鐘浩權(quán) 陳亞金 陳婷婷 蔡小媚

摘? ? 要：以我司在建產(chǎn)品某火車滾裝船為依托，研究分析不同廠商對(duì)舵槳控制系統(tǒng)的不同設(shè)計(jì)理念，從而進(jìn)一步了解舵槳控制系統(tǒng)的組成、原理及設(shè)計(jì)思路，為后期類似產(chǎn)品船的開發(fā)設(shè)計(jì)和設(shè)備訂貨提供相關(guān)參考。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)舵;隨動(dòng);非隨動(dòng);同步;異步

中圖分類號(hào)：U664.82 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

滾裝船作為60年代開始發(fā)展起來的一種運(yùn)輸船型，由于其具有裝卸速度快、費(fèi)用低、對(duì)碼頭要求不高、實(shí)現(xiàn)門對(duì)門服務(wù)等特點(diǎn)，在船舶市場(chǎng)上的需求快速地增長(zhǎng)。同時(shí)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和各種先進(jìn)儀器的使用，船舶智能化控制程度也在不斷的提升。如何最大化地發(fā)揮船舶的經(jīng)濟(jì)性、操縱性以及安全性，成為船東在設(shè)計(jì)建造過程中的重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)，通過對(duì)舵槳控制系統(tǒng)的詳細(xì)研究，對(duì)這些指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著重大的意義。

2? ? 船舶舵槳控制系統(tǒng)的分類

船舶舵槳是保證船舶安全航行并具有良好操縱性的重要設(shè)備之一。其控制系統(tǒng)從操舵方式來分，可分為自動(dòng)控制及手動(dòng)控制兩種模式。

（1）自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)主要是通過自動(dòng)操舵裝置進(jìn)行，即通常所說的自動(dòng)舵系統(tǒng)。它能夠自動(dòng)糾正船舶的航向偏離，使船舶在較長(zhǎng)時(shí)間保持在預(yù)先規(guī)劃好航線方向上的一種操舵裝置[2]，其主要結(jié)構(gòu)框架見圖1。

自動(dòng)控制的主要原理是：當(dāng)船首受到風(fēng)浪、海流等外界因素作用而偏離原航向一定角度時(shí)，系統(tǒng)通過采集船舶的首向、航速、風(fēng)向等信息在軟件中進(jìn)行分析計(jì)算，并作出相應(yīng)的修正動(dòng)作指令發(fā)送到舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行舵角調(diào)整，船首在舵力作用下逐漸返回預(yù)定航向，是一種不需要人為干預(yù)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)舵槳控制的過程。

（2）手動(dòng)控制系統(tǒng)

手動(dòng)控制模式下，船舶只能通過駕駛員人為判斷船舶所需首向而進(jìn)行的一種首向修正操舵。手動(dòng)操舵模式根據(jù)其控制原理，又分為隨動(dòng)與非隨動(dòng)兩種控制方式：

隨動(dòng)控制（稱FU）是船舶操舵控制系統(tǒng)中最為普遍的一種形式，其控制功能邏輯見圖2。當(dāng)舵手通過操舵手輪轉(zhuǎn)到所需舵角時(shí)，舵角信號(hào)經(jīng)過放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)等對(duì)舵葉按照所需舵角方向進(jìn)行調(diào)整，并在調(diào)整過程中測(cè)量機(jī)構(gòu)對(duì)舵角變量進(jìn)行不斷監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)反饋到比較機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)根據(jù)反饋信號(hào)與控制信號(hào)之間的對(duì)比繼續(xù)調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)舵葉，使得實(shí)際調(diào)整的舵角準(zhǔn)確地操作手輪指令角度一致。概括來說，就是帶舵角信號(hào)反饋的一種控制，系統(tǒng)通過對(duì)反饋回來的舵角信號(hào)進(jìn)行處理，使得舵葉位置嚴(yán)格跟隨著操舵手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而動(dòng)的一種閉環(huán)操舵控制，在此種控制模式下，舵的實(shí)際位置與操縱臺(tái)處所顯示的舵角指針位置間的偏差不得超過±1°。

非隨動(dòng)控制（簡(jiǎn)稱NFU）就是常說的直接控制或應(yīng)急操舵控制。一定意義上來說，就是不帶任何舵角信號(hào)反饋的控制。

3? ? 船舶概況

我司承建的兩艘火車滾裝船項(xiàng)目作為美國(guó)與墨西哥港口之間往返的特定航線定制船，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

總長(zhǎng)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 180.00 m

型寬? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?36.60/38.60 m

主甲板高度? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 10. 0 m

設(shè)計(jì)吃水? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?6.70 m

結(jié)構(gòu)吃水? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?7.00 m

載重噸? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?18 950 DWT（設(shè)計(jì)吃水）

20 720 DWT（結(jié)構(gòu)吃水）

設(shè)計(jì)航速? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?約14 kn

航區(qū)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?無限航區(qū)

入級(jí)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ABS船級(jí)社。

該船主要配置如下：配備兩臺(tái)小缸徑低速機(jī)，通過兩套軸系直接驅(qū)動(dòng)可調(diào)螺距槳;加裝了全球首制的ECO-EGR廢氣再循環(huán)處理系統(tǒng);在船舶航行控制系統(tǒng)方面，推進(jìn)遙控集成了定轉(zhuǎn)速、定螺距及聯(lián)動(dòng)三種模式;舵槳操作中配備了雙舵同步/異步控制系統(tǒng)，在駕駛室及橋樓兩翼操作位均能通過同步/異步模式選擇開關(guān)，實(shí)現(xiàn)雙舵獨(dú)立異步控制及同步控制兩種功能的切換，使得船舶操縱更加靈活、穩(wěn)定地適應(yīng)各種工況下的操作需求。

4? ? 雙舵槳控制系統(tǒng)

4.1? ?系統(tǒng)的組成

自動(dòng)舵系統(tǒng)框架示意圖，如圖3所示。結(jié)合ABS船級(jí)社規(guī)范4-3-4/13.5及規(guī)格書對(duì)自動(dòng)舵系統(tǒng)的控制要求，本項(xiàng)目自動(dòng)舵系統(tǒng)在駕駛室、左右翼控制臺(tái)中的主要配置見表1。

4.2? 系統(tǒng)的功能

如圖3所示，駕駛室作為船舶航行過程中的主要操作位，其配置復(fù)雜，集成了自動(dòng)舵系統(tǒng)中的自動(dòng)操舵功能、手動(dòng)隨動(dòng)操舵、手動(dòng)非隨動(dòng)操舵三種功能，其中手動(dòng)操舵功能中又分為雙舵的同步控制及異步控制兩種功能。

當(dāng)進(jìn)入自動(dòng)操舵功能模式時(shí)，在駕駛員預(yù)設(shè)好航向后，則由自動(dòng)舵系統(tǒng)自動(dòng)操作;當(dāng)進(jìn)入手動(dòng)隨動(dòng)操舵時(shí)，通過FU選擇面板將控制選擇到同步模式工況，船舶首向則由隨動(dòng)同步大手輪進(jìn)行調(diào)整控制;當(dāng)選擇到異步模式工況時(shí)，可以通過左右舵槳的FU分別單獨(dú)控制對(duì)應(yīng)的舵槳;手動(dòng)非隨動(dòng)操舵功能作為一種應(yīng)急操舵功能，通常在船舶應(yīng)急狀態(tài)下使用，通過越控單元將操舵權(quán)限從自動(dòng)舵中切換到NFU操作舵葉轉(zhuǎn)向，且通過NFU同步/異步選擇開關(guān)可實(shí)現(xiàn)兩舵槳的單獨(dú)或同步控制。

當(dāng)船舶操縱權(quán)限從駕駛室轉(zhuǎn)至橋樓甲板左右翼臺(tái)操作時(shí)，在同步/異步選擇開關(guān)進(jìn)行模式選擇后，左右翼操作位同樣具備NFU對(duì)舵槳實(shí)現(xiàn)單獨(dú)或同步控制。

4.3? ?系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

本項(xiàng)目雙機(jī)雙槳控制系統(tǒng)區(qū)別于以往船舶的主要技術(shù)關(guān)鍵，在于左右翼臺(tái)雙槳的NFU。根據(jù)項(xiàng)目規(guī)格書要求，左右翼臺(tái)應(yīng)配置NFU并具備雙槳的同步/異步功能，然而不同設(shè)備廠商對(duì)雙槳同步功能的實(shí)現(xiàn)有不同的設(shè)計(jì)理念，其差異主要存在于當(dāng)進(jìn)入NFU模式前，如果兩舵槳的初始角度不一致時(shí)，NFU將存在以下兩種實(shí)現(xiàn)理念：

（1）NFU是應(yīng)急操舵的一種方式，其操作執(zhí)行應(yīng)優(yōu)先響應(yīng)至所需舵槳轉(zhuǎn)向，其實(shí)現(xiàn)邏輯見圖4。即NFU發(fā)出轉(zhuǎn)舵指令時(shí)，兩個(gè)舵槳立即以保持原始相差角度進(jìn)行轉(zhuǎn)舵響應(yīng)，在轉(zhuǎn)舵過程中兩舵槳相對(duì)中線角度始終是保持不一致的角度，此種同步的實(shí)現(xiàn)過程僅僅是兩舵葉轉(zhuǎn)舵的角速度同步，雖然是快速響應(yīng)了船舶所需轉(zhuǎn)向，但由于雙槳的舵角不一致，螺旋槳推動(dòng)的水流方向也不一致，導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)受力不均而引起振動(dòng);

（2）為避免由于舵槳角度不一致引起的船舶振動(dòng)而帶來的船體應(yīng)力集中問題，在NFU同步操舵時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)先判斷兩舵槳的起始舵角是否一致，如不一致則優(yōu)先將兩舵槳舵角往一個(gè)角度靠攏調(diào)整到相同角度后再往所需舵槳方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖5所示。換言之，此種同步的實(shí)現(xiàn)過程是為保證轉(zhuǎn)舵過程中兩舵槳時(shí)刻相對(duì)船舶中線具有相同的角度，保證兩舵葉的平行。但是由于此種設(shè)計(jì)在調(diào)整兩舵角起始角度一致時(shí)需要一定的時(shí)間，相比于理念（1）的設(shè)計(jì)，其船舶操縱性能響應(yīng)性較差。

通過上述兩種同步轉(zhuǎn)舵實(shí)現(xiàn)過程的比較可知，兩種理念對(duì)于廠家所配置的模塊及功能實(shí)現(xiàn)卻有天壤之別，投入的成本也大不相同。由于NFU指令是不經(jīng)過轉(zhuǎn)舵控制單元處理，而直接將信號(hào)控制轉(zhuǎn)舵電磁閥進(jìn)行轉(zhuǎn)舵動(dòng)作;對(duì)于理念（2）設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其設(shè)備配置需額外增加一套單獨(dú)轉(zhuǎn)舵處理模塊，以實(shí)現(xiàn)調(diào)整兩舵槳至一致的起始角度后再同步轉(zhuǎn)舵，控制系統(tǒng)更為復(fù)雜，費(fèi)用也要高很多。由于前期產(chǎn)品開發(fā)階段與船東未就此技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的澄清，建造合同生效后，在設(shè)備訂貨過程中為準(zhǔn)確配置并滿足規(guī)格書中的功能要求，經(jīng)過與設(shè)計(jì)院、設(shè)備廠商及船東多次進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)細(xì)節(jié)溝通，最終選擇了理念（1）進(jìn)行配置。值得強(qiáng)調(diào)的是，雖然避免了理念（2）設(shè)計(jì)的配置，但其中對(duì)于船廠在建造中設(shè)備成本投入的風(fēng)險(xiǎn)來說是相當(dāng)大的，因?yàn)榍捌谠O(shè)備經(jīng)營(yíng)詢價(jià)時(shí)，設(shè)備商都是以最基本的配置進(jìn)行預(yù)報(bào)價(jià)，如船東選擇理念（2）的設(shè)計(jì)，則訂貨成本會(huì)大大超過產(chǎn)品船的開發(fā)成本。

5? ? 結(jié)束語

隨著近年來航運(yùn)市場(chǎng)的低迷，高效率、高質(zhì)量、低成本等理念，已成為船廠在承接船舶訂單競(jìng)爭(zhēng)中得以生存的重要方針之一。本文針對(duì)該船雙舵槳控制系統(tǒng)的研究只是控制成本的措施之一，旨在為船廠往后相關(guān)產(chǎn)品船型開發(fā)時(shí)進(jìn)行引導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品承接時(shí)應(yīng)著重考慮類似技術(shù)細(xì)節(jié)與船東的澄清，以確保經(jīng)營(yíng)詢價(jià)的準(zhǔn)確性，降低后期訂貨超目標(biāo)成本的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳睿童，龔俊毅.船舶自動(dòng)舵控制技術(shù)的發(fā)展分析[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新. 2019（22）.

[2]鄒明文.簡(jiǎn)述船舶操縱自動(dòng)舵原理[J].科技天地.2011（8）.

[3]程啟明，劉其明，王志宏，孫干超.船舶自動(dòng)舵控制技術(shù)的發(fā)展研究[J]，計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制. 2000.8（6）.

[4]黃繼起.自適應(yīng)控制理論及其在船舶系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社.1992， 4（1）.

[5]李圓明.船舶航跡舵控制技術(shù)研究與設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2014.

[6] ABS， Rules For Conditions Of Classification 2018.

[7]徐國(guó)平，張顯庫. 船舶自動(dòng)舵研究綜述[J].中國(guó)造船. 2013，54（2）.