第二篇-10船舶舵機(jī)的電力拖動及控制

1、10 -1 舵機(jī)電力拖動與控制的基本要求舵機(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自動操舵系統(tǒng)基本要求和工作原理第第10 章章 船舶舵機(jī)的電力拖動與控制船舶舵機(jī)的電力拖動與控制內(nèi)容簡介內(nèi)容簡介本章主要討論船舶舵機(jī)電力拖本章主要討論船舶舵機(jī)電力拖動與控制的基本類型和控制原動與控制的基本類型和控制原理。理。工作過程：工作過程：電動機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)帶動蝸桿蝸輪轉(zhuǎn)電動機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)帶動蝸桿蝸輪轉(zhuǎn)動，并通過主動齒輪帶動扇形齒輪，再經(jīng)過緩動，并通過主動齒輪帶動扇

2、形齒輪，再經(jīng)過緩沖彈簧轉(zhuǎn)動舵柄（在扇形齒輪下面，通過彈簧沖彈簧轉(zhuǎn)動舵柄（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)。電動電動 - - 機(jī)械舵機(jī)裝置機(jī)械舵機(jī)裝置電動電動液壓舵機(jī)裝置液壓舵機(jī)裝置工作過程：工作過程：當(dāng)當(dāng)一油缸注入高一油缸注入高壓油而另一油壓油而另一油缸排出低壓油缸排出低壓油時，推動撞桿時，推動撞桿（活塞）移動，（活塞）移動，從而帶動舵柄，從而帶動舵柄，舵柱和舵葉偏舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)液壓舵機(jī)傳動機(jī)構(gòu)舵柱舵柄撞桿油缸 按海規(guī)要求，電動機(jī)連續(xù)工作制；具按海規(guī)要求，電動機(jī)連續(xù)工作制；具有軟的機(jī)械特性和足夠大的過載能力；堵轉(zhuǎn)有軟的機(jī)械特性和足夠大的過載能

3、力；堵轉(zhuǎn)時間應(yīng)能持續(xù)時間應(yīng)能持續(xù)1分鐘以上，仍不致將電動機(jī)燒分鐘以上，仍不致將電動機(jī)燒毀。要求電動在最快航速下，既能滿足最大毀。要求電動在最快航速下，既能滿足最大舵角，也能滿足轉(zhuǎn)舵速度。舵角，也能滿足轉(zhuǎn)舵速度。供電要可靠供電要可靠 從主配電盤到舵機(jī)應(yīng)當(dāng)用兩路分離較從主配電盤到舵機(jī)應(yīng)當(dāng)用兩路分離較遠(yuǎn)的饋電線對舵機(jī)電動機(jī)供電。其中之一遠(yuǎn)的饋電線對舵機(jī)電動機(jī)供電。其中之一還應(yīng)該與應(yīng)急配電盤相連。還應(yīng)該與應(yīng)急配電盤相連。電動機(jī)的運行要可靠電動機(jī)的運行要可靠10 -1 舵機(jī)電力拖動與控制的基本要求舵機(jī)電力拖動與控制的基本要求1）工作可靠）工作可靠 任何舵角均能投入工作，能及時準(zhǔn)確任何舵角均能投入工作，能

4、及時準(zhǔn)確轉(zhuǎn)給定舵角。轉(zhuǎn)給定舵角。 操縱系統(tǒng)應(yīng)裝有自動、隨動和應(yīng)急三操縱系統(tǒng)應(yīng)裝有自動、隨動和應(yīng)急三種操縱裝置。種操縱裝置。 舵機(jī)電力拖動裝置至少有兩個控制站，舵機(jī)電力拖動裝置至少有兩個控制站，駕駛臺和舵機(jī)艙各一，控制站之間要有轉(zhuǎn)換駕駛臺和舵機(jī)艙各一，控制站之間要有轉(zhuǎn)換開關(guān)，以防同時操作。開關(guān)，以防同時操作。2）生命力強(qiáng)）生命力強(qiáng)3）操作靈便）操作靈便4）舵葉偏轉(zhuǎn)限位保護(hù)和失壓報警裝置）舵葉偏轉(zhuǎn)限位保護(hù)和失壓報警裝置限位保護(hù)，防止操舵設(shè)備受損。限位保護(hù)，防止操舵設(shè)備受損。舵機(jī)總電源斷電，聲光報警。舵機(jī)總電源斷電，聲光報警。航向超過允許偏差的偏航自動報警航向超過允許偏差的偏航自動報警注意：注意：只

5、有過載報警而沒有過載保護(hù)裝置只有過載報警而沒有過載保護(hù)裝置10 -2 操舵方式及基本工作原理操舵方式及基本工作原理進(jìn)進(jìn)行行的的應(yīng)應(yīng)急急操操舵。舵。 10.2.1 單動操舵工作原理單動操舵工作原理限位通通過過轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換開開關(guān)關(guān)掌舵掌舵手柄手柄 單動操舵的操作方法可以歸納為：手板舵動，單動操舵的操作方法可以歸納為：手板舵動，復(fù)零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回復(fù)零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。舵左扳。這種操舵方式僅適用于內(nèi)河小型船舶和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。作為海船的應(yīng)急操舵方式。 單動操舵方框圖單動操舵方框圖10.2.2 隨動操舵的工作原理隨

6、動操舵的工作原理 隨動操舵方框圖隨動操舵方框圖 船舶左偏航操右舵，舵輪操右舵船舶左偏航操右舵，舵輪操右舵x x 0，舵葉右舵葉右偏，并自動停在右舵偏，并自動停在右舵x x 0上。為了減少形航跡的振上。為了減少形航跡的振幅，船舶在返回正航向過程中，必須回舵。幅，船舶在返回正航向過程中，必須回舵。主要環(huán)節(jié)：主要環(huán)節(jié)：比較環(huán)節(jié)、放大環(huán)節(jié)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較環(huán)節(jié)、放大環(huán)節(jié)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)隨動操舵的方法：隨動操舵的方法：10.2.3 自動操舵的工作原理自動操舵的工作原理滾輪滾輪1：與航與航向接受器機(jī)械向接受器機(jī)械相連反應(yīng)船舶相連反應(yīng)船舶偏航的角度偏航的角度（船右偏，滾（船右偏，滾輪左偏轉(zhuǎn)）輪左偏轉(zhuǎn)）偏航角偏航角偏舵

7、角偏舵角 絕緣塊絕緣塊4：隔離導(dǎo)電環(huán)隔離導(dǎo)電環(huán)2和和3，并與導(dǎo)電環(huán)一同偏轉(zhuǎn)。，并與導(dǎo)電環(huán)一同偏轉(zhuǎn)。導(dǎo)電環(huán)導(dǎo)電環(huán)2、3：與舵角反饋機(jī)構(gòu)相連，反應(yīng)舵葉的位與舵角反饋機(jī)構(gòu)相連，反應(yīng)舵葉的位置（舵葉左偏，導(dǎo)電環(huán)左偏）。置（舵葉左偏，導(dǎo)電環(huán)左偏）。：船舶回到給定航向：船舶回到給定航向K，=0，=0。：滾輪在絕緣塊上電機(jī)：滾輪在絕緣塊上電機(jī)不動舵葉在艏艉線不動舵葉在艏艉線：船右偏：船右偏滾輪左偏滾輪左偏J1有有電電舵左轉(zhuǎn)舵左轉(zhuǎn)導(dǎo)電環(huán)左轉(zhuǎn)導(dǎo)電環(huán)左轉(zhuǎn)很很小，使小，使，同時同時，：時（時（=max），），船停止船停止偏轉(zhuǎn)（偏轉(zhuǎn)（d/ dt = 0）。）。導(dǎo)電環(huán)追導(dǎo)電環(huán)追上滾輪，使絕緣塊與滾輪接觸，上滾輪，使絕緣

8、塊與滾輪接觸，電動機(jī)停，舵葉停轉(zhuǎn)電動機(jī)停，舵葉停轉(zhuǎn)=max。：在左舵的作用下，船開始回轉(zhuǎn)（：在左舵的作用下，船開始回轉(zhuǎn)（），），使?jié)L輪右轉(zhuǎn)，使?jié)L輪右轉(zhuǎn)，與導(dǎo)電環(huán)接與導(dǎo)電環(huán)接3觸，使觸，使J2有電，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，回舵（有電，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，回舵（）。）。導(dǎo)導(dǎo)電環(huán)右轉(zhuǎn)追隨滾輪運動。電環(huán)右轉(zhuǎn)追隨滾輪運動。船船舶舶的的航航跡跡曲曲線線第二節(jié)要點第二節(jié)要點：操舵方式：操舵方式(種類、原理種類、原理)；自動操舵；自動操舵儀組成原理。儀組成原理。自動操舵系統(tǒng)方框圖自動操舵系統(tǒng)方框圖10 -3 自動舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律自動舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律10.3.1 自動舵的基本類型自動舵的基本類型按調(diào)節(jié)規(guī)律分三種基本

9、類型：按調(diào)節(jié)規(guī)律分三種基本類型：比例舵比例舵比例微分舵比例微分舵比例微分舵積分舵比例微分舵積分舵10.3.2 自動舵的調(diào)節(jié)規(guī)律自動舵的調(diào)節(jié)規(guī)律 K1過大，使船回轉(zhuǎn)過頭，過大，使船回轉(zhuǎn)過頭，穩(wěn)定性變壞，還會降低穩(wěn)定性變壞，還會降低航速。航速。以船舶偏航角以船舶偏航角的大小的大小按比例給偏舵角按比例給偏舵角，即即= K1K1為比例系數(shù)，負(fù)號表示為比例系數(shù)，負(fù)號表示偏舵的方向是消除偏偏舵的方向是消除偏K1過小，不能產(chǎn)生足夠的過小，不能產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)船力矩，回轉(zhuǎn)性能不好。轉(zhuǎn)船力矩，回轉(zhuǎn)性能不好。1）比例舵）比例舵 加入微分環(huán)節(jié)后使得系統(tǒng)具有加入微分環(huán)節(jié)后使得系統(tǒng)具有“超前超前”的校正控制作用。提高系統(tǒng)的

10、靈敏度。的校正控制作用。提高系統(tǒng)的靈敏度。 以船舶偏航角以船舶偏航角和偏航角速度和偏航角速度d/ d t按按比例給出偏舵角比例給出偏舵角，即即= （K1+K2d/d t ）K2是微分系數(shù)。是微分系數(shù)。 通常所說的糾偏舵、穩(wěn)舵角或反舵角通常所說的糾偏舵、穩(wěn)舵角或反舵角等均指微分舵作用。等均指微分舵作用。2）比例）比例微分舵微分舵dtdK2-K1K1、K2選擇不當(dāng)，選擇不當(dāng)，將影響航行質(zhì)量。將影響航行質(zhì)量。1、當(dāng)載荷大船速慢，當(dāng)載荷大船速慢，相對于相對于K1，把把K2調(diào)小，調(diào)小，則比例效果大，結(jié)果則比例效果大，結(jié)果船舶搖擺逐漸衰減至船舶搖擺逐漸衰減至正航向。正航向。2、反過來，相對于反過來，相對于

11、K1，把把K2調(diào)大，則微調(diào)大，則微分效果大，航跡過阻分效果大，航跡過阻尼，長時間不能回到尼，長時間不能回到正航向。正航向。相對于相對于K1，把把K2調(diào)小，則比例效果大調(diào)小，則比例效果大相對于相對于K1，把把K2調(diào)大，則微分效果大調(diào)大，則微分效果大 積分環(huán)節(jié)的作用在于消除船舶由于船型積分環(huán)節(jié)的作用在于消除船舶由于船型不對稱、螺旋漿不對稱或船舶單側(cè)風(fēng)、水不對稱、螺旋漿不對稱或船舶單側(cè)風(fēng)、水流的影響使偏航角在不靈敏區(qū)所引起的橫流的影響使偏航角在不靈敏區(qū)所引起的橫向移動距離。向移動距離。（不靈敏區(qū)是在（不靈敏區(qū)是在較小時，較小時，自動舵不調(diào)節(jié)時）自動舵不調(diào)節(jié)時）以船舶偏航角以船舶偏航角、偏航角速度偏航

12、角速度d/ d t和偏航角和偏航角的積分的積分d t按比例給出偏舵角按比例給出偏舵角，即即= （K1+K2d/d t + K3d t）K3是積分系數(shù)。是積分系數(shù)。3）比例）比例微分微分積分舵積分舵（a）（b）（c）（d）偏航時的積分作用偏航時的積分作用實際：常用實際：常用“壓舵壓舵”代替代替PID中的積分環(huán)節(jié)中的積分環(huán)節(jié)期望值是轉(zhuǎn)舵角越小越好（最好低于5），轉(zhuǎn)舵次數(shù)越小越好（每分鐘小于6次） 10 -4 自動操舵系統(tǒng)基本要求和工作原理自動操舵系統(tǒng)基本要求和工作原理10.4.1 自動操舵系統(tǒng)基本要求自動操舵系統(tǒng)基本要求1）自動操舵性能良好）自動操舵性能良好偏航，則使舵葉偏轉(zhuǎn)一定角度，即偏航，則使

13、舵葉偏轉(zhuǎn)一定角度，即一次偏一次偏舵角舵角；如過大則使航速降低，過小則不能；如過大則使航速降低，過小則不能回航向，故要給出附加舵角即回航向，故要給出附加舵角即二次偏舵角二次偏舵角。2）具有必要的調(diào)節(jié)裝置）具有必要的調(diào)節(jié)裝置（4）壓舵調(diào)節(jié)壓舵調(diào)節(jié)：偏航積分電路，作用是實現(xiàn)自動壓：偏航積分電路，作用是實現(xiàn)自動壓舵，調(diào)節(jié)積分系數(shù)舵，調(diào)節(jié)積分系數(shù)K3 。（1）靈敏度調(diào)節(jié)靈敏度調(diào)節(jié)（天氣調(diào)節(jié)）：人為設(shè)定系統(tǒng)的死（天氣調(diào)節(jié)）：人為設(shè)定系統(tǒng)的死區(qū)，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。區(qū)，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。（2）舵角比例調(diào)節(jié)舵角比例調(diào)節(jié)：根據(jù)船舶大小、船型、裝載：根據(jù)船舶大小、船型、裝載情況及航速來選擇舵角比例系數(shù)情況及航速

14、來選擇舵角比例系數(shù)K1 。（3）反舵角調(diào)節(jié)反舵角調(diào)節(jié)：使船舶還未回到給定航向時，：使船舶還未回到給定航向時，舵已提前回到首尾線，并反方向轉(zhuǎn)過一個角度，來舵已提前回到首尾線，并反方向轉(zhuǎn)過一個角度，來克服船舶的慣性，起到阻尼作用，以使船舶能很快克服船舶的慣性，起到阻尼作用，以使船舶能很快的回到給定航向指微分環(huán)節(jié)的回到給定航向指微分環(huán)節(jié) K2（5）航向調(diào)節(jié)航向調(diào)節(jié)（小航角航向調(diào)節(jié)）：在自動操舵（小航角航向調(diào)節(jié)）：在自動操舵運行中，可以通過航向調(diào)節(jié)改變船舶的給定航向，運行中，可以通過航向調(diào)節(jié)改變船舶的給定航向，使船舶在新的航向上航行。使船舶在新的航向上航行。3）應(yīng)設(shè)有隨動、單動等操舵設(shè)備）應(yīng)設(shè)有隨動、

15、單動等操舵設(shè)備進(jìn)出港、緊急情況、操舵失靈時，應(yīng)能立刻轉(zhuǎn)換進(jìn)出港、緊急情況、操舵失靈時，應(yīng)能立刻轉(zhuǎn)換操舵方式，保證可靠性。還要有雙電源、雙機(jī)組操舵方式，保證可靠性。還要有雙電源、雙機(jī)組等。等。 自適應(yīng)自動舵是一種具有自適應(yīng)控制功能的自自適應(yīng)自動舵是一種具有自適應(yīng)控制功能的自動舵裝置?？筛鶕?jù)測量到的被控制對象（船）現(xiàn)時動舵裝置?？筛鶕?jù)測量到的被控制對象（船）現(xiàn)時狀態(tài)的外部連續(xù)信息（轉(zhuǎn)舵角、船首向、船速等），狀態(tài)的外部連續(xù)信息（轉(zhuǎn)舵角、船首向、船速等），不斷地實時辯識模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)實施有效的控制。不斷地實時辯識模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)實施有效的控制。自適應(yīng)舵的基本概念和調(diào)節(jié)原理自適應(yīng)舵的基本概念和調(diào)節(jié)原理

16、舵機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)方框圖舵機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)方框圖10.4.2 自動操舵系統(tǒng)的工作原理自動操舵系統(tǒng)的工作原理1）系統(tǒng)組成：）系統(tǒng)組成：2個操作臺伺服機(jī)構(gòu)反饋裝置、電源箱等個操作臺伺服機(jī)構(gòu)反饋裝置、電源箱等三種操舵方式選擇，自動舵：三種操舵方式選擇，自動舵：PI壓舵壓舵2）信號發(fā)送電路）信號發(fā)送電路偏航信偏航信號發(fā)送號發(fā)送隨動信隨動信號發(fā)送號發(fā)送舵角反饋信號舵角反饋信號發(fā)送發(fā)送信號發(fā)送信號發(fā)送控制式自控制式自整角機(jī)：整角機(jī)：自動操舵時，自動操舵時，F(xiàn)1在協(xié)在協(xié)調(diào)位置，無信號輸出；調(diào)位置，無信號輸出；偏航時分羅經(jīng)帶動偏航時分羅經(jīng)帶動F1轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個角度，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個角度，則其繞組則其繞組S2S3輸出輸出一個正弦偏航