1.自动舵的基本类型

船舶应用的自动舵类型众多，究其调节规律，有三种基本类型：以船舶偏航角的大小和方向进行调节的比例舵，以船舶偏航角和偏航角速度的大小和方向调节的比例—微分舵和以船舶偏航角、偏航角速度及偏航角积分的大小和方向来调节的比例—微分—积分舵。

2.自动舵的调节规律

（1）比例舵。比例舵调节中偏舵角β与偏航角φ成比例关系变化，即

图7-13　φ与β随时间变化的曲线　

式中，K 1为比例系数；负号“-”表示偏舵的方向是消除偏航。

图7-13画出了φ与β随时间变化的对应曲线关系，图中φ和β分别用正弦波来表示。

从图7-13的曲线对应关系可看出，航向发生φ偏航，操舵仪就操纵舵机使舵叶偏转β=-K 1φ角度。参数K 1可以根据船舶载重量，天气状况进行调整。一般调整范围在0.5～4。船舶因风浪等影响引起偏航时，采用比例舵操舵有纠正偏航的能力。但是它使船舶周而复始地围绕正航向左右摇摆，船舶的航迹呈“S”形振荡，衰减很慢。

（2）比例—微分舵。按比例操舵的偏舵角仅考虑了偏航角的大小，没有考虑偏航角速度。其实，偏航速度高时，应当加大偏舵角，以有效地抑制船舶继续偏航；另外，该船舶回到正航向后，虽然偏航角等于零，但由于惯性，船舶仍然有一个偏航角速度，使船舶又继续朝另一侧偏航。因此比例操舵会造成船舶沿航向作S形航行。比例—微分舵就是为解决这个问题而产生的。它的调节规律符合关系式式

中，K 2为微分系数；为偏航角速度，亦即偏航变化率。

图7-14画出了比例—微分舵角随时间变化的曲线。从曲线可以看出，它与只有比例舵的操舵系统相比较，舵角关系在时间上超前了。当船舶受到风浪的影响发生偏航时，由于偏航速度大，产生-K 2 dφ／d t也大，使开始偏航的一段时间产生的舵角增大了；在船舶回航的时候，由于dφ／d t变号，所以又增加了回舵，使舵角提早减小，这样对船舶产生了一个很好的制动作用。当舵还未回到正航向之前，由于-K 2 dφ／d t的作用，舵角已提前变号，在船舶回到正航向时，它已产生了足够大小的反舵角，这对于克服由于船舶惯性向另一侧摆动很有好处，能够使航向偏摆迅速减小，使船舶比较快地稳定在正航向上。这类自动舵在调节规律中增加了航向变化率的因素，加快了船舶的给舵速度，能更好地克服船舶的回转惯性，提高了维持航向的精度。

但是如果比例系数K 1与微分系数K 2选择不当，也将影响航行质量。例如，当载荷增加而船速减慢时，相对于K 1把K 2的值调得过小，则比例舵的效果就比微分舵的效果大，所以船舶以正航向为中心，左右摇摆，逐渐衰减，最后停止在正船向上，如图7-15（a）所示。反过来，相对K 1把K 2调得过大，则微分舵的效果更明显，因而航向不发生摇摆，航迹呈现过阻尼现象，船舶长时间不能恢复正航向。如图7-15（b）所示。在不同的航行工况下，如何适当选择K 1和K 2数值，需通过实践，常常是靠经验来调整K 1和K 2。

（3）比例—微分—积分舵。由于潮流、波浪、风向、推进器特性、船舶装载的非对称性等原因，使航行中的船舶朝一侧持续小偏航。假设船以速度V航(www.daowen.com)

图7-14　比例微分舵角及其合成曲线

图7-15　比例—微分舵对偏航角的影响　

图7-16　偏航时的积分作用

行，平均偏离正航向的角度为Δφ，而这一偏航角在不灵敏区内，换言之，在此偏航角下，自动操舵系统不会投入工作。经过时间t后，船舱位置离开了给定正航向的距离约为ΔS=Δφvt。尽管平均偏航角Δφ很小，但累积时间久了船舶偏航会十分明显。为此以提高航向调节的精度，减少、甚至消除静态误差，在比例—微分舵的基础上，设置积分调节，亦即比例—微分—积分舵。它满足下面的关系式。

式中，K 3为积分系数；∫φd t为偏航积分。

偏航积分调节主要用以校正操舵系统死区以内的小偏航角引起的平均航向偏离。

如果由于某种原因引起船舶的瞬时偏航，后来立即消失，因为作用时间短，不影响整个航向，所以对其平均航向没有偏移，无需发出校正动舵信号，如图7-16（a）所示。

有时候在船舶给定的航向两侧均匀摇摆，经过比较长的时间后，其平均航向仍在正航向上，因此也无需使舵动作，如图7-16（b）所示。

只有当船舶在偏航死区内左右摇摆不均匀，平均航向如图7-16（c）所示偏离正航向一侧，且又持续了很长一段时间，于是偏航积分环节发出信号，予以校正。

图7-16（d）所示为平均航向发生偏移，积分校正器工作后，船舶返回正航向的情况。

“比例—微分—积分”调节系统是比较完善的自动舵，但系统构造较复杂。有的自动舵以“压舵”环节了替代上述的积分环节，从而使控制系统得到简化，所谓“压舵”，指的是船舶航行受到持续的单侧横向力的干扰（如风浪、推进器、船舶装载不对称等），使船舶形成向某一侧的小偏航。估计这种情况可能发生，则在自动舵放大环节的输入端加入某一极性的固定信号，这样产生一个相应的固定偏舵角，对船舶形成一个固定的转船力矩，用以平衡单侧横向干扰力。这一固定大小的舵角称之为压舵角。