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自动操舵仪研制与实现浅谈

发表时间：2020/8/4 来源：《电力设备》2020年第8期作者：冯雅忱1 李鑫2 金华3

[导读] 1、摘要自动操舵仪是舰船的航行控制的重要设备，对于舰船航行的安全性和经济型起到决定性作用。

        (1锦州航星船舶科技有限公司辽宁锦州 121219;2辽宁航星海洋科技有限公司辽宁锦州 121219;3辽宁航星海洋科技有限公司辽宁锦州 121219)
        1、摘要自动操舵仪是舰船的航行控制的重要设备，对于舰船航行的安全性和经济型起到决定性作用。由于不同舰船模型的不同，吨位的不同，航行水域不同等导致控制性能的不足，无法完成既定任务或是不能按时将货物运送目的地。因此研制一款适应不同模型、不同吨位及海况的自动舵操舵仪势在必行，具有重要的战略意义及经济效益。
        关键词：自动操舵仪；工作原理；设计
        2、主要功能用途
        自动操舵主要用用于舰船的转向控制，一般具有简操、随动、航向、迹向及航迹操舵等功能，同时具有完备的航行状态指示和报警功能。
        简操：通过手柄直接控制打舵；
        航向：通过设定新航向，来输出指令舵角，自动保持设定的指令航向；
        迹向：结合当前GPS信号，设定新航向后输出指令舵角来保持设定的指令航向；
        航迹：自动跟踪外部航行计划设备设置的计划航线。
        采用ARM芯片为控制核心，其优点是功能完备、启动迅速、控制可靠，整套仪器具有智能化程度高、可靠性好、使用维护方便等特点。
        说明：航向、迹向、航迹等工作模式一般使用于较开阔的水域，简操、随动等工作模式一般适用于进、出港等狭窄航道。
        3、主要性能指标
        1）电源电压：AC380V 50Hz，两路，DC24V 一路；
        2）操舵范围：±35º（标准）；
        3）随动操舵灵敏度：≤1º；
        4）航向操舵最高灵敏度：≤0.5º航差角；
        5）航向复示精度 0.1º；
        6）航向修正范围：0º～±180º，可连续修正。
        4、系统组成及工作原理
        主仪器主要由报警单元、控制单元、罗经复示单元、随动手轮单元、显控单元、泵组选择单元、操舵方式装换单元、简操单元、舵角复示单元及状态设置单元等组成。
        自动操舵仪采用ARM芯片为控制核心，采用模糊自适应控制算法，CAN总线进行通信，标准模块化设计，双通道冗余设计，工作时可以通过人为设置指令舵角或是预设航向、或是通过电子海图等航迹规划设备输出预设航线信息进入系统，系统结合当前海况、装载、船舶特性等进行运算、处理后输出控制电磁阀开关方向的信号，即控制液压系统的油压方向从而带动舵机舵叶的往复运转，从而达到改变船舶航向的目的。
        同时，系统通过反馈发送器实时采样当前舵角进入系统。当指令舵角和实际舵角一致时系统停止输出操舵信号。并在显控单元显示相关信息，主要包括：当前舵角、指令舵角、当前航向（罗经）、指令航向、航向偏差、位置信息（GPS）、航速信息、航迹偏差数据及操舵方式、泵组选择、控制通道、外部信号的状态等。
        主仪器控制单元主要由控制板I、控制板II、电源功放板及母板组成，是系统的控制核心，实时接收来自外部位置传感器、方位传感器、速度传感器，反馈发送器及状态设置单元的当前信息并结合当前船舶航行状态运算处理后输出最优控制方案来实现与各个单元设置之间进行信息交互，以达到最优的控制效果。
        根据当前船舶位置、航向、舵角、海况、装载等信息计算出操舵控制信号，经功率放大后驱动电磁阀动作，打开液压系统控制油路，控制舵叶转动，消除船舶位置与计划航线之间的差值，使船舶按计划航线航行。
        在航迹控制系统中，操作人员同样通过调整装载、海况的设置值，能够获得较好的控制性能。

图4-1 控制单元实物图

                      图4-2 显控单元实物图
        4、操作设计
        操作流程，首先分别将两个油泵启动箱的电源开关选择到接通的位置，然后将舵机舱操舵开关箱操舵地点选择开关选择到相应位置，选择到舵机舱时，在本地可通过手柄手动操舵；当选择到驾驶室，驾驶室可以启、停、备泵等操作，启泵后，将操舵方式选择开关选择到对应模式，可进行对应模式下操舵。航向操舵：
        （1）、启动油泵电机；
        （2）、工作方式转到航向；
        （3）、设定航向：按下“设定（航向确认/设定）”按钮1.5s时，显示的设定航向闪烁，进入航向设定程序，旋转旋钮设置“设定航向”,设定航向完成后，再按“确认”即可锁定设定航向。
        参数设定：海况选择开关的设置与船舶航行时所处的天气条件有关，操作人员在直观判断天气条件为“好”、“中”、“差”后，将海况选择开关设置到相应的档位。如果操作人员期望获得更好的航向控制精度，则可以将海况选择开关设置到更高一个档位，例如当前天气条件一般，但是希望船舶能够保持更高的航向控制精度，那么可以将海况选择开关设置到“好”这个档位，此时会提高航向控制精度，负面影响是操舵次数会相应增加。总之，操作人员应不断总结航行经验，根据船舶航行时的天气条件和对航行的要求，灵活地设置“海况选择开关”的档位，以达到最佳的控制效果。
        5、实船操舵效果验证
        2016年10月9日到15日在XX海警船上试航期间到得的实船航迹、航向自动操舵系统实际操舵效果图：
        船型：船型为3000吨；
        航速：全速22节，转向时减速；
        海况:海况为5级海况；
        航程:全程23海里。
        实际航线效果图如下：

        图5-1从左至右依次整体效果图、进入航迹效果图转向时的效果图(接近60度锐角转向)
        6、结束语
        本次航迹航向自动操舵仪的功能实现及其实船应用验证等。经过大量实船（舰）验证，本（航迹）航向自动操舵仪与国内外同类产品相比，可靠性高，能够有效降低打舵频次，缩短不必要的航程距离，提高航行的经济型。
        参考文献：
        [1]李铁山，杨盐生，郑云峰。不完全驱动船舶直线航迹控制稳定性研究[J]。系统工程与电子技术，2004，26(7)：3945-948
        [2]周岗，姚琼荟等。不完全驱动船舶直线航迹控制稳定性研究[J]。自动化学报，2007，33(4)：378-384
        [3]高安娜，不同海情下的大型船舶航向、航迹控制方法研究[D]。哈尔冰：哈尔冰工程大学，2008。