主题：【原创】我所知道的舵、操舵和自动舵 -- 代码ABC

首先说明一下，我不是航海人士，平时工作和船舶没什么关系。只不过从父辈的交谈中了解了一点船上的知识。以下内容是这点零碎的知识加上一些想象、一些常识和一些资料拼凑而成。做一板砖的干活。

一切的开始是我随手在某贴回了一下说现代的船舶都很好驾驶因为有自动舵，不过回头想想这句话大有问题。操舵很简单吗——即使是有自动舵的情况下？

舵是什么我想大家都没什么需要科普的，它就是一个控制舰船在水中航向的装置。不过很多人不知道的是，在设计舵和设计飞机的机翼是相通的。甚至里面的术语如迎角、失速等都是一样的。实际上舵就是一个竖放在水里面的机翼，舵力就是水流赋予这块机翼的升力。所以舵设计里面的积分符号可以把任何四则运算都不利索的人绕晕。不过正是这些天书般的符号让我们在短短几十年超越了人类几千年积累的经验。舵也从一块简单的木板发展成现在各种看上去像木板，但是包含多种奇思妙想的不同“木板”。同时人们也在琢磨着怎么让站在舵轮后的舵手歇下来，让不知疲倦的机器代替——造一台机器比培养一个好舵手要简单多了。

大海航行靠舵手，当我们喊出这句话的时候，我们把制定航行计划、设定航向、测量船位的工作都放在这个舵手身上。自然站在舵轮后操舵的舵手变得非常重要。在只有一个船老大的小船上的确如此，然而在分工细致部门齐全的大型舰船上，只管操舵的水手倒不是那么重要。毕竟前面那些有趣的工作都是由高级军官负责，舵手只负责讲舰船保持在领航员设定的航向上这个沉闷的工作。所以前美军五星上将尼米兹特别讨厌一个军官只会操舵，他认为操舵不过是一个少尉的工作。而在驱逐舰上舵手甚至只是一个连军士都不是的水兵而已。

然而，一个经验丰富的舵手确实很重要。在智能自动操舵系统完善之前，操舵一直是一门经验的艺术。在海上跑的舰船会受到风、浪、流的影响。时刻在玩着陆上汽车望尘莫及的3D多自由度漂移。也就是即使我们把舵卡在零点，航向还是会慢慢地偏离。因此需要在适当的时机使用舵进行修正。这个修正的时机和力度就十分考验舵手的经验，以及对当前船舶的掌握程度。由于舰船对舵的反应没有汽车或飞机那么快，没经验的舵手就容易矫枉过正，到时候还要再反过来再做调整，这样将会表现为频繁操舵。一来增加了船舶航行的阻力，二来反复调整也增加了船舶的摇摆，令人不快，如果碰巧和浪合拍了那就热闹了。而一个好的舵手可以减少这种摇摆，反而利用舵力降低风浪的影响，让船舶在恶劣天气下跑的更平稳、更快。这种舵手需要时间培养和悟性，不过纠正舰船航向偏差这个任务相对简单，因此人们在上世纪二十年代开始用机械方式自动调整航向偏差，这就是第一代的自动舵。

第一代的自动舵使用机械方式将航向偏差量转换成舵机的操作，在少数船舶上使用过。不过这些自动舵并不理想。很快在控制理论和电子技术的帮助下人们发展了第二代自动舵。和第一代机械式自动舵不同，偏航误差信号不是直接控制舵机，而是通过电子设备进行运算后再驱动舵机动作。而且运算中的几个参数是可以调整的。最早的控制比较简单，就是使用偏航信号乘以一个系数作为舵角控制舵机。由于舵角和误差为固定比例，所以这种自动控制的方式成为比例控制（P）。应用在低速稳定的船舶上没什么问题——实际上这类型的船本身也很好控制。但在高速或不稳定的舰船上就比较悲剧，容易引起震荡，表现就是蛇形运动——前段时间棒子的新快艇就是一个例子（当然了，他们肯定不是用这种落后的控制方式）。对付这种高速不稳定的舰船我们需要在控制公式中一个变化趋势的项，所谓变化趋势在高等数学中描述就是偏差的微分（导数），因此这种控制进化为比例——微分控制（PD）。事情没完由于船还受风的影响，这时我们还需要让舵抵消这些影响的累积效果，累计效果在数学中就是积分。于是我们再次和会绕晕人的积分符号见面，控制方式进化到大名鼎鼎的PID控制方式（比例——微分——积分）。另外，引入积分项后会导致控制系统对低频信号相应迟钝，表现为船舶控制系统反应迟钝，偏差纠正慢。因此再加入一个高速修正项（偏差的二阶导数）。到此为止根据现代控制理论建立的自动舵系统基本完成。剩下的事情就是对这几个项的系数的调整了。

我所知道的舵、操舵和自动舵(二）

我所知道的舵、操舵和自动舵(三）

土鳖抗一下.....