第十章船舶舵機的電力拖動

1、第十章 船舶舵機的電力拖動與控制101101.舵機的電力拖動與控制的基本要求 102102.操舵方式及其基本工作原理 103103.自動舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律104104.自動舵系統(tǒng)基本工作原理學習第十章應該注意的點第十章學習應注意的幾個問題第十章學習應注意的幾個問題： 1.對船舶舵機有什么基本要求？對船舶舵機有什么基本要求？ 2.有幾種操舵方式？有幾種操舵方式？ 3.各種操舵方式有什么特點？各種操舵方式有什么特點？ 4.自動舵是怎樣工作的？自動舵是怎樣工作的？ 5.自動舵有幾種調(diào)節(jié)規(guī)律？各種調(diào)節(jié)規(guī)律分自動舵有幾種調(diào)節(jié)規(guī)律？各種調(diào)節(jié)規(guī)律分別起什么作用？別起什么作用？相對比較難的點相對比較難的

2、點： 1.各種操舵方式的工作原理；各種操舵方式的工作原理；2.自動舵各種調(diào)自動舵各種調(diào)節(jié)規(guī)律的特點。節(jié)規(guī)律的特點。101101.舵機的電力拖動與控制的基本要求電動電動 - 機械舵機：機械舵機：分為兩類：分為兩類：.電動電動 - 機械；機械；.電動電動 - 液壓。液壓。 l舵機裝置的分類：工作過程工作過程：電動機通過連軸節(jié)帶動電動機通過連軸節(jié)帶動蝸桿蝸輪轉(zhuǎn)動，并通過主動齒輪帶蝸桿蝸輪轉(zhuǎn)動，并通過主動齒輪帶動扇形齒輪，再經(jīng)過緩沖彈簧轉(zhuǎn)動動扇形齒輪，再經(jīng)過緩沖彈簧轉(zhuǎn)動舵柄（在扇形齒輪下面，通過彈簧舵柄（在扇形齒輪下面，通過彈簧推動），從而使舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)。推動），從而使舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)。 作用：蝸桿蝸

3、輪傳動作用：蝸桿蝸輪傳動 大變比減速，能夠鎖定舵柱和舵葉。大變比減速，能夠鎖定舵柱和舵葉。 緩沖彈簧緩沖彈簧減輕船舶在航行中波浪對舵葉的沖擊力，防止減輕船舶在航行中波浪對舵葉的沖擊力，防止傳動裝置受到損傷。傳動裝置受到損傷。 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成：一般采用：一般采用GM系統(tǒng)。系統(tǒng)。l對舵機裝置的要求：電動電動 - 液壓舵機：液壓舵機：系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成：恒速電動機拖動雙向變量油：恒速電動機拖動雙向變量油泵，提供雙向的高壓油驅(qū)動液壓油缸。泵，提供雙向的高壓油驅(qū)動液壓油缸。工作過程工作過程：當一油缸注入高壓油而另一當一油缸注入高壓油而另一油缸排出低壓油時，推動撞桿（活塞）油缸排出低壓油時，推動撞桿（活塞

4、）移動，從而帶動舵柄，舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)。移動，從而帶動舵柄，舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)。 基本要求基本要求三可靠：三可靠：1.供電；供電；2.電動機運行；電動機運行；3. 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)要可靠要可靠 。供電供電： 采用雙路供電采用雙路供電 ，兩路分離較遠的饋電線，一路經(jīng)應急配電板。，兩路分離較遠的饋電線，一路經(jīng)應急配電板。電動機電動機： 機械特性軟（抗沖擊），轉(zhuǎn)矩大（機械特性軟（抗沖擊），轉(zhuǎn)矩大（35-30 ，28秒），能秒），能承受承受1分鐘的堵轉(zhuǎn)。分鐘的堵轉(zhuǎn)。 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)： 至少兩個操作站（由轉(zhuǎn)換開關切換，防止同時操作），有三至少兩個操作站（由轉(zhuǎn)換開關切換，防止同時操作），有三種操舵方式（手動、

5、隨動、自動）。種操舵方式（手動、隨動、自動）。第一節(jié)要點第一節(jié)要點：舵機的分類、特點；基本要求。：舵機的分類、特點；基本要求。102102.操舵方式及其基本工作原理操舵方式：操舵方式：三種：三種：1.單動；單動；2.隨動；隨動；3. 自動。自動。l單動操舵工作原理：單動（香蕉柄）單動（香蕉柄）操舵就是應急操舵。操舵就是應急操舵。方法：手扳舵轉(zhuǎn)，復零舵停；左舵左方法：手扳舵轉(zhuǎn)，復零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。 l隨動操舵工作原理：隨動隨動操舵，又叫操舵，又叫“舵輪操舵舵輪操舵”。隨動隨動 舵葉隨著舵輪轉(zhuǎn)動舵葉隨著舵輪轉(zhuǎn)動 。方法方法：左偏航操右

6、舵，舵輪操右?guī)祝鹤笃讲儆叶?，舵輪操右?guī)锥?，舵葉右偏幾度（右偏也相似）。度，舵葉右偏幾度（右偏也相似）。 原理原理：是負反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。以舵：是負反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。以舵角和舵輪的偏差控制電動機。角和舵輪的偏差控制電動機。 操舵過程操舵過程：舵輪：舵輪向右轉(zhuǎn)過一個角向右轉(zhuǎn)過一個角度度，電位器電位器R R1 1的滑動點移動，的滑動點移動，電橋失去平衡，放大器輸入信號電橋失去平衡，放大器輸入信號00，發(fā)電機輸出電壓使電動機順，發(fā)電機輸出電壓使電動機順時針方向轉(zhuǎn)動，使舵葉向右偏轉(zhuǎn)。時針方向轉(zhuǎn)動，使舵葉向右偏轉(zhuǎn)。同時舵角反饋同步傳遞機構帶動同時舵角反饋同步傳遞機構帶動反饋電位器反饋電位器R R2 2的滑動點不

7、斷向的滑動點不斷向a點移動。當電橋重新處于新的平點移動。當電橋重新處于新的平衡狀態(tài)時，放大器輸入衡狀態(tài)時，放大器輸入=0=0，電動電動機停轉(zhuǎn)，舵葉處于右舵與舵輪轉(zhuǎn)機停轉(zhuǎn)，舵葉處于右舵與舵輪轉(zhuǎn)動相對應的角度上。動相對應的角度上?；囟孢^程回舵過程相似，只是放大器輸入變相似，只是放大器輸入變反，電動機反轉(zhuǎn)，舵葉回偏。反，電動機反轉(zhuǎn)，舵葉回偏。l自動操舵工作原理： 自動自動操舵，實際上是自動操舵，實際上是自動航向保持儀。航向保持儀。 組成原理：利用電羅經(jīng)檢組成原理：利用電羅經(jīng)檢測船舶實際航向測船舶實際航向 ，然后與，然后與給定航向給定航向K進行比較，其進行比較，其差值作為操舵裝置的輸入信差值作為操舵裝

8、置的輸入信號，使操舵裝置動作，改變號，使操舵裝置動作，改變偏舵角偏舵角。在舵角的作用下，。在舵角的作用下，船舶逐漸回到正航向上。船船舶逐漸回到正航向上。船舶回到正航向后，舵葉不再舶回到正航向后，舵葉不再偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)。 線路分析：最簡單的電動線路分析：最簡單的電動操舵線路的工作過程見操舵線路的工作過程見 。下圖下圖第二節(jié)要點第二節(jié)要點：操舵方式（種類、原理）；自動操舵儀的組成原理。：操舵方式（種類、原理）；自動操舵儀的組成原理。說明：說明：三種：三種：.比例舵；比例舵；.比例比例 - 微分舵；微分舵；.比例比例 - 微分微分 - 積分舵。不同基本類型的積分舵。不同基本類型的 自動舵，對舵葉的調(diào)節(jié)規(guī)

9、律是不同的。自動舵，對舵葉的調(diào)節(jié)規(guī)律是不同的。l基本類型：基本類型基本類型 ： 自動舵的基本類型自動舵的基本類型 是指按操舵的是指按操舵的規(guī)律分類的（也就是舵的偏轉(zhuǎn)規(guī)律）類型，規(guī)律分類的（也就是舵的偏轉(zhuǎn)規(guī)律）類型，而不是舵機裝置的類型。而不是舵機裝置的類型。自動舵方框圖：自動舵方框圖：103103.自動舵的基本類 型及其調(diào)節(jié)規(guī)律l調(diào)節(jié)規(guī)律：比例舵：比例舵：偏舵角偏舵角的大小與偏航角的大小與偏航角的大小成比例的大小成比例- 微分微分關系：關系： = -（K1+K2d/dt） K2為為微分微分系數(shù)。系數(shù)。比例比例 - 微分舵：微分舵：偏舵角偏舵角的大小與偏航角的大小與偏航角的大小成比例關系：的大小

10、成比例關系： = - K1 K1為比例系數(shù)，負號表示與偏航方向相反。為比例系數(shù)，負號表示與偏航方向相反。 特點：機構簡單，航行保持精度較差，船舶營運經(jīng)濟性較差（會特點：機構簡單，航行保持精度較差，船舶營運經(jīng)濟性較差（會出現(xiàn)出現(xiàn)S形航跡）。形航跡）。 偏航初期，偏航角的變化率較大，偏航初期，偏航角的變化率較大，比例比例 - 微分舵能夠及時地給微分舵能夠及時地給出大的偏舵較，有效地阻止船舶的偏航（最大偏航角較?。?；出大的偏舵較，有效地阻止船舶的偏航（最大偏航角較?。?；回航過回航過程中，偏航角的變化率變?yōu)樨撝?，能夠適時地給出反舵角，阻止船舶程中，偏航角的變化率變?yōu)樨撝?，能夠適時地給出反舵角，阻止船舶

11、反向偏航。反向偏航。 能有效阻止反向偏航。能有效阻止反向偏航。 主要特點：具有主要特點：具有“超前校正超前校正”的控制作用，減小船舶航向的振蕩，的控制作用，減小船舶航向的振蕩，減輕舵機負擔，增加航速，提高系統(tǒng)靈敏度和船舶的營運效益。減輕舵機負擔，增加航速，提高系統(tǒng)靈敏度和船舶的營運效益。比例舵的不足：偏航初期偏舵角較小，不能很快阻止船舶繼續(xù)偏航；比例舵的不足：偏航初期偏舵角較小，不能很快阻止船舶繼續(xù)偏航；回航過程中船舶具有慣性，偏舵角不能及時減小，容易反向偏航?；睾竭^程中船舶具有慣性，偏舵角不能及時減小，容易反向偏航。比例比例 - 微分微分 - 積分舵：積分舵：比例舵：可以克服偏航，但容易形成

12、比例舵：可以克服偏航，但容易形成S形航跡，航程較長。形航跡，航程較長。比例比例 - 微分舵：可以減小最大偏航角，克服回航時的反向偏航。微分舵：可以減小最大偏航角，克服回航時的反向偏航。 微分系數(shù)不能太大，否則容易造成不穩(wěn)定。微分系數(shù)不能太大，否則容易造成不穩(wěn)定。比例比例 - 微分微分 - 積分舵：能夠產(chǎn)生積分舵：能夠產(chǎn)生“自動壓舵自動壓舵”調(diào)節(jié)，克服不對稱偏航。調(diào)節(jié)，克服不對稱偏航。 組成：比例組成：比例 - 微分微分 - 積分舵是在比例積分舵是在比例 - 微分舵的基礎上增加積分微分舵的基礎上增加積分環(huán)節(jié)。積分環(huán)節(jié)的作用是克服不對稱偏航。環(huán)節(jié)。積分環(huán)節(jié)的作用是克服不對稱偏航。 K3是積分系數(shù)。

13、是積分系數(shù)。 不對稱偏航的產(chǎn)生：所謂不對稱偏航，就是某舷（側）的偏航角不對稱偏航的產(chǎn)生：所謂不對稱偏航，就是某舷（側）的偏航角持續(xù)的時間比另一舷（側）的偏航角持續(xù)的時間長。持續(xù)的時間比另一舷（側）的偏航角持續(xù)的時間長。 裝載不對稱，裝載不對稱，斜向風的持續(xù)影響，斜向海潮的持續(xù)影響。斜向風的持續(xù)影響，斜向海潮的持續(xù)影響。 對于具有雙螺旋槳推對于具有雙螺旋槳推進的船舶，螺旋槳推進的不平衡也會產(chǎn)生不對稱偏航。進的船舶，螺旋槳推進的不平衡也會產(chǎn)生不對稱偏航。 積分環(huán)節(jié)工作原理：積分環(huán)節(jié)可以對偏航持續(xù)時間進行累積，當積分環(huán)節(jié)工作原理：積分環(huán)節(jié)可以對偏航持續(xù)時間進行累積，當某舷（側）偏航持續(xù)的時間比另一舷

14、（側）持續(xù)時間長時，則環(huán)節(jié)輸某舷（側）偏航持續(xù)的時間比另一舷（側）持續(xù)時間長時，則環(huán)節(jié)輸出的信號（偏舵角）將繼續(xù)保持，這個信號將通過執(zhí)行機構使舵葉維出的信號（偏舵角）將繼續(xù)保持，這個信號將通過執(zhí)行機構使舵葉維持在一定的偏轉(zhuǎn)角度上，從而使船舶具有克服單向偏航的能力。持在一定的偏轉(zhuǎn)角度上，從而使船舶具有克服單向偏航的能力。操舵規(guī)律特點比較：操舵規(guī)律特點比較：第三節(jié)要點第三節(jié)要點：自動舵的基本類型；各種調(diào)節(jié)規(guī)律的性能、特點。：自動舵的基本類型；各種調(diào)節(jié)規(guī)律的性能、特點。 104104.自動舵系統(tǒng)基本工作原理lPID自動舵系統(tǒng)工作原理：PID自動舵概述：自動舵概述： 具有比例、微具有比例、微分和積分調(diào)

15、節(jié)作用分和積分調(diào)節(jié)作用的自動舵稱為的自動舵稱為PID自動舵。這種自動舵。這種PID舵實際上是航向保舵實際上是航向保持儀，不能實現(xiàn)航持儀，不能實現(xiàn)航跡的自動跟蹤。而跡的自動跟蹤。而且，在不同的海況且，在不同的海況下，比例、微分、下，比例、微分、積分等參數(shù)需要人積分等參數(shù)需要人為地進行調(diào)節(jié)，才為地進行調(diào)節(jié)，才能達到比較滿意的能達到比較滿意的調(diào)節(jié)效果。調(diào)節(jié)效果。PID自動舵原理：自動舵原理：電羅經(jīng)和自整角機將船舶的實際航向和給定航電羅經(jīng)和自整角機將船舶的實際航向和給定航向比較，得到偏航信號經(jīng)發(fā)訊器向比較，得到偏航信號經(jīng)發(fā)訊器2和相敏整流和相敏整流器整流后送到靈敏度調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過比例、微器整流后送到靈

16、敏度調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過比例、微分和積分環(huán)節(jié)（分和積分環(huán)節(jié)（5、6和和13）調(diào)節(jié)后，由放大器）調(diào)節(jié)后，由放大器8和功率放大器和功率放大器9進行放大，送給執(zhí)行機構進行放大，送給執(zhí)行機構10對對舵機進行調(diào)節(jié)控制。舵機進行調(diào)節(jié)控制。l自適應舵的基本概念和調(diào)節(jié)原理：定義：定義： 通過計算機將所有檢測信號進行處理，通過計算機將所有檢測信號進行處理，分類：分類： 可分為兩類：自校正控制系統(tǒng)和模型參考自適應控制系統(tǒng)?？煞譃閮深悾鹤孕Ｕ刂葡到y(tǒng)和模型參考自適應控制系統(tǒng)。自校正控制系統(tǒng)：自校正控制系統(tǒng)：自動校正系統(tǒng)的控制參數(shù)，使性能指標接近最優(yōu)。自動校正系統(tǒng)的控制參數(shù)，使性能指標接近最優(yōu)。模型參考控制系統(tǒng)：模型參考控

17、制系統(tǒng)：設計一個理想（最優(yōu)）的參考模型，計算機根據(jù)設計一個理想（最優(yōu)）的參考模型，計算機根據(jù)實際檢測，實現(xiàn)接近該理想模型的控制規(guī)律。實際檢測，實現(xiàn)接近該理想模型的控制規(guī)律。說明：說明：自適應舵的具體工自適應舵的具體工作原理分析需要較作原理分析需要較深的基礎知識。因深的基礎知識。因此，本節(jié)只要求了此，本節(jié)只要求了解基本概念即可。解基本概念即可。第四節(jié)要點第四節(jié)要點：自適應舵的概念和類型。：自適應舵的概念和類型。 使舵機按照給定使舵機按照給定航線航線進行操舵的自動舵稱為自適應舵。自適應舵可以進行操舵的自動舵稱為自適應舵。自適應舵可以自動對航線進行判別，可以自動修正內(nèi)部參數(shù)（例如比例系數(shù)等）以自動對航線進行判別，可以自動修正內(nèi)部參數(shù)（例如比例系數(shù)等）以適應船舶的各種狀態(tài)或海況。適應船舶的各種狀態(tài)或海況。第十章 各節(jié)要點第一節(jié)第一節(jié)：舵機的分類、特點；基本要求舵機的分類、特點；基本要求。 第二節(jié)第二節(jié)：操舵方式（種類、原理）；自動操舵儀操舵方式（種類、原理）；自動操舵儀的組成原理的組成原理。 第三節(jié)第三節(jié)：自動舵基本類型；各種調(diào)節(jié)規(guī)律的性能、自動舵基本類型；各種調(diào)節(jié)規(guī)律的性能、特點特點。第四節(jié)第四節(jié)