论文部分内容阅读
摘 要：以我司在建产品某火车滚装船为依托，研究分析不同厂商对舵桨控制系统的不同设计理念，从而进一步了解舵桨控制系统的组成、原理及设计思路，为后期类似产品船的开发设计和设备订货提供相关参考。
关键词：自动舵;随动;非随动;同步;异步
中图分类号：U664.82 文献标识码：A
Control System of Double Steering Oar of Train Ro-Ro Ship
ZHONG Haoquan， CHEN Yajin， CHEN Tingting， CAI Xiaomei
（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 511462 ）
Abstract： Based on the train ro-ro ship under construction of our company， this paper studies and analyzes the different design ideas of different manufacturers on steering oar control system， so as to further understand the structure， principle and design ideas of steering oar control system， and provide reference for the development， design and equipment ordering of similar product ships in the later period.
Key words： Autopilot; Follow up; Non follow up; Synchronous; Asynchronous
1 前言
滚装船作为60年代开始发展起来的一种运输船型，由于其具有装卸速度快、费用低、对码头要求不高、实现门对门服务等特点，在船舶市场上的需求快速地增长。同时，随着现代科学技术的不断发展和各种先进仪器的使用，船舶智能化控制程度也在不断的提升。如何最大化地发挥船舶的经济性、操纵性以及安全性，成为船东在设计建造过程中的重点关注指标，通过对舵桨控制系统的详细研究，对这些指标的实现有着重大的意义。
2 船舶舵桨控制系统的分类
船舶舵桨是保证船舶安全航行并具有良好操纵性的重要设备之一。其控制系统从操舵方式来分，可分为自动控制及手动控制两种模式。
（1）自动控制系统
自动控制系统主要是通过自动操舵装置进行，即通常所说的自动舵系统。它能够自动纠正船舶的航向偏离，使船舶在较长时间保持在预先规划好航线方向上的一种操舵装置[2]，其主要结构框架见图1。
自动控制的主要原理是：当船首受到风浪、海流等外界因素作用而偏离原航向一定角度时，系统通过采集船舶的首向、航速、风向等信息在软件中进行分析计算，并作出相应的修正动作指令发送到舵机系统进行舵角调整，船首在舵力作用下逐渐返回预定航向，是一种不需要人为干预自动实现舵桨控制的过程。
（2）手动控制系统
手动控制模式下，船舶只能通过驾驶员人为判断船舶所需首向而进行的一种首向修正操舵。手动操舵模式根据其控制原理，又分为随动与非随动两种控制方式：
随动控制（称FU）是船舶操舵控制系统中最为普遍的一种形式，其控制功能逻辑见圖2。当舵手通过操舵手轮转到所需舵角时，舵角信号经过放大器执行机构等对舵叶按照所需舵角方向进行调整，并在调整过程中测量机构对舵角变量进行不断监测并实时反馈到比较机构，系统根据反馈信号与控制信号之间的对比继续调整转动舵叶，使得实际调整的舵角准确地操作手轮指令角度一致。概括来说，就是带舵角信号反馈的一种控制，系统通过对反馈回来的舵角信号进行处理，使得舵叶位置严格跟随着操舵手轮的转动角度而动的一种闭环操舵控制，在此种控制模式下，舵的实际位置与操纵台处所显示的舵角指针位置间的偏差不得超过±1°。
非随动控制（简称NFU）就是常说的直接控制或应急操舵控制。一定意义上来说，就是不带任何舵角信号反馈的控制。
3 船舶概况
我司承建的两艘火车滚装船项目作为美国与墨西哥港口之间往返的特定航线定制船，其主要技术参数如下：
总长 180.00 m
型宽 36.60/38.60 m
主甲板高度 10. 0 m 设计吃水 6.70 m
结构吃水 7.00 m
載重吨 18 950 DWT（设计吃水）
20 720 DWT（结构吃水）
设计航速 约14 kn
航区 无限航区
入级 ABS船级社。
该船主要配置如下：配备两台小缸径低速机，通过两套轴系直接驱动可调螺距桨;加装了全球首制的ECO-EGR废气再循环处理系统;在船舶航行控制系统方面，推进遥控集成了定转速、定螺距及联动三种模式;舵桨操作中配备了双舵同步/异步控制系统，在驾驶室及桥楼两翼操作位均能通过同步/异步模式选择开关，实现双舵独立异步控制及同步控制两种功能的切换，使得船舶操纵更加灵活、稳定地适应各种工况下的操作需求。
4 双舵桨控制系统
4.1 系统的组成
自动舵系统框架示意图，如图3所示。结合ABS船级社规范4-3-4/13.5及规格书对自动舵系统的控制要求，本项目自动舵系统在驾驶室、左右翼控制台中的主要配置见表1。
4.2 系统的功能
如图3所示，驾驶室作为船舶航行过程中的主要操作位，其配置复杂，集成了自动舵系统中的自动操舵功能、手动随动操舵、手动非随动操舵三种功能，其中手动操舵功能中又分为双舵的同步控制及异步控制两种功能。
当进入自动操舵功能模式时，在驾驶员预设好航向后，则由自动舵系统自动操作;当进入手动随动操舵时，通过FU选择面板将控制选择到同步模式工况，船舶首向则由随动同步大手轮进行调整控制;当选择到异步模式工况时，可以通过左右舵桨的FU分别单独控制对应的舵桨;手动非随动操舵功能作为一种应急操舵功能，通常在船舶应急状态下使用，通过越控单元将操舵权限从自动舵中切换到NFU操作舵叶转向，且通过NFU同步/异步选择开关可实现两舵桨的单独或同步控制。
当船舶操纵权限从驾驶室转至桥楼甲板左右翼台操作时，在同步/异步选择开关进行模式选择后，左右翼操作位同样具备NFU对舵桨实现单独或同步控制。
4.3 系统的关键技术
本项目双机双桨控制系统区别于以往船舶的主要技术关键，在于左右翼台双桨的NFU。根据项目规格书要求，左右翼台应配置NFU并具备双桨的同步/异步功能，然而不同设备厂商对双桨同步功能的实现有不同的设计理念，其差异主要存在于当进入NFU模式前，如果两舵桨的初始角度不一致时，NFU将存在以下两种实现理念：
（1）NFU是应急操舵的一种方式，其操作执行应优先响应至所需舵桨转向，其实现逻辑见图4。即NFU发出转舵指令时，两个舵桨立即以保持原始相差角度进行转舵响应，在转舵过程中两舵桨相对中线角度始终是保持不一致的角度，此种同步的实现过程仅仅是两舵叶转舵的角速度同步，虽然是快速响应了船舶所需转向，但由于双桨的舵角不一致，螺旋桨推动的水流方向也不一致，导致船舶结构受力不均而引起振动;
（2）为避免由于舵桨角度不一致引起的船舶振动而带来的船体应力集中问题，在NFU同步操舵时，系统应先判断两舵桨的起始舵角是否一致，如不一致则优先将两舵桨舵角往一个角度靠拢调整到相同角度后再往所需舵桨方向转动，如图5所示。换言之，此种同步的实现过程是为保证转舵过程中两舵桨时刻相对船舶中线具有相同的角度，保证两舵叶的平行。但是由于此种设计在调整两舵角起始角度一致时需要一定的时间，相比于理念（1）的设计，其船舶操纵性能响应性较差。
通过上述两种同步转舵实现过程的比较可知，两种理念对于厂家所配置的模块及功能实现却有天壤之别，投入的成本也大不相同。由于NFU指令是不经过转舵控制单元处理，而直接将信号控制转舵电磁阀进行转舵动作;对于理念（2）设计的系统，其设备配置需额外增加一套单独转舵处理模块，以实现调整两舵桨至一致的起始角度后再同步转舵，控制系统更为复杂，费用也要高很多。由于前期产品开发阶段与船东未就此技术状态进行详细的澄清，建造合同生效后，在设备订货过程中为准确配置并满足规格书中的功能要求，经过与设计院、设备厂商及船东多次进行详细的技术细节沟通，最终选择了理念（1）进行配置。值得强调的是，虽然避免了理念（2）设计的配置，但其中对于船厂在建造中设备成本投入的风险来说是相当大的，因为前期设备经营询价时，设备商都是以最基本的配置进行预报价，如船东选择理念（2）的设计，则订货成本会大大超过产品船的开发成本。
5 结束语
随着近年来航运市场的低迷，高效率、高质量、低成本等理念，已成为船厂在承接船舶订单竞争中得以生存的重要方针之一。本文针对该船双舵桨控制系统的研究只是控制成本的措施之一，旨在为船厂往后相关产品船型开发时进行引导，强调在产品承接时应着重考虑类似技术细节与船东的澄清，以确保经营询价的准确性，降低后期订货超目标成本的风险。
参考文献
[1]陈睿童，龚俊毅.船舶自动舵控制技术的发展分析[J].科学技术创新. 2019（22）.
[2]邹明文.简述船舶操纵自动舵原理[J].科技天地.2011（8）.
[3]程启明，刘其明，王志宏，孙干超.船舶自动舵控制技术的发展研究[J]，计算机自动测量与控制. 2000.8（6）.
[4]黄继起.自适应控制理论及其在船舶系统中的应用[M].北京：国防工业出版社.1992， 4（1）.
[5]李圆明.船舶航迹舵控制技术研究与设计[J].科技创新与应用.2014.
[6] ABS， Rules For Conditions Of Classification 2018.
[7]徐国平，张显库. 船舶自动舵研究综述[J].中国造船. 2013，54（2）.
关键词：自动舵;随动;非随动;同步;异步
中图分类号：U664.82 文献标识码：A
Control System of Double Steering Oar of Train Ro-Ro Ship
ZHONG Haoquan， CHEN Yajin， CHEN Tingting， CAI Xiaomei
（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 511462 ）
Abstract： Based on the train ro-ro ship under construction of our company， this paper studies and analyzes the different design ideas of different manufacturers on steering oar control system， so as to further understand the structure， principle and design ideas of steering oar control system， and provide reference for the development， design and equipment ordering of similar product ships in the later period.
Key words： Autopilot; Follow up; Non follow up; Synchronous; Asynchronous
1 前言
滚装船作为60年代开始发展起来的一种运输船型，由于其具有装卸速度快、费用低、对码头要求不高、实现门对门服务等特点，在船舶市场上的需求快速地增长。同时，随着现代科学技术的不断发展和各种先进仪器的使用，船舶智能化控制程度也在不断的提升。如何最大化地发挥船舶的经济性、操纵性以及安全性，成为船东在设计建造过程中的重点关注指标，通过对舵桨控制系统的详细研究，对这些指标的实现有着重大的意义。
2 船舶舵桨控制系统的分类
船舶舵桨是保证船舶安全航行并具有良好操纵性的重要设备之一。其控制系统从操舵方式来分，可分为自动控制及手动控制两种模式。
（1）自动控制系统
自动控制系统主要是通过自动操舵装置进行，即通常所说的自动舵系统。它能够自动纠正船舶的航向偏离，使船舶在较长时间保持在预先规划好航线方向上的一种操舵装置[2]，其主要结构框架见图1。
自动控制的主要原理是：当船首受到风浪、海流等外界因素作用而偏离原航向一定角度时，系统通过采集船舶的首向、航速、风向等信息在软件中进行分析计算，并作出相应的修正动作指令发送到舵机系统进行舵角调整，船首在舵力作用下逐渐返回预定航向，是一种不需要人为干预自动实现舵桨控制的过程。
（2）手动控制系统
手动控制模式下，船舶只能通过驾驶员人为判断船舶所需首向而进行的一种首向修正操舵。手动操舵模式根据其控制原理，又分为随动与非随动两种控制方式：
随动控制（称FU）是船舶操舵控制系统中最为普遍的一种形式，其控制功能逻辑见圖2。当舵手通过操舵手轮转到所需舵角时，舵角信号经过放大器执行机构等对舵叶按照所需舵角方向进行调整，并在调整过程中测量机构对舵角变量进行不断监测并实时反馈到比较机构，系统根据反馈信号与控制信号之间的对比继续调整转动舵叶，使得实际调整的舵角准确地操作手轮指令角度一致。概括来说，就是带舵角信号反馈的一种控制，系统通过对反馈回来的舵角信号进行处理，使得舵叶位置严格跟随着操舵手轮的转动角度而动的一种闭环操舵控制，在此种控制模式下，舵的实际位置与操纵台处所显示的舵角指针位置间的偏差不得超过±1°。
非随动控制（简称NFU）就是常说的直接控制或应急操舵控制。一定意义上来说，就是不带任何舵角信号反馈的控制。
3 船舶概况
我司承建的两艘火车滚装船项目作为美国与墨西哥港口之间往返的特定航线定制船，其主要技术参数如下：
总长 180.00 m
型宽 36.60/38.60 m
主甲板高度 10. 0 m 设计吃水 6.70 m
结构吃水 7.00 m
載重吨 18 950 DWT（设计吃水）
20 720 DWT（结构吃水）
设计航速 约14 kn
航区 无限航区
入级 ABS船级社。
该船主要配置如下：配备两台小缸径低速机，通过两套轴系直接驱动可调螺距桨;加装了全球首制的ECO-EGR废气再循环处理系统;在船舶航行控制系统方面，推进遥控集成了定转速、定螺距及联动三种模式;舵桨操作中配备了双舵同步/异步控制系统，在驾驶室及桥楼两翼操作位均能通过同步/异步模式选择开关，实现双舵独立异步控制及同步控制两种功能的切换，使得船舶操纵更加灵活、稳定地适应各种工况下的操作需求。
4 双舵桨控制系统
4.1 系统的组成
自动舵系统框架示意图，如图3所示。结合ABS船级社规范4-3-4/13.5及规格书对自动舵系统的控制要求，本项目自动舵系统在驾驶室、左右翼控制台中的主要配置见表1。
4.2 系统的功能
如图3所示，驾驶室作为船舶航行过程中的主要操作位，其配置复杂，集成了自动舵系统中的自动操舵功能、手动随动操舵、手动非随动操舵三种功能，其中手动操舵功能中又分为双舵的同步控制及异步控制两种功能。
当进入自动操舵功能模式时，在驾驶员预设好航向后，则由自动舵系统自动操作;当进入手动随动操舵时，通过FU选择面板将控制选择到同步模式工况，船舶首向则由随动同步大手轮进行调整控制;当选择到异步模式工况时，可以通过左右舵桨的FU分别单独控制对应的舵桨;手动非随动操舵功能作为一种应急操舵功能，通常在船舶应急状态下使用，通过越控单元将操舵权限从自动舵中切换到NFU操作舵叶转向，且通过NFU同步/异步选择开关可实现两舵桨的单独或同步控制。
当船舶操纵权限从驾驶室转至桥楼甲板左右翼台操作时，在同步/异步选择开关进行模式选择后，左右翼操作位同样具备NFU对舵桨实现单独或同步控制。
4.3 系统的关键技术
本项目双机双桨控制系统区别于以往船舶的主要技术关键，在于左右翼台双桨的NFU。根据项目规格书要求，左右翼台应配置NFU并具备双桨的同步/异步功能，然而不同设备厂商对双桨同步功能的实现有不同的设计理念，其差异主要存在于当进入NFU模式前，如果两舵桨的初始角度不一致时，NFU将存在以下两种实现理念：
（1）NFU是应急操舵的一种方式，其操作执行应优先响应至所需舵桨转向，其实现逻辑见图4。即NFU发出转舵指令时，两个舵桨立即以保持原始相差角度进行转舵响应，在转舵过程中两舵桨相对中线角度始终是保持不一致的角度，此种同步的实现过程仅仅是两舵叶转舵的角速度同步，虽然是快速响应了船舶所需转向，但由于双桨的舵角不一致，螺旋桨推动的水流方向也不一致，导致船舶结构受力不均而引起振动;
（2）为避免由于舵桨角度不一致引起的船舶振动而带来的船体应力集中问题，在NFU同步操舵时，系统应先判断两舵桨的起始舵角是否一致，如不一致则优先将两舵桨舵角往一个角度靠拢调整到相同角度后再往所需舵桨方向转动，如图5所示。换言之，此种同步的实现过程是为保证转舵过程中两舵桨时刻相对船舶中线具有相同的角度，保证两舵叶的平行。但是由于此种设计在调整两舵角起始角度一致时需要一定的时间，相比于理念（1）的设计，其船舶操纵性能响应性较差。
通过上述两种同步转舵实现过程的比较可知，两种理念对于厂家所配置的模块及功能实现却有天壤之别，投入的成本也大不相同。由于NFU指令是不经过转舵控制单元处理，而直接将信号控制转舵电磁阀进行转舵动作;对于理念（2）设计的系统，其设备配置需额外增加一套单独转舵处理模块，以实现调整两舵桨至一致的起始角度后再同步转舵，控制系统更为复杂，费用也要高很多。由于前期产品开发阶段与船东未就此技术状态进行详细的澄清，建造合同生效后，在设备订货过程中为准确配置并满足规格书中的功能要求，经过与设计院、设备厂商及船东多次进行详细的技术细节沟通，最终选择了理念（1）进行配置。值得强调的是，虽然避免了理念（2）设计的配置，但其中对于船厂在建造中设备成本投入的风险来说是相当大的，因为前期设备经营询价时，设备商都是以最基本的配置进行预报价，如船东选择理念（2）的设计，则订货成本会大大超过产品船的开发成本。
5 结束语
随着近年来航运市场的低迷，高效率、高质量、低成本等理念，已成为船厂在承接船舶订单竞争中得以生存的重要方针之一。本文针对该船双舵桨控制系统的研究只是控制成本的措施之一，旨在为船厂往后相关产品船型开发时进行引导，强调在产品承接时应着重考虑类似技术细节与船东的澄清，以确保经营询价的准确性，降低后期订货超目标成本的风险。
参考文献
[1]陈睿童，龚俊毅.船舶自动舵控制技术的发展分析[J].科学技术创新. 2019（22）.
[2]邹明文.简述船舶操纵自动舵原理[J].科技天地.2011（8）.
[3]程启明，刘其明，王志宏，孙干超.船舶自动舵控制技术的发展研究[J]，计算机自动测量与控制. 2000.8（6）.
[4]黄继起.自适应控制理论及其在船舶系统中的应用[M].北京：国防工业出版社.1992， 4（1）.
[5]李圆明.船舶航迹舵控制技术研究与设计[J].科技创新与应用.2014.
[6] ABS， Rules For Conditions Of Classification 2018.
[7]徐国平，张显库. 船舶自动舵研究综述[J].中国造船. 2013，54（2）.