湯 華

海軍902廠，上海 200083

0 引言

自動操舵儀包括航跡自動舵、航向自動舵。自動操舵儀是最重要、最基本的航海裝備，其性能優(yōu)劣直接關系到船舶的航行安全。不論是航向自動舵還是航跡自動舵，都是反饋控制系統(tǒng)。隨動操舵有一個舵角反饋回路，自動航向操舵具有舵角和航向兩個反饋回路，航跡控制方式則具有舵角、航向和位置三個反饋回路。舵角反饋、航向反饋、位置反饋涉及到電磁閥動作、液壓泵、液壓機構及舵葉的運動、船體航向的變化、船體速度的變化、船體姿態(tài)位置的變化、海流及風浪對艦船的影響等多個復雜因素。在自動舵生產調試或修理過程中，要真實檢測自動舵的各種控制性能，必須具備構成上述反饋的船舵模擬系統(tǒng)，在陸基條件下檢驗其性能的優(yōu)劣，實時進行參數的調整。

1 船舵模擬系統(tǒng)研究現狀

船舵模擬系統(tǒng)是自動舵生產調試、維修、教學過程中不可或缺是設備。目前國內普遍采用的船舵模擬系統(tǒng)是采用尺寸縮小的液壓站、油缸實物模擬自動舵的控制對象——液壓舵裝置，通過自動舵給出打舵信號，實際觀測油缸動狀態(tài)來判斷控制系統(tǒng)是否出現：零偏、沖舵、超調、震蕩等故障。

隨著國內自動舵裝備的不斷發(fā)展，航跡舵、自適應舵等裝備不斷出現，從自動舵輸出的控制信號到形成各種反饋給自動舵的信號，要經過電磁閥、電磁球閥或電液閥、變量泵及液壓舵機系統(tǒng)、舵葉、船體、電羅經、定位系統(tǒng)等，涉及風、流、浪等因素，還要考慮到GPS信號、綜合導航信號的介入。上述船舵模擬系統(tǒng)已難以勝任對自動舵的生產調試、維修、教學需求。為此，急需研制新型船舵模擬系統(tǒng)，實現對新型自動舵工作大環(huán)境的模擬，以適應自動舵生產、維修、調試的需求。高速發(fā)展的計算機仿真技術為此提供了可能。

2 基于仿真技術的船舵模擬系統(tǒng)構建

2.1 數學模型的建立

2.1.1 液壓舵機系統(tǒng)運動模型

變量泵控制液壓舵機的流量，因而控制轉舵速度，變量泵受電磁閥或電磁球閥、電液閥控制。液壓機構推動舵葉產生的舵角變化可用以下模型描述：

其中Vδ為轉舵速度，t為轉舵時間，δmax為最大舵角。

2.1.2 舵角-航向及船位變化數學模型

基于船舶運動的動態(tài)過程，系統(tǒng)需要建立船舶運動數學模型，反映艦船運動的實際動態(tài)特性。船舶位移及轉艏運動可由以下數學模型建立：

式中u、υ為航速U在艦船前進方向和正橫方向的分解,r為轉艏速率,漂角為β時：

2.1.3 風、海浪、海流干擾模型

為了真實地反映海浪對船舶運動的影響，系統(tǒng)采用了兩種方式計算海浪對船舶運動的影響，一種是根據海浪的波高及譜密度研究海浪對舵葉的力矩擾動，計算其對舵角、航向的影響。另一種方法是將海浪干擾直接等效到的對舵角的擾動，再通過舵角對航向的控制模型計算對航向的影響。

2.1.4 電磁閥運動模型

理想的電磁閥具有沒有延遲的開關特性，當輸入電壓超過其閥值時，電磁閥完全打開，反之關閉。實際上電磁閥具有一定的動作延遲時間，延遲時間的大小直接影響自動舵動態(tài)性能，比如延遲時間過長會造成隨動操舵振蕩。

2.1.5 電液閥運動模型

和電磁閥相比，電液閥有一線性響應區(qū)間，當輸入電壓在某一范圍內時，電液閥打開的角度與輸入電壓成比例。輸入電壓小于其下閥值時，電液閥完全關閉；輸入電壓超過其上閥值時，電液閥完全打開。

2.2 系統(tǒng)的實現

系統(tǒng)采用一體化工控機作為核心控制單元，主要包含：一體化工控機單元、報警信號模擬單元、羅經航向模擬單元、綜合電源單元、舵角驅動單元、舵角反饋驅動機構等單元構成。其中，各模擬單元通過單片機控制電路實現半實物物理仿真；舵角反饋驅動機構的作用是通過步進電機執(zhí)行系統(tǒng)對舵角的模擬動作，步進電機轉軸通過齒輪、連桿帶動舵角驅動軸。舵角反饋驅動機構上可固定被測自動舵的舵角反饋機構，步進電機帶動的舵角驅動軸和反饋機構的軸用連接軸固連。

3 在自動舵維修中的應用

3.1 功能的實現

3.1.1 對航向自動舵的檢測

航向自動舵是指是一種用來對艦船航向進行自動調節(jié)的裝置。其基本原理如下：

因此，在陸基條件下，完成其調試檢測工作，需要形成舵角反饋和航向反饋以及模擬報警信號。

航向反饋：新型船舵模擬系統(tǒng)的羅經航向模擬單元通過單片機控制電路控制步進電機形成模擬的羅經信號；工控機通過舵角反饋單元采集航向自動舵產生的打舵信號經數學模型計算得出船舶航向的響應發(fā)送至羅經航向模擬單元形成新的模擬航向，從而形成航向負反饋。

舵角反饋：舵角驅動單元通過采集航向自動舵的操舵控制信號，計算舵角變化速度，控制步進電機帶動舵角反饋機構轉動，反饋機構的轉動通過機械連接帶動舵角反饋電機轉動，從而形成舵角負反饋信號。

模擬報警信號：報警信號模擬單元通過開關觸點與公共線相連，報警線與公共線相連，通過模擬報警觸點的閉合、開啟形成報警信號有效、失效，同時可接收、顯示自動舵輸出的延伸報警信號。對應不同的航向自動舵，模擬報警信號可定義成不同的內容，如動力失電、過載、斷相、失壓、油位低、油溫高、油壓低、濾器阻塞、液壓鎖定、閥失電等。

船舵模擬系統(tǒng)與航向自動舵的陸基連接關系如下：

通過以上關系，可形成全面的航向自動舵陸基調試環(huán)境，可檢測出航向自動舵電路上存在的零位偏移、反饋反向、死區(qū)電壓設置不合適、放大電路振蕩、積分電路不工作、超調量過大、報警電路失靈等故障。

3.1.2 對航跡自動舵的檢測

航跡自動舵是指通過一定的控制算法給出控制信號，控制舵機適當的轉舵，進而使艦船按需要的航行計劃航行的裝置。其基本原理如下：

因此，在陸基條件下，除需要滿足航向自動舵的調試條件以外，還需位置的反饋信號，主要是指GPS信號和計程儀信號。這兩種信號均為數字信號，通過工控機的軟件可順利實現對其的模擬。

船舵模擬系統(tǒng)與航向自動舵的陸基連接關系如下：

通過以上關系，可形成全面的航跡自動舵陸基調試環(huán)境，除實現航向自動舵故障測試的功能以外，還可對航跡模塊的功能進行檢測。

3.2 效果評估

通過該船舵模擬系統(tǒng)，可全面檢測和評估航向、航跡自動舵的技術狀態(tài)。在自動舵維修中，經該系統(tǒng)調試后的設備裝船后，各項指標均滿足技術要求，避免了反復的海試和調整。與以往的液壓系統(tǒng)船舵模擬系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)省卻了復雜的機械裝置和液壓管路，可靈活移動，檢測項目全面，檢測結果可存儲、對比，且通過設置不同的應舵參數可模擬大、中、小等不同的船型。

4 結論

將基于仿真系統(tǒng)的船舵模擬系統(tǒng)應用到自動舵維修中，可極大提高維修的效率，減少維修所需的硬件投入，降低維修成本，具有較高的經濟效益。