船舶自动化论文

船舶自动化原理期末终结报告

班级：航海101

学生姓名：邓平平

学号：201010111020

指导教师：周峰

完成时间：2013年5月5日

目录

一自动舵系统———————————————————————3 1.1 船舶自动操舵系统的基本类型及其调节规律———————3 1.1.1 比例舵————————————————————3 1.1.2 比例—微分舵—————————————————3 1.1.3 比例—微分—积分舵——————————————4 1.2 小结————————————————————————5 二船舶自动化发展趋势———————————————————5 2.1系统监控的综合化——————————————————5 2.2系统的网络化————————————————————6 2.3船舶导航与驾驶自动化技术——————————————6 2.4船舶机舱自动化系统及设备技术————————————7 2.5船舶船岸信息一体化系统技术—————————————8 2.6液货装卸自动化系统技术———————————————9 三船舶自动化与船舶安全—————————————————10

一自动操舵系统

随着船上自动化程度的不断加深，船舶的操舵方式由原来单一的手动操舵逐渐被现在的自动操舵、随动操舵、手动操舵三种操舵方式共存所取代。正常航行时采用自动操舵，靠离码头、进出狭窄水道等机动状态转换为随动操舵，当这两种操舵方式失灵或在紧急情况下立即转为手动操舵。这三种基本类型的操舵方式构成了现代船舶的自动操舵系统。

1.1 船舶自动操舵系统的基本类型及其调节规律

根据基本闭环调节规律的不同，自动操舵系统可分为以下三种类型：

1.1.1 比例舵

其调节规律是以船舶偏航角Ψ的大小按比例给出偏舵角β，即

Β=-K1·Ψ

式中，K1为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏舵。比例系数K1可根据不同船型、装载量和航速作适当调节,通常β/Ψ=2-3,即每偏航1°偏舵2°—3°。比例系数K1过小或过大,将使偏航振幅加大或偏航振荡次数增多,导致航速降低稳定性差。

1.1.2 比例—微分舵

其调节规律是,以船舶偏航角和偏航角速度dΨ/dt按比例给出偏舵角β,即

βK1Ψ+K2dΨ/dt)

=

-

(

式中,K2是微分系数。微分环节检测偏航角速度dΨ/dt,并给出

相应的附加偏舵角信号K2dΨ/dt,从而加快航向的调整过程,提高系统的灵敏度。在船舶开始偏航的初级阶段,偏航角较小,而偏航角速度较大，因此使偏舵角和舵效比相同偏舵角（Ψ）下的增加，偏航角速度逐渐减小为零，这时的最大偏航角要小于单纯比例舵的Ψmax。当船舶在舵的作用下开始向正航向回转时，偏航角逐渐减小，而偏航角速度逐渐增大，但符号相反，使偏航角等于比例舵角减去微分舵角。在未回到正航向前，两信号已消减为零，继续下去将出现反舵角，因此在船舶回到正航向前已收到返向舵的作用，从而能有效地阻止因惯性而向反方向的偏航。

1.1.3 比例—微分—积分舵

其调节规律是以船舶偏航角Ψ、偏舵角dΨ/dt和偏航角积分

∫Ψdt按比例给出偏舵角β,即

=-(K1Ψ+K2dΨ/dt+K3∫Ψdt)

式中,K3是积分系数。这种类型的自动舵也称为比例—积分—微分舵。

船舶在航行时,常常由于船体和装载的不对称、双桨工作的不对称以及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,航迹S在正航向两侧对称,平均偏航角Ψ=0。当不对称偏航角时,S航迹在向正航向一侧的摆幅增大,另一侧摆幅减小,使 航迹的轴线方向偏离正航方向,即平均偏航角Ψ≠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,失之千里”。但系统加入积分环

节将对偏航角进行积分并发出与偏舵角相应的恒定偏舵角指令,利用恒定的偏舵来抵消持续的外力作用,保证船舶的正航向。在正常的对称偏航情况下,积分环节也能提高航向的稳定精度,因为它能检测小的偏航角。

综上所述,可以得出,比例—微分—积分舵是一个综合的调节系统,因此它在动态和静态性能指标以及稳定性上都是最好的。

2. 小结

现代化的船舶，很多设备的控制都已完成了微机化，自动操舵系统作为船舶前进方向的灵魂，其中微机控制的应用更是越来越全面和深入。随着船舶自动控制技术的不断提高，其自动操舵系统也会越来越健全，船舶在航行中的安全保障会更高。

二船舶自动化发展趋势

随着计算机技术的高度发展，带动了该技术在船舶上的日益发展和广泛应用，展望21世纪船舶自动化技术，将不断向全船综合自动化这个高层次阶段发展，船舶综合自动化，是集机舱自动化、航行自动化、信息一体化、装载自动化等于一体的多功能综合系统。下面就由多个方面来看船舶自动化发展趋势。

2.1系统监控的综合化

由于电气设备已经日趋通用化、模块化、系列化，可以做到组态灵活；计算机所有功能选择均能通过屏幕软件按钮直接完成，为系统监控的综合化提供了必要的基础。当然，根据需求不同仍旧存在着先进程度不同和性能要求不同的船舶，但是单机单控的系统必将逐步向综合监

控的系统过渡。因为采用综合监控的形式，可以构成双重或多重冗余，对提高系统或者全船整体可靠性是有积极意义的。

2.2系统的网络化

当前，数字化技术和总线技术应用已经相当成熟。现场总线是一种互联现场设备（或模块）与控制系统之间的双向数字通信网络。通常采用双层网，第一层为数据采集与传送网，第二层为控制网。为保证系统的可靠性，控制网络可采用冗余结构。考虑到危险分散原则，按系统又分成若干子网。通过系统的网络化，功能上集各子系统之众，从可靠性出发又是一个分布式系统；在数据采集和控制平台上各分系统密切结合，但在系统结构上又是一个主动性极强的系统，在平台某系统局部受损时不影响独立工作；采用网络冗余和设备冗余设计及不间断后备电源，生存能力很强；具有图像控制功能，人机界面和对话效果良好。

网络系统的优势在于采用数字化和高层次的自动化技术代替大量繁琐的人工操作，提高工作效率是显而易见的。它有助于减少频繁操作和减轻人员疲劳，把船员从环境恶劣的工作场合中解放出来。2．3船舶导航与驾驶自动化技术

现代船舶对操纵从安全性、可靠性到航行的成本都提出了新的要求，并且引起船舶配套设备研制生产厂家的重视。目前，世界上先进国家已研制推出第3代、第4代不同类型的综合船桥系统（IBS），其应用计算机、现代控制、信息处理等技术，将船上的各种导航、操作控制和雷达避碰等设备有机地组合起来，对导航、驾驶、机动航行、航行

管理、航线计划、避让、轮机监控、自动监测、自动报警等功能实施控制，以最少的人力、最低的燃料消耗，实现船舶自动化航行。系统的主要特点是具有完善的综合导航、自动操船、自动避碰、丰富的图形界面、通信和航行管理控制自动化等多种功能，从而实现船舶航行的高度自动化，提高航行的安全性、经济性和有效性。

船舶导航与驾驶自动化系统是具有航海专家数据库的支持，以及国际通用电子海图技术支持的数字化、智能化、模块化和集成化的综合导航与驾驶控制的网络系统，其技术今后主要需求航海专家数据库技术、通用型电子海图显示信息系统技术、多导航传感器多数据集的信息融合处理技术、在开放式体系中的实时多任务操作系统基础上的系统集成技术、系统导航功能模块化技术等的支持。

2．4船舶机舱自动化系统及设备技术

船舶机舱自动化系统是集机舱动力系统及辅助系统自动控制、监测、报警等于一体化的监控系统，船舶机舱自动化技术是船舶工业科技战略发展应用研究的重要技术之一，是涉及计算机网络、数字化信息技术、现代控制技术、通讯、信息处理、光纤、传感器、电力电子等多种学科和技术综合应用的一体化产物。机舱自动化系统包括主动力系统、发电系统等多个子系统的控制与监测，以集成化、网络化、标准化、模块化、智能化、系列化等方式，向实现机舱综合自动化这个高层次阶段发展。其开放式和网络化的未来船舶机舱自动化的创新模式，具有自动化程度高、可靠性高、维护简洁等特点。

船舶机舱自动化系统及设备技术是以计算机网络、现场总线技术

为标志的集成平台管理系统IPMS技术、柴油机遥控技术、全自动电站及电能管理技术、全电力推进系统的监控技术、标准操控台的数字监控系统技术、设备软硬件模块化、标准化、系列化技术、船舶光纤数字传输技术、船舶机舱微机电系统的新技术、机舱自动化系统可靠性理论为基础上发展起来的。

2．5船舶船岸信息一体化系统技术

船舶船岸信息一体化系统技术是船舶配套技术科技战略发展需要研究和开发的重要课题。船舶船岸信息一体化系统技术是为远洋运输和远洋渔业捕捞队等在世界各海域中执行各项作业任务的大中型民船提供船舶航行状态的实时监视、调度、管理、指挥的大型的自动管理系统。国外有些“船舶自动报告系统”已出现了由电子海图（ECDIS）、船舶自动识别系统（VIS）、船载航行数据记录仪（VDR）等主要设备，通过扩充远程无线网络通信功能，而实现海上数字交通，并且通过卫星通信网、陆地计算机广域网和局域网，以规定的报告格式实时地与基地指挥台自动进行通信，构成船岸信息一体化网络，成为集导航、通信、控制为一体的船舶自动化系统。这对于海上船舶航行安全有很重要意义。此船岸信息一体化网络使船舶自动化上升到新的台阶。

船岸信息一体化网络的结构分析与组建、船台综合后勤支持管理系统的软件平台技术、船岸动态信息传输技术和导航与通信综合集成技术、陆上信息管理与指挥调度系统的软件平台技术、船岸一体化网络通信安全性和高可靠性理论、航行目标、状态信息、作业操控等的虚拟现实技术、智能化的航海知识数据库技术、船舶自动识别系统、

船舶航行数据自动记录器、船舶智能化自动航行系统等技术则成为船岸信息一体化系统技术发展的主要方向。

2．6液货装卸自动化系统技术

液货装卸自动化系统是实现船舶综合后勤支持管理自动化，以及船舶装卸与系泊自动化的主要装置。其以数据库为核心，将数个控制模块集成在一起运行，可实时地模拟、检测、控制液货装卸船在静水和波浪中各种完整和破舱状态下的静水力、耐波性效应，自动监测控制货油系统、压载系统、水密门，通过高精度监测吃水和对液位遥控实施对船的浮态控制，以确保船的浮态和稳性。

液货装卸自动化系统技术未来的发展趋势有：集成监测控制技术、静水力性能模拟监控技术、动力性能模拟监测技术、吃水和液位遥测遥控技术、货油装卸模拟监测控制技术、自动压载控制技术、水密门监测控制技术、船上掌上电脑无线监控技术、卫星—Internet

岸基监控管理等。

综上所述，船舶自动化是船舶科学技术的重要组成部分，其系统及设备发展极其迅速，更新换代的速度也是惊人的，而船舶自动化技术正朝着数字化、智能化、模块化、网络化、集成化的方向迅速发展，这也是21世纪国际船舶自动化技术发展总趋势。

三船舶自动导航与船舶安全

一艘船舶，特别是大型船舶，它的的价值不仅与其所具有的经济价值有关，还与船上人员的生命安全息息相连，更有甚者还对我们赖以生存的地球环境有着巨大的影响。因此，确保船舶安全是当今航运

界的首要任务，安全运营是船舶最基本的要求。

由于船上人员配备的精简，值班驾驶员的精神疲惫等原因，人为因素的海上事故占所有海上事故的主要部分。船舶自动化是在无人参与的情况下，利用控制装置使被船舶自动的按预定的运动规律去运行。在改善船员工作量的同时，也增加了船舶航行安全。

但自动系统毕竟不是人，它只是船舶航行的助航措施，它只能提高船舶安全性，其取代不了人类，要确保一艘船舶的安全经济运营，就必须兼顾各个层面，从管理层到一线操作人员，由大到小、由上到下，从船舶硬件设施，到船舶操纵人员的专业技能与职业心理适应能力等都必须达到严格的要求。