船舶舵機(jī)的電力拖動與控制1323

1、第10章 船舶舵機(jī)的電力拖動與控制,教學(xué)目的：掌握舵機(jī)電力拖動的特點(diǎn)；操舵方式及原理、性能；自動舵的類型及特點(diǎn)。 教學(xué)重點(diǎn)：各種操舵的性能，自動舵的特點(diǎn)。 教學(xué)難點(diǎn)：各種操舵的原理。 10-1 舵機(jī)電力拖動與控制的基本要求 10-2 操舵方式及基本工作原理 10-3 自動舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律 10-4 自動操舵系統(tǒng)基本要求和工作原理,概 述,舵是船舶的一種十分重要和不可缺少的專用舾裝設(shè)備。如果船沒有舵或舵失靈，在大海里任憑風(fēng)浪擺布。無主動航向的船不僅不能保證航行的安全，而且是不能到達(dá)目的港的。 舵是駕駛?cè)藛T用來保持或改變船舶在水中運(yùn)動方向的專用設(shè)備。 船舵功能： 保持船舶預(yù)定航向的能力，稱

2、為航向穩(wěn)定性； 改變船舶運(yùn)動方向的能力，稱回轉(zhuǎn)性。 通常把二者統(tǒng)稱為船舶的操縱性。,10-1 舵機(jī)電力拖動與控制的基本要求,1. 舵機(jī)裝置 舵機(jī)裝置由操舵裝置、舵機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)和舵葉四部分組成。 1）電動機(jī)械舵機(jī)裝置（小船） 電動機(jī)通過齒輪轉(zhuǎn)動帶動舵葉 2）電動液壓舵機(jī)裝置（遠(yuǎn)洋船） 電動機(jī)（普通長期工作制）通過液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)動帶動舵葉。,2）舵機(jī)電力拖動控制的基本要求,（1）工作可靠 供電：分左、右舷兩路饋電線供電，其中之一應(yīng)該與應(yīng)急配電板相連。 拖動：要求舵機(jī)的驅(qū)動電動機(jī)采用連續(xù)工作制，特性軟，過載能力強(qiáng)，能堵轉(zhuǎn)1min以上。 操舵：最快航速前進(jìn)時，能滿足最大舵角的要求，且有足夠的轉(zhuǎn)舵速度（從一

3、舷最大舵角轉(zhuǎn)至另一舷最大舵角的時間不超過30秒）。 （2） 生命力強(qiáng) 至少有兩個控制站（駕駛室和舵機(jī)房），控制站之間裝有轉(zhuǎn)換開關(guān)（防止同時操作），現(xiàn)場控制站具有操作優(yōu)先級。故障時可進(jìn)行人力操舵。 舵機(jī)操縱系統(tǒng)應(yīng)裝有自動操縱系統(tǒng)、隨動操縱系統(tǒng)和應(yīng)急操縱系統(tǒng)三種操縱裝置。,2）舵機(jī)電力拖動控制的基本要求,（3）操作靈便 要求在任何舵角下均能投入工作，并及時準(zhǔn)確地把舵轉(zhuǎn)至給定舵角，具有舵角指示?？蓪崿F(xiàn)自動、隨動和單動三種操舵方式，能方便地選擇切換。 （4）舵葉偏轉(zhuǎn)限位保護(hù)和失壓報警裝置 當(dāng)舵葉轉(zhuǎn)至極限位置時，舵機(jī)自動停止轉(zhuǎn)舵； 當(dāng)舵機(jī)總電源斷電時，失壓報警； 舵機(jī)電機(jī)只有過載報警而無過載保護(hù)裝置；

4、當(dāng)采用自動操舵裝置時，應(yīng)設(shè)有航向超過允許偏差的偏航自動報警裝置。,10-2 操舵方式及基本工作原理,操舵方式一般有三種：,單動操舵（應(yīng)急操舵）,自動操舵,隨動操舵,航向控制 航跡（航線）控制,在自動操舵和隨動操舵失效情況下應(yīng)用,船舶進(jìn)出港等備車航行時應(yīng)用,船舶定速航行時應(yīng)用,單動舵原理圖,1.單動操舵工作原理,單動操舵是在自動操舵和隨動操舵都不能使用的應(yīng)急情況下提供的一種操舵方式。這種操舵方式僅適用于內(nèi)河小型船舶和作為海船的應(yīng)急操舵方式。 G-M系統(tǒng)電動舵機(jī)的單動操舵原理（圖a） G差復(fù)勵直流發(fā)電機(jī)， M執(zhí)行電動機(jī)， J發(fā)電機(jī)G的勵磁機(jī)，控制勵磁機(jī)的勵磁，即可控制舵葉的偏轉(zhuǎn)。 K1和K2為操舵

5、手柄或按鈕控制的觸點(diǎn),ZD1和ZD2為舵機(jī)限位開關(guān)。,8,G-M系統(tǒng)電動舵機(jī)的單動操舵原理,當(dāng)船舶向左偏離航向時，可將操舵手柄右扳，使K1閉合，勵磁機(jī)J得到某一極性的勵磁，G將發(fā)出某一極性電壓，執(zhí)行電動機(jī)M向某一方向轉(zhuǎn)動，舵葉向右偏轉(zhuǎn)。,通過舵角指示器觀察舵角大小。當(dāng)接近所要求的的右偏舵角時，松開手柄，觸點(diǎn)K1斷開，電機(jī)M停轉(zhuǎn)。,單動操舵特點(diǎn)： 手扳舵轉(zhuǎn)，手放舵停； 左舵左扳，回舵右扳； 右舵右扳，回舵左板。,G-M系統(tǒng)電動舵機(jī)的單動操舵原理,系統(tǒng)特點(diǎn)： 手扳舵轉(zhuǎn)，復(fù)零舵停 點(diǎn)動控制 人看分羅經(jīng)compass和舵角指示器操舵。,2.隨動操舵的工作原理,隨動操舵是按偏差原則進(jìn)行調(diào)節(jié)的操舵自動跟蹤

6、系統(tǒng)，被調(diào)對象是舵，被調(diào)節(jié)量是舵角。它具有使舵葉角度與操舵手輪位置自動同步的特點(diǎn)。 圖103是一種電橋平衡式隨動操舵原理圖。,隨動操舵原理圖（電橋式）,2.隨動操舵的工作原理,隨動操舵的基本工作原理框圖如圖所示。它是一個閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)，以實現(xiàn)舵角的自動追隨。 圖中的比較環(huán)節(jié)種類很多，如電橋式、電阻式、運(yùn)算放大器等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)也因舵機(jī)形式而異。,3.自動操舵的工作原理,自動操舵的基本工作原理如圖所示。M為執(zhí)行電動機(jī)；操舵開關(guān)為兩半圓環(huán)2和3，它們被一絕緣塊4分離。兩半圓環(huán)與舵角反饋裝置機(jī)械相連，滾動觸頭（滾輪）1與航向接收器機(jī)械相連。航向接收器與陀螺羅經(jīng)發(fā)訊器是同步傳遞的。,3.自動操舵的工作原理,

7、當(dāng)船舶偏離預(yù)定航向時，通過陀螺羅經(jīng)發(fā)訊器使航向接收器也轉(zhuǎn)動同一角度，滾輪1與左或右半圓銅環(huán)接觸，使接觸器J1（或J2）動作，電動機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，拖動舵葉偏轉(zhuǎn)，由于采用舵角反饋，故當(dāng)舵葉偏轉(zhuǎn)時，半圓環(huán)也朝滾輪滾動方向進(jìn)行跟蹤，在船舶偏離航向最大角時，半圓環(huán)追上滾輪，使?jié)L輪處在絕緣塊上，接觸器斷電，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，因而最大偏舵角發(fā)生在船舶偏航角最大的時候。,船舶在舵的作用下回航時，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。舵葉向首尾線方向回轉(zhuǎn)，半圓環(huán)又開始向滾輪運(yùn)動方向跟蹤。當(dāng)船舶回到預(yù)定航向時，半圓環(huán)追上滾輪，使?jié)L輪處在絕緣塊上，電動機(jī)停轉(zhuǎn)。,自動舵校正航向的工作過程,偏航角 偏舵角,羅經(jīng),舵機(jī),：船舶沿正航向K航行，滾輪1恰好與

8、絕緣塊4接觸，電動機(jī)不轉(zhuǎn)動，舵葉在艏艉線上，艏艉線與正航向重合， =0，=0,偏航,轉(zhuǎn)舵,：船右偏滾輪左偏J1有電舵左轉(zhuǎn)導(dǎo)電環(huán)左轉(zhuǎn)很小(轉(zhuǎn)船力矩小)，偏航，同時舵角,最大舵角,：使(=max)，船停止偏轉(zhuǎn)(d/ dt = 0)。導(dǎo)電環(huán)追上滾輪，使絕緣塊與滾輪接觸，電動機(jī)停，舵葉停轉(zhuǎn)=max。,回轉(zhuǎn),：在左舵的作用下，船開始回轉(zhuǎn)（），使?jié)L輪右轉(zhuǎn)，與導(dǎo)電環(huán)接3觸，使J2有電，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，回舵（）。導(dǎo)電環(huán)右轉(zhuǎn)追隨滾輪運(yùn)動。,：船舶回到給定航向K，=0，=0。,回航,船舶的航跡曲線,反饋機(jī)構(gòu)：航向接受器和舵角反饋機(jī)構(gòu)。,電羅經(jīng)是檢測元件，也是比較環(huán)節(jié)。,比較(元件)：由兩個導(dǎo)電半圓環(huán)和滾輪所構(gòu)成。,放

9、大器：直流發(fā)電機(jī),執(zhí)行機(jī)構(gòu)：他勵直流電動機(jī)M。,自動操舵系統(tǒng)原理框圖,小結(jié)： （1）自動操舵系統(tǒng)是按船舶對航向的偏離程度來控制船舶的航跡，其操舵系統(tǒng)實際上是在隨動操舵的基礎(chǔ)上省去手輪，加上航向反饋而形成的。 （2）系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對象是船舶，被調(diào)節(jié)量是航向。 （3）自動操舵系統(tǒng)為典型的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)： 內(nèi)環(huán)是舵角反饋，實現(xiàn)舵角的自動跟隨。 外環(huán)是航向反饋，實現(xiàn)對船舶偏航的自動調(diào)整。,10-3 自動舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律,船舶應(yīng)用的自動舵類型眾多，究其調(diào)節(jié)規(guī)律，有三種基本類型： 比例舵：以船舶偏航角的大小和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)的， 比例-微分舵：以船舶偏航角和偏航角速度的大小和方向調(diào)節(jié)的。 比例-微分-積分

10、舵：以船舶偏航角、偏航角速度及偏航角積分的大小和方向來調(diào)節(jié)的。,1比例舵,以船舶偏航角的大小按比例給偏舵角，即,K1(KP)為比例系數(shù)，負(fù)號表示偏舵的方向是消除偏航。,K1過小，不能產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)船力矩，回轉(zhuǎn)性能不好。 K1過大，使船回轉(zhuǎn)過頭，穩(wěn)定性變壞，還會降低航速。,與B隨時間變化的曲線,K1是根據(jù)船舶載重量、天氣狀況進(jìn)行調(diào)整，K1 =0.54；,1比例舵,以船舶偏航角的大小按比例給偏舵角，即,K1(KP)為比例系數(shù)，負(fù)號表示偏舵的方向是消除偏航。,特點(diǎn)： （1）因風(fēng)浪引起偏航時，比例舵具有糾正偏航的能力。 （2）采用比例舵會使船舶沿著航向左右搖擺，船舶航跡呈S型振蕩，衰減很慢。 （3）控制

11、簡單，精度差，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。,與B隨時間變化的曲線,比例舵只考慮了偏舵角，而沒有考慮偏航角速度。 當(dāng)偏航角速度較高時，應(yīng)該適當(dāng)增加偏舵角，以有效抑制船舶繼續(xù)偏航。 同時，當(dāng)船舶回到正航向時，雖然偏航角為零，但由于慣性，船舶仍有一個偏航角速度，會使船舶向另一側(cè)偏航。故造成船舶沿航向作S型航行。,2比例微分舵,以船舶偏航角和偏航角速度d / d t按比例給出偏舵角,即,K2(KD)是微分系數(shù)。,加入微分環(huán)節(jié)后使得系統(tǒng)具有“超前”的校正控制作用。提高系統(tǒng)的靈敏度。,通常所說的糾偏舵、穩(wěn)舵角或反舵角等均指微分舵作用。,比例微分舵角及其合成曲線,比例作用,微分作用,共同作用,偏航角,偏航角微分,控制特點(diǎn)

12、： 當(dāng)船舶受到風(fēng)浪影響發(fā)生偏航時，偏航角速度較大，產(chǎn)生- K2d / d t大，使開始偏航的一段時間內(nèi)產(chǎn)生較大的舵角。 船舶回航時，由于d / d t變號，故增加了回舵，使舵角提前減小。 在舵還未回到正航向之前， 由于- K2d / d t的作用，舵角已經(jīng)提前變號，在船舶回到正航向時，已產(chǎn)生了足夠大小的反舵角，這對于克服由于船舶慣性向另一側(cè)擺動很有好處，使航向偏擺迅速減小，從而船舶較快穩(wěn)定在正航向上。,比例微分舵角及其合成曲線,比例系數(shù)K1與微分系數(shù)K2選擇不當(dāng)，也將影響航行質(zhì)量。,當(dāng)載荷增加而船速減慢時，相對于K1，把K2的值調(diào)得過小(大比例小微分)，則比例舵的效果就比微分舵的效果大，所以船

13、舶以正航向為中心，左右搖擺，逐漸衰減，最后停止在正船向上，如圖所示。,偏航,比例一微分舵對偏航角的影響,反過來，相對K1把K2調(diào)得過大(小比例大微分) ，則微分舵的效果更明顯，因而航向不發(fā)生搖擺，航跡呈現(xiàn)過阻尼現(xiàn)象，船舶長時間不能恢復(fù)正航向。如圖所示。,在不同的航行工況下，如何適當(dāng)選擇K1和K2數(shù)值，需通過實踐，常常是靠經(jīng)驗來調(diào)整K1和K2。,比例一微分舵對偏航角的影響,3比例微分積分舵,其調(diào)節(jié)規(guī)律是以船舶偏航角 、偏航角速度d / d t和偏航角的積分d t按比例給出偏舵角，即,K3(KI)是積分系數(shù)。,積分環(huán)節(jié)的作用在于消除船舶由于船型不對稱、螺旋槳不對稱或船舶單側(cè)風(fēng)、水流的影響使偏航角在

14、不靈敏區(qū)所引起的橫向移動距離。（不靈敏區(qū)是在較小時，自動舵是不調(diào)節(jié)的）,如果由于某種原因引起船舶的瞬時偏航，后來立即消失，因為作用時間短，不影響整個航向，所以對其平均航向沒有偏移，無需發(fā)出校正動舵信號，如圖(a)所示。,有時候在船舶給定的航向兩側(cè)均勻搖擺，經(jīng)過比較長的時間后，其平均航向仍在正航向上，因此也無需使舵動作，如圖(b)所示。,只有當(dāng)船舶在偏航死區(qū)內(nèi)左右搖擺不均勻，平均航向如圖(c)所示偏離正航向一側(cè)，且又持續(xù)了很長一段時間，于是偏航積分環(huán)節(jié)發(fā)出信號，予以校正。,圖(d)所示為平均航向發(fā)生偏移，積分校正器工作后，船舶返回正航向的情況。,自動舵雖能糾偏使船舶返回正航向，但對船舶的橫向漂移

15、卻無能為力。可利用GPS定位系統(tǒng)來實現(xiàn)航線控制。,“比例微分積分”調(diào)節(jié)系統(tǒng)是比較完善的自動舵，但系統(tǒng)構(gòu)造較復(fù)雜。有的自動舵以“壓舵”環(huán)節(jié)了替代上述的積分環(huán)節(jié)，從而使控制系統(tǒng)得到簡化。 所謂“壓舵”，指的是船舶航行受到持續(xù)的單側(cè)橫向力的干擾（如風(fēng)浪、推進(jìn)器、船舶裝載不對稱等），使船舶形成向某一側(cè)的小偏航。估計這種情況可能發(fā)生，則在自動舵放大環(huán)節(jié)的輸入端加入某一極性的固定信號，這樣產(chǎn)生一個相應(yīng)的固定偏舵角，對船舶形成一個固定的轉(zhuǎn)船力矩，用以平衡單側(cè)橫向干擾力。這一固定大小的舵角稱之為壓舵角。,總結(jié)：三種控制規(guī)律比較 比例舵：可以克服偏航，但容易形成S形航跡，調(diào)整過程較長。 比例 - 微分舵：可以減

16、小最大偏航角，克服回航時的反向偏航，加快操舵系統(tǒng)響應(yīng)速度。但微分系數(shù)不能太大，否則容易造成不穩(wěn)定。 比例 - 微分 - 積分舵：能夠產(chǎn)生“自動壓舵”調(diào)節(jié)，克服不對稱偏航。,10-4 自動操舵系統(tǒng)基本要求和工作原理,1.自動操舵系統(tǒng)基本要求（四項） 1）自動操舵性能良好 初始轉(zhuǎn)舵角（一次偏舵角）的數(shù)值要合適自動舵還必須保證有附加舵角（二次偏舵角）。（即合理選擇比例舵的比例系數(shù)）。 2）具有必要的調(diào)節(jié)裝置 （1）靈敏度調(diào)節(jié)（俗稱天氣調(diào)節(jié)） （2）舵角比例調(diào)節(jié)（K1的調(diào)節(jié)要合適） （3）反舵角調(diào)節(jié)（ K2的調(diào)節(jié)要合適） （4）壓舵調(diào)節(jié)（積分調(diào)節(jié)即K3要合適） （5）航向調(diào)節(jié),（1）靈敏度調(diào)節(jié):靈敏度

17、是指系統(tǒng)開始投入工作時的最小偏航角。在風(fēng)平浪靜時要調(diào)高些，在大風(fēng)大浪下應(yīng)調(diào)低些，以減少動舵次數(shù)。 （2）舵角比例調(diào)節(jié):K1的大小直接影響自動舵給出的一次偏舵角和二次偏舵角的數(shù)值，因此要根據(jù)船型、裝載、船速等情況調(diào)節(jié)舵角比例。 （3）反舵角調(diào)節(jié):船舶在恢復(fù)航向時，舵葉應(yīng)先回到首尾線上，然后再向另一舷偏過一個小角度，以防止船舶因慣性力而繼續(xù)向另一側(cè)偏航，這個預(yù)先的偏舵角稱之為反舵角，應(yīng)根據(jù)船型、裝載、天氣等情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。 （4）壓舵調(diào)節(jié):為糾正因單側(cè)風(fēng)浪、水流等因素影響而引起的不對稱偏航和單側(cè)偏航，自動舵中應(yīng)設(shè)有自動壓舵、人工壓舵的調(diào)節(jié)裝置。 （5）航向調(diào)節(jié):在保證不斷開自動舵系統(tǒng)的情況下，通過航

18、向調(diào)節(jié)裝置來改變船舶的給定航向。,1.自動操舵系統(tǒng)基本要求 3）應(yīng)設(shè)有隨動、單動等操舵設(shè)備 在船舶進(jìn)出港、或緊急情況以及自動操舵失靈時，應(yīng)能立刻轉(zhuǎn)換為其他操舵方式，保證船舶航向的可靠性。 4）自動舵還應(yīng)設(shè)雙電源、雙機(jī)組等轉(zhuǎn)換裝置。,2.自動操舵系統(tǒng)的工作原理,以HQ-5型自動操舵儀為例介紹其結(jié)構(gòu)及功能 1）系統(tǒng)組成： HQ-5型自動舵系統(tǒng)基本上由駕駛室主操舵臺、舵機(jī)房簡易操舵臺、伺服機(jī)構(gòu)、反饋裝置和電源箱等組成。 它具有單動（應(yīng)急）操舵、隨動操舵和自動操舵三種操舵方式，可根據(jù)船舶航行中的具體情況加以擇用。 自動操舵采用比例-微分調(diào)節(jié)，并設(shè)有壓舵環(huán)節(jié)。,HQ-5型自動操舵儀原理框圖,2）自動操舵系統(tǒng)主要電路功能分析,（1）信號發(fā)送電路 （2）相敏整流電路 （3）信號比較、壓舵環(huán)節(jié)和直流放大電路 （4）比例調(diào)節(jié)電路 （5）微分調(diào)節(jié)電路 （6）脈沖形成和晶閘管觸發(fā)電路 （7）晶閘管主電路和應(yīng)急操舵電路 （8）偏航報警與操舵系統(tǒng)失壓報警電路,（1） 信號發(fā)送電路,偏航信號發(fā)送器、隨動信號發(fā)送器和舵角反饋信號發(fā)送器都是控制式自整角機(jī)