即能维持在给定的航向上,又能按需要使船在新的航向上航行。2) 具有必要的调节装置(1) 灵敏度调节：灵敏度是指系统开始投入工作时的最小偏航角，它是根据天气,海况进行调节，风平浪静时调高些,大风大浪时调低些。(2) 舵角比例调节：偏舵角与偏航角比例关系为舵角比例.当舵角比例过小,就不能产生足够的转船力矩,回转性能不好；如果舵角比例过大,使船可能回转过头,稳定性能不好。因此,要根据船型、装载、航速等情况调节舵角比例,特别要注意,在大风大浪中航行时舵角比例不宜过大。(3) 反舵角调节：船舶在偏离正航向时,自动舵能使船舶恢复到原来的正航向上。在恢复过程中,作S形衰减振荡航行,为了使船尽快地恢复到正航向,必须具有微分环节,以得到需要的反舵角.其大小根据船型,装载及天气情况调节。(4) 压舵调节(也称偏航调节)：为了消除持续干扰力矩而给出一个舵角,此舵角可由人工给定或加积分环节产生。(5) 航向调节.即小角度改变航向调节,目前已可做到随意改变航向。3) 要设有随动和手动操舵设备在船舶进出港或遇到紧急情况以及自动舵失灵时能立即转换为随动操舵或手动操舵。4. 自动舵的控制原理1) 自动舵的比例控制(1) 比例舵角的变化规律所谓比例舵控制就是按船舶偏航角与偏舵角成正比的规律来控制.其比例关系为 (10-1-1)(2) 比例控制的作用由式10-1-1可见,K1是可调的比例系数,一般根据船型,吃水,装载量来决定.但船舶载荷增加(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,就得加大K1。2) 自动舵的比例微分控制(1) 比例-微分舵角的变化规律这种控制的特点是除了比例舵角1-外,还增加了一个与船舶偏航速度成比例的微分舵角。22 。=1+2（） (10-1-2)式中：K2-微分系数 (2).比例-微分舵的控制作用如果船舶偏航速度大,产生的-K2 也大,则舵角就增加.船舶回航时变号,使回舵角增加.船舶回至正航向时,便产生足够大的反舵角,克服船舶由于惯性向另一侧偏航。增加微分环节可使船舶较快的稳定在正航向上.3) 自动舵的比例-微分积分控制(1) 比例-微分积分舵角的变化规律这种控制的特点是除了比例-微分舵角=1+2（）外,又增加偏航角积分的舵角。 偏舵角和偏航角之间符合下列规律： （KK+K3） (10-1-3)式中：K3-积分系数。这种类型自动舵属于比例-微分-积分控制系统或PID系统。船舶在航行时，常常由于船体和装载的不对称船受单侧风和流等外力的影响，使船舶发生左、右向不对称的偏航。对称偏航时，S航迹在正航向两侧对称，平均偏航角0。当不对称时，S航迹在正航向一侧的摆幅增大，另一侧的摆幅减小，使S航迹的轴线方向偏离正航向，即平均偏航角0。船舶受单侧力的横向漂移和小的偏航角（在系统灵敏区以内）都不能被检测，因而无偏舵指令，这将使船舶“差之毫厘，失只千里”。但系统加入积分环节将对偏航角进行积分并发出与偏航角相应的恒定偏舵角指令，利用恒定的偏舵角来抵消持续的外力作用，保证船舶的正航向，这种作用还称为自动“压舵”调节。在正常的对称偏航的情况下，积分环节也能提高航向的稳定精度，一此它能检测小的偏航角。由于比例-微分-积分控制系统的综合调节规律，因此它是动态和静态性能指标以及稳定性都比较好的一种自动检测系统。第二节 安休斯(ANSCHUTZ)自动操舵仪简介 “安休斯”自动舵属于“比例-微分-积分”控制系统。有自动、随动两种操舵方式，无应急（手动）操舵方式。为了保证操舵系统的可靠性，自动、随动操舵系统相互独立，各自有独立的控制装置和通道，由操舵方式选择开关予以转换，当一套系统工作时，通过连锁装置保证另一套系统不工作。“安休斯”自动舵的参数调节范围宽阔，可以和各种类型舵机配套，能应用在各种吨位的船舶上。其主要性能为： 最大转舵角：土350； 转舵速度：从一侧满舵转到另一侧满舵不超过15s。 航向选择：在3600范围内任意选择航向，一次改变航向小于80。一、自动操舵系统的工作原理 自动操舵与随动操舵系统电路图如图10-2-3、10-2-4、10-2-5所示。自动操舵系统的原理框图如图10-2-1所示。234591013144111 航向接收机J1；2自动发送器J2；3相敏整流器；4低频滤波器；5灵敏度调节；6微分舵环节；7比例舵环节；8运算放大器；9功率放大器；10执行装置；11舵角反馈发送器；12积分舵环节；13舵叶；14船图10-2-1 自动操舵原理框图1实际航向给定航向86712将操纵方式选择开关K1转到“自动”(AUTO)位置，航向接收机J1与电罗经接通。当船舶偏离给定航向时，如向右偏航角，电罗经通过同步传送，使航向接收机J1转动，带动航向刻度盘指示出偏航角，同时通过差动齿轮带动信号发送机J2转动。J2是一个线性旋转变压器，其线性精度较高，能够符合舵角反馈电位器的精度要求(电位器线性精度为1)。所以由J2产生一个与偏航角成正比的交流电压V(偏航信号)，经相敏整流，输出直流信号，经滤波电路将交流成分滤掉，然后再经过灵敏度调节电路送入运算放大器进行比例、微分综合运算。综合后的信号送到功率放大器，推动控制继电器CJ5(或CJ6)动作，接通电磁阀线圈T1(或T2)，打开电磁阀使舵机工作，舵叶向左偏转一个角。偏舵时，通过机械传动装置带动舵角反馈电位器R19的滑动键偏转，舵角反馈电桥电路失去平衡并送出直流反馈信号，经过微分电路(其作用是给出积分舵信号)后，送入运算放大器并与偏航信号综合运算。当舵角反馈信号与偏航信号平衡时，放大器输出为零，继电器释放，电磁阀关闭，舵机停止工作。在左偏舵角的作用下，使船舶向原航向返回。这时J1反转，并带动J2反转，航向偏差信号V减小，且小于舵角反馈信号，运算放大器输入端的极性改变，则输出端输出一个极性相反的操舵信号，使继电器CJ6 (或CJ5)动作，接通另一个电磁阀线圈T2(或T1)，舵开始回转。当船舶回到给定航向时，舵叶也回到首尾线上。其原理和其他类型自动舵基本相同。具体环节和特点，简述如下： 1相敏整流电路： 由二极管D13D16，电阻R13R16，负载电阻R39，变压器B1的次级绕组组成，其输入交流信号电压来自线性旋转变压器J2。由R39输出的电压是脉动的直流电压，其大小和极性决定于输入交流偏航信号电压的大小和相位。 舵角反馈信号是由电位器R19和电阻组成的电桥电路输出，其电源是直流电+EC1、-EC1(放大反馈式串联稳压电源)，因此反馈信号是没有脉动成分的直流电压信号。为了综合航向信号与舵角反馈信号，保证调节航向精度，采用由电阻R60、R61、R62，电容C21、C22、C25、C26组成的低频滤波电路，对航向信号进行滤波。 2灵敏度调节电路 由电阻R11R47、整流和隔离二极管D19、滤波电容C24、隔离二极管D17、D18、变压器B1的次级绕组、三层同轴波段开关K灵等组成。通过电阻R40、R41（或R42）与R43R47串联， 利用K灵1、K灵2实现串联电阻分压调节。由二极管D19电容C21、电阻R28R33等组成一个闭锁环节，通过K灵3调节511档，在R11、R12上的闭锁电压大小，使电路形成一定死区。当航向偏差信号克服闭锁电压后，信号才能送到运算放大器进行综合运算。K灵调节时，15档只有电阻串联分压，511档又增加了闭锁电压，R28R32阻值逐渐增大，使闭锁电压逐渐增加，所以向高档调节时，系统灵敏度逐档降低。K灵有11档，使系统灵敏度调节范围很宽。另外还设有R106R108可供实船调试使用。3舵角反馈信号及比例微分积分舵(PID)调节电路 舵角反馈信号由舵角反馈电桥电路产生。直流电桥的二臂由电位器R19通过滑键分开，另外两臂分别由电阻R60、R63和R62、R64组成。滑键处于中心位置时(舵在首尾线上)，电桥平衡，输出电压为零。当舵偏转时，滑键偏离中心位置，电桥失去平衡，电阻R61上产生电压，输出电压信号。舵角越大，滑键偏离中心位置越远，输出电压信号越大；舵偏转方向不同时，改变滑键偏离中心位置的方向，使输出电压信号极性相反。 在舵角反馈电路中，通过选择开关K比，调节电阻R66R70，可改变比例舵的比例系数，在航向信号电路中，通过选择开关K微，调节微分电路的电容C27C31，可改变微分舵的微分系数。这时偏航信号与舵角反馈信号输入到运算放大器进行综合运算，并获得比例舵与微分舵。 在舵角反馈电路中的电容C33、电阻R65、R70、R57等组成微分电路，形成对偏航信号的积分计算，而取得积分舵角。当船舶单侧偏航或不对称偏航时，引起不对称偏舵，因此在电容C33上将累积起电压。不对称偏航越大，偏航时间越长，C33上累积电压越高，使舵角反馈信号减小，因此偏舵角加大，这就是偏航积分舵环节自动压舵的基本原理。 当船舶偏航角或修正航向角过大时，为避免积分环节工作，设有触点CDZ1自动短接积分舵电路。此外还设置开关K积，K积打开时自动舵按PID规律调节，K积闭合时积分舵电路短接，自动操舵按PD规律调节。 4功率放大器由晶体管BG9BG18等组成具有开关特性的功率放大电路，电路中各晶体管都处于开关特性状态。输入级由BG9和BG10组成。若运算放大器输出信号为上“十”，则BG9导通，引起BG11、BG12导通，继电器CJ3吸合，BG14导通，继电器CJ5吸合，电磁阀T1通电打开，使舵机向左(或向右)偏舵。若运算放大器输出信号为上“一”，则BG10导通，导致BG13导通，继电器CJ4吸合，BG15导通，断电器CJ6吸合，电磁阀T2通电打开，使舵机向右(或向左)偏舵。为了使左、右偏舵和回零等对称性好，可以调节偏置电路电位器R75、R87或调节接地电位器R94。为了保证导通管能可靠导通，截止管可靠的截止，提高开关电路工作的可靠性，在BG9、BG10的偏置电路中还设置了继电器触头CJ3-2、CJ4-2，用以调整BG9、BG10的偏压。另外为了保护BG9、BG10不至于过载、击穿，从自动信号发送器J2的输出电压中，经过D26、D27，整流后引入反偏置。当偏航过大，运算电路来的偏航信号太大时，引入的偏航信号为负偏置，对运算放大器输出的偏舵信号予以抵消，从而保护BG9、BG10管。电磁阀电路采用直流电源时，在CJ5、CJ6触头电路中设有灭弧装置，由电容C45、C46和电阻R102组成。电阻值应选择适当，调整要求是使触点接通和断开时的火花大小差不多，且基本看不到为止。二、随动操舵系统的工作原理随动操舵系统方框图如图10-2-2所示，电路图见图10-2-3，10-2-4，10-2-5。将操舵方式选择开关K1转换到手动（HAND）位置，航向接受器J1与电罗经的连接电路被切断，舵角反馈电位器R19与自动操舵电路的联系被切断，并改接到随动操舵的电路上，与随动操舵电位器R17组成电桥电路，由交流电源供电，当转动手柄时，带动R17上的滑键移动一个位置，产生相应的操舵信号，经过灵敏度调节电路，进入三极管象敏整流放大电路，以差值的形式输入晶体管、可控硅组成的开关电路，控制继电器CJ1或CJ2的通电，从而使电磁阀T1或T2接通，操纵舵机向左或向右偏舵。舵偏转后，带动舵角反馈电位器R19上的滑键移动，当跟随到相应的位置时，操舵信号消失，继电器断电，使电磁阀关闭，舵机停止工作，取得相应的偏舵角，达到随动操舵的目的。18345671随动发送器R17；2信号比较环节；3灵敏度调节 4相敏放大器；5开关电路；6执行装置； 7舵角反馈发送器R18；8舵叶图10-2-2 随动操舵原理框图手轮1比较电路 由操舵电位器R17与舵角反馈电位器R19组成的电桥电路，实现操舵指令信号与舵角反馈信号的比较，由115v， 50Hz(或60Hz)交流电源供电。电位器R17与操舵手轮通过齿轮传动相联接。转动舵轮即可改变R17上滑键的位置。舵角反馈电位器R19与舵柱通过机械传动相联接。实际舵角为零度，手轮的指令舵角亦为零度时，两个电位器的滑键在中间位置，电桥平衡，无操舵信号输出。当转动手轮时，改变R17上的滑键位置，两个滑键间输出操舵交流电压信号，随着舵的偏转，R19上的滑键向着对应的位置跟踪移动。当两个滑键所处的对应位置相同时，电桥重新平衡，操舵信号消失。操舵交流电压信号的相位决定于手轮的转动方向，其大小决定于两个滑键所处位置差的大小。 2灵敏度调节电路由整流器ZL1，电阻R2、R3、二极管D1、D2和电位器R4等组成。在没有随动操舵信号输入前，该电路已在R2、R3上预置了一定的反向电压，即闭锁电压。操舵信号产生后，只有克服了R2 (或R3)上的反向电压，才能输入到变压器B3的初级。调节电位器R4，可以调节预置反向电压的大小，即达到调节随动操舵的灵敏度。调节灵敏度的要求是：灵敏度应调节得尽量高；操舵时，在最小操舵角下，系统不发生振荡。 3相敏放大电路 由晶体管BG1、BG2等组成三级管全波相敏放大电路。由B2副边供给交流电压，基极、发射极间由B3副边接入操舵信号电压，整流器ZL2提供基极直流偏置。B2与B3同名端如图所示。如无操舵信号输入时，BG1、BG2工作情况完全相同，所以a端与b端的电位相等，即VaVb(Vab0)无差值信号输出。当输入随动操舵信号时，BG1与BG2的工作情况发生变化，一个导通程度增大，另一个导通程度减小。增减程度决定于操舵信号大小；导通程度是增还是减决定于输入操舵信号的相位。由于两管导通程度不同，a、b两端的电位不再相等，有差值信号Vab输出。Vab的大小极性与操舵信号大小、相位有关，从而实现了相敏整流，并预以放大。 4开关电路差值信号Vab经过电感L、电容C3、C4、C5滤波后，加到晶体管BG3、BG4基极上，作为开关电路的直流输入信号。 开关电路由BG3BG6 (施密特触发器)，可控硅SCR1、SCR2，整流器ZL3、ZL4等组成。整流器ZL3提供了晶体管BG3BG6的电源电压，ZL4提供可控硅主回路的电源。在无差值Vab输入时，BG5、BG6导通，在电阻R7，R8上产生电压降，使BG3、BG4的发射极电位高于基极电位(接近负极电位)，因而BG3、BG4能可靠截止，而BG5、BG6管集电极电位VC、Vd较低(R10、R12上有电压降)，稳压管DW1、DW2截止，可控硅SCR1、SCR2因无触发信号而截止，继电器CJ1、CJ2皆不动作，电磁阀不通电。当有差值信号Vab输入，且VaVb时，使BG3通过二级管D10在基极与发射极间加上正向电压并导通。而BG4的基极与发射极间加上反向电压，使之可靠截止。 二级管D9、D10对截止管BG3或BG4起限幅保护作用。BG3导通后，使BG5的基极与发射极同电位而截止， c点电位升到电源正极电位，稳压管DW1导通；触发可控硅SCR1导通，继电器CJ1吸合，电磁阀T1通电，舵机转舵，给出左舵。同理，当有差值信号VaVb时，则BG4导通，引图 10-2-3 安修斯自动舵控制线路图（A）图 10-2-4 安修斯自动舵控制线路图（B）图 10-2-5 安修斯自动舵控制线路图（C）起BG 6截止，于是SCR2导通，继电器CJ2吸合，电磁阀T2通电，舵机动作，舵叶向反方向转舵，给出右舵。利用可控硅可以构成天触点开关，如图中所示。采用双向可控硅FLS1、FLS2等组成的开关插件，可以代替有触点的继电器CJ1、CJ2继电器插件，供使用者选择。第三节 自适应操舵装置简介船舶自动操舵装置(简称自动舵)是船上进行船舶操纵的重要设备,它能使船舶自动保持于设定航向.目前它已从电子式常规自动舵发展到新一代的用微型计算机的具有自适应控制功能的自适应自动舵.每艘船都有其自己固有的运动特性,其动态特性就是通常所称的船舶数学模型.船舶数学模型的是随船速,装载吃水差和海况等因素的变化而变化。常规自动舵不可能在不断变化着的运行环境下实时精确地辨识船舶数学模型的参数,也不可能随着模型参数的变化自动调节其参数而经常会偏离其最佳工作状态,这样就会造成动舵次数多,转舵角的偏航角大的后果。一般动舵次数越多,转舵角度越大,船舶在转舵时所受到的海水阻力也越大.阻力增大会加重船舶主机的负荷,导致主机转速下降,其调速器必须增加燃油供给来防止转速下降,使燃油消耗增大.此外阻力和偏航角的增大会降低船速,从而降低了船舶运营的生产率和经济效益.动舵次数多的另一恶果会产生无效舵.当操舵频率超过船舶开始转向的极限操舵频率时,无论转多大舵角,船都不会转向,转舵成为无效舵,从节能的观点是不希望的。为提高船舶的操纵性能避免无效舵的发生,对常规自动舵历来是靠驾驶员的经验用手动方式调节PID旋钮.但如果PID旋钮调节不当不仅会增加主机的燃料消耗和降低船速而且在遇到大风浪时会造成大角度的左右偏舵和大角度的左右偏航,这在大风浪中航行是危险的.显然上述缺点很难满足1975年国际海协(IMO)通过关于自动舵执行标准的建议案A342条的规定:(1)在有关船舶机动性内自动舵应使舵机以最小的动作来保持航向;(2)自动舵能适应船舶各种气候和负载情况下不同的操纵性和确保在各种条件下的可靠操纵。自适应自动舵根据可测量到的船舶现时状态的信息(如转舵角、船首向、偏航角和船速等)不断地实时辨识船舶模型和扰动模型的参数,或有效地滤除噪声,实施有效的控制使船舶能按设定的性能指标尽可能达到和接近最优控制。这样必然可以避免无效舵,在大风浪中航行时能自动限制转舵角实现节能和安全航行的目的。自适应自动舵从60年代开始研制,目前已有种类产品投放市场.如原联邦德国Anschutz公司的NAUTOPILOT型和CPLATH公司的NAVIPILOTAD型,日本YEW公司的PT21型,东京计器公司的PR7000型,三菱重工的TONAC型,英国Recal-Decca的780型,瑞典的KADPIL型和荷兰Amerongen教授设计的产品7等。我国对自适应操舵装置的研制虽起步较晚,但近年来无论在理论研究和产品研制方面都取得了一定的进展。1.自适应自动操舵装置的表述用微机控制具有自适应控制功能的自动舵称为适应自动操舵装置。当船舶航行的条件为不确定或变化时(如风、浪、流外部干扰和船速、载重、吃水及转舵角的随机变化)船舶航向控制系统中的被控对象(船)和对船的扰动(风、浪、流等)的数学模型的参数(或状态)是随机变化的。自适应自动舵通过测量船舶现时状态的连续信息(舵角、船首向、船速等)不断实时辨识船舶和扰动模型的参数或根据当前系统性能与期望的性能进行比较作出使系统趋于最优的决策,并修正自动舵控制器的参数,对舵机实施有效的控制(这就是常说的自适应算法),使得期望的性能指标尽可能接近和保持最优。因此自适应自动舵涉及船舶和扰动的数学模型,模型的参数辨识,性能指标和自适应算法等一系列问题。 图10-3-1自校正控制的自适应自动舵系统框图 图10-3-2模型参考自适应自动舵系统框图2.自适应自动操舵装置的分类 目前较流行的自适应控制分成两大类,即自校正控制和模型参考自适应控制。见图10-3-1和10-3-2。自校正控制的自适应自动舵系统框图如图10-3-1所示.它包括被控对象和自校正控制器两部分.当船舶和扰动数学模型的参数(或状态)随机变化时,辨识器根据测量到的输入(舵角等)和输出(船首向等)信号用某种辨识算法在线辨识船舶模型和扰动模型的参数(K)(或X(K)与事先选定的性能指标通过控制算法对控制器的参数进行修正,再用修正后的参和测得的输出量算出下一步应有的控制作用(即指令舵角).随着运行过程的不断进行,自校正控制器不断地进行采样,估计,修正和控制,使控制的性能指标接近最优。 模型参考自适应自动舵系统的框图10-3-2.它包括参考模型,自适应机构和由被控对象与控制器组成的可调系统。参考模型对于给定的输入能够产生期望的输出响应。当被控对象(船)受到风浪等外界扰动时,可调系统的输出和参考模型输出之间存在着偏差.自适应机构根据选定的性能指标J,由控制器去修正可调系统的参数,使J为最小,以达到可调系统的特性接近于理想参考模型特性。思考题：1 什么叫随动舵？试述它的工作原理。2 什么叫比例-微分舵，它是怎么迅速把S航迹衰减的？3 舵是如何使船舶转动的？4 对舵机电机有何要求？5 对舵机控制线路有何要求？6 舵机的操舵方式有几种？7 自动舵是如何保持船舶航向不变的？8 自动舵通常有哪些类型？9 什么是压舵调节、天气调节、反舵角调节？10. 安休斯自动操舵仪有哪些调节？