ch10 船舶舵機(jī)的電力拖動與控制

1、在自動操舵和隨動操舵失效情況下應(yīng)用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)用船舶進(jìn)出港等備車航行時應(yīng)用船舶定速航行時應(yīng)用船舶定速航行時應(yīng)用單動舵原理圖單動舵原理圖 8G-M系統(tǒng)電動舵機(jī)的單動操舵原理系統(tǒng)電動舵機(jī)的單動操舵原理1 當(dāng)船舶向左偏離航向時，可當(dāng)船舶向左偏離航向時，可將操舵手柄右扳，使將操舵手柄右扳，使K1閉合，閉合，勵磁機(jī)勵磁機(jī)J得到某一極性的勵磁，得到某一極性的勵磁，G將發(fā)出某一極性電壓，執(zhí)行將發(fā)出某一極性電壓，執(zhí)行電動機(jī)電動機(jī)M向某一方向轉(zhuǎn)動，舵向某一方向轉(zhuǎn)動，舵葉向右偏轉(zhuǎn)。葉向右偏轉(zhuǎn)。 通過舵角指示器觀察舵角大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

2、小。當(dāng)接近所要求的的右偏舵角時，松開手柄，觸點(diǎn)角時，松開手柄，觸點(diǎn)K1斷開斷開，電機(jī)，電機(jī)M停轉(zhuǎn)。停轉(zhuǎn)。G-M系統(tǒng)電動舵機(jī)的單動操舵原理系統(tǒng)電動舵機(jī)的單動操舵原理隨動操舵原理圖（電橋式）隨動操舵原理圖（電橋式） 放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)船舶舵葉操舵手輪人人反饋裝置偏航角偏航角 偏舵角偏舵角羅經(jīng)羅經(jīng)舵機(jī)舵機(jī)：船舶沿正航向：船舶沿正航向K航行，滾輪航行，滾輪1恰好與絕緣恰好與絕緣塊塊4接觸，電動機(jī)不轉(zhuǎn)動，舵葉在艏艉線上，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，艏艉線與正航向重合， =0，=0偏航偏航轉(zhuǎn)舵轉(zhuǎn)舵最大舵角最大舵角：使使(=max)，船停止偏轉(zhuǎn)，船停止偏轉(zhuǎn)(d/ dt = 0)。導(dǎo)電

3、環(huán)追上滾輪，使絕緣塊。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)與滾輪接觸，電動機(jī)停，舵葉停轉(zhuǎn)=max?；剞D(zhuǎn)回轉(zhuǎn)：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)，與導(dǎo)電環(huán)接使?jié)L輪右轉(zhuǎn)，與導(dǎo)電環(huán)接3觸，使觸，使J2有電，有電，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，回舵（電動機(jī)反轉(zhuǎn)，回舵（）。導(dǎo)電環(huán)右轉(zhuǎn)追隨）。導(dǎo)電環(huán)右轉(zhuǎn)追隨滾輪運(yùn)動。滾輪運(yùn)動。：船舶回到給定航向：船舶回到給定航向K，=0，=0。回航回航船舶的航跡曲線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)。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)。電羅經(jīng)是檢測元件，也是比較環(huán)節(jié)。比較比較(元件元件

4、)：由兩個導(dǎo)電半圓環(huán)和滾輪所構(gòu)成。：由兩個導(dǎo)電半圓環(huán)和滾輪所構(gòu)成。放大器：直流發(fā)電機(jī)放大器：直流發(fā)電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：他勵直流電動機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：他勵直流電動機(jī)M。小結(jié)：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）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(shí)際上是在隨動操舵的基制船舶的航跡，其操舵系統(tǒng)實(shí)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。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。）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)：）自動操舵系統(tǒng)為典型的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)：p 內(nèi)環(huán)是舵角反饋

5、，實(shí)現(xiàn)舵角的自動跟隨。內(nèi)環(huán)是舵角反饋，實(shí)現(xiàn)舵角的自動跟隨。p 外環(huán)是航向反饋，實(shí)現(xiàn)對船舶偏航的自動調(diào)整。外環(huán)是航向反饋，實(shí)現(xiàn)對船舶偏航的自動調(diào)整。1比例舵比例舵以船舶偏航角以船舶偏航角的大小按比的大小按比例給偏舵角例給偏舵角，即，即K1(KP)為比例系數(shù)，負(fù)號表為比例系數(shù)，負(fù)號表示偏舵的方向是消除偏航。示偏舵的方向是消除偏航。 K1過小，不能產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)船力過小，不能產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)船力矩，回轉(zhuǎn)性能不好。矩，回轉(zhuǎn)性能不好。 K1過大，使船回轉(zhuǎn)過頭，穩(wěn)定性過大，使船回轉(zhuǎn)過頭，穩(wěn)定性變壞，還會降低航速。變壞，還會降低航速。 與與B隨時間變化的曲線隨時間變化的曲線 1k Pk K1是根據(jù)船舶載重量、天氣

6、狀況進(jìn)行調(diào)整，是根據(jù)船舶載重量、天氣狀況進(jìn)行調(diào)整，K1 =0.54；1比例舵比例舵以船舶偏航角以船舶偏航角的大小按比的大小按比例給偏舵角例給偏舵角，即，即K1(KP)為比例系數(shù)，負(fù)號表為比例系數(shù)，負(fù)號表示偏舵的方向是消除偏航。示偏舵的方向是消除偏航。特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1）因風(fēng)浪引起偏航時，比例舵具有糾正偏航）因風(fēng)浪引起偏航時，比例舵具有糾正偏航的能力。的能力。（2）采用比例舵會使船舶沿著航向左右搖擺，）采用比例舵會使船舶沿著航向左右搖擺，船舶航跡呈船舶航跡呈S型振蕩，衰減很慢。型振蕩，衰減很慢。（3）控制簡單，精度差，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。）控制簡單，精度差，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。 與與B隨時間變化的曲線隨時間變

7、化的曲線 1k Pk 2比例比例微分舵微分舵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按比例給出偏舵角按比例給出偏舵角,即即K2(KD)是微分系數(shù)。是微分系數(shù)。dtdkk21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。的校正控制作用。提高系統(tǒng)的靈敏度。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。通常所說的糾偏舵、穩(wěn)舵角或反舵角等均指微分舵作用。PDdkkd t 比例微分舵角及其合成曲線比例微分舵角及其合成曲線 比例作用比例作用微分作用微分作用共同作用共同作用偏航角偏航角偏航角微分偏航角微分12dkkd t 比例微分

8、舵角及其合成曲線比例微分舵角及其合成曲線 比例系數(shù)比例系數(shù)K1與微分系數(shù)與微分系數(shù)K2選擇不當(dāng)，也將影響航行質(zhì)量。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，相當(dāng)載荷增加而船速減慢時，相對于對于K1，把，把K2的值調(diào)得過小的值調(diào)得過小(大大比例小微分比例小微分)，則比例舵的效果，則比例舵的效果就比微分舵的效果大，所以船就比微分舵的效果大，所以船舶以正航向?yàn)橹行?，左右搖擺，舶以正航向?yàn)橹行?，左右搖擺，逐漸衰減，最后停止在正船向逐漸衰減，最后停止在正船向上，如圖所示。上，如圖所示。 偏航偏航比例一微分舵對偏航角的影響比例一微分舵對偏航角的影響 12dkkd t 反過來，相對反過來，相對K

9、1把把K2調(diào)得過調(diào)得過大大(小比例大微分小比例大微分) ，則微分舵，則微分舵的效果更明顯，因而航向不發(fā)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，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。船舶長時間不能恢復(fù)正航向。如圖所示。如圖所示。 在不同的航行工況下，如何適當(dāng)選擇在不同的航行工況下，如何適當(dāng)選擇K1和和K2數(shù)值，數(shù)值，需通過實(shí)踐，常常是靠經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整需通過實(shí)踐，常常是靠經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整K1和和K2。 比例一微分舵對偏航角的影響比例一微分舵對偏航角的影響 12dkkd t 3比例比例微分微分積分舵積分舵其調(diào)節(jié)規(guī)律是以船舶偏航角其調(diào)節(jié)規(guī)律是以船舶偏航角 、偏航角速度、偏航角速度d

10、 / d t和偏航和偏航角的積分角的積分d t按比例給出偏舵角按比例給出偏舵角，即，即K3(KI)是積分系數(shù)。是積分系數(shù)。dtkdtdKK321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不靈敏區(qū)所引起的稱或船舶單側(cè)風(fēng)、水流的影響使偏航角在不靈敏區(qū)所引起的橫向移動距離。（不靈敏區(qū)是在橫向移動距離。（不靈敏區(qū)是在較小時，自動舵是不調(diào)節(jié)較小時，自動舵是不調(diào)節(jié)的）的）PDIdKKkdtdt 如果由于某種原因引起船舶的瞬時偏如果由于某種原因引起船舶的瞬時偏航，后來立即消失，因?yàn)樽饔脮r間短，航，后來立即消失，

11、因?yàn)樽饔脮r間短，不影響整個航向，所以對其平均航向不影響整個航向，所以對其平均航向沒有偏移，無需發(fā)出校正動舵信號，沒有偏移，無需發(fā)出校正動舵信號，如圖如圖(a)所示。所示。 有時候在船舶給定的航向兩側(cè)均勻搖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，因此也無需使舵動向仍在正航向上，因此也無需使舵動作，如圖作，如圖(b)所示。所示。 只有當(dāng)船舶在偏航死區(qū)內(nèi)左右搖擺不只有當(dāng)船舶在偏航死區(qū)內(nèi)左右搖擺不均勻，平均航向如圖均勻，平均航向如圖(c)所示偏離正航所示偏離正航向一側(cè)，且又持續(xù)了很長一段時間，向一側(cè)，且又持續(xù)了很長一段時間，于是偏

12、航積分環(huán)節(jié)發(fā)出信號，予以校于是偏航積分環(huán)節(jié)發(fā)出信號，予以校正。正。 圖圖(d)所示為平均航向發(fā)生偏移，積分所示為平均航向發(fā)生偏移，積分校正器工作后，船舶返回正航向的情校正器工作后，船舶返回正航向的情況。況。自動舵雖能糾偏使船舶返回正自動舵雖能糾偏使船舶返回正航向，但對船舶的橫向漂移卻航向，但對船舶的橫向漂移卻無能為力?？衫脽o能為力?？衫肎PS定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)航線控制。來實(shí)現(xiàn)航線控制。l“比例微分積分比例微分積分”調(diào)節(jié)系統(tǒng)是比較完善的自動舵，但調(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。系統(tǒng)構(gòu)造較復(fù)雜。有的自動舵以有的自動舵以“壓舵壓舵”環(huán)節(jié)了替代上述環(huán)節(jié)了替代上述的積分環(huán)節(jié)，從而使

13、控制系統(tǒng)得到簡化。的積分環(huán)節(jié)，從而使控制系統(tǒng)得到簡化。l所謂所謂“壓舵壓舵”，指的是船舶航行受到持續(xù)的單側(cè)橫向力的，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，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

14、為用以平衡單側(cè)橫向干擾力。這一固定大小的舵角稱之為壓壓舵角舵角。 偏航信號發(fā)送器、隨動信偏航信號發(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)。它們器都是控制式自整角機(jī)。它們單機(jī)使用，其定子的單相激磁單機(jī)使用，其定子的單相激磁繞組接到繞組接到110V的單相電源，轉(zhuǎn)的單相電源，轉(zhuǎn)子的三相整步繞組只聯(lián)接其中子的三相整步繞組只聯(lián)接其中的兩相作出輸出繞組，轉(zhuǎn)軸分的兩相作出輸出繞組，轉(zhuǎn)軸分別由羅經(jīng)接收機(jī)（分羅經(jīng)）、別由羅經(jīng)接收機(jī)（分羅經(jīng)）、操舵手輪或舵柱通過機(jī)械傳動操舵手輪或舵柱通過機(jī)械傳動裝置帶動。自整角機(jī)處于協(xié)調(diào)裝置帶動。自整角機(jī)處于協(xié)調(diào)位置時，無輸出。位置時

15、，無輸出。 此電路的工作條件是：此電路的工作條件是： uref+uref_+_+_+_+_us0uRRr272829RfD2D5D3D4rrr下級輸入下級輸入電阻電阻2910()0refSfuui ri RR320refSuui Ri r03()0fi RRi R1032iiiiurefD3urefuSD2+_+_+_27281i2irrR0uR3i0iRf03()fRRiiR02()refSfuuRRiir0010()()frefSfRRiuuRRiiiRrUs在正半周：在正半周：0000000000000000()()()()0()()()0()22 ()0()()2 ()22 ()(2)

16、2 (frefSfrefSffrefSrefSfffSffffSffRRiuuRRiuuiri RRRrRRriuui ruuRRii RRRRRriui ri RRRRRrirRRRrR RRui ri RRiRRrRRR Ri000)2(2)2 ()2(2)2 ()fSffffSffRRRiurRRR RRRRui RurRRR RRurefD5urefuSD4+_+_+_2729281i2irrR0uR3i0iRf10()0refSfuui ri RR320refSuui Ri r03()0fi RRi R1032iiii03()fRRiiR02()refSfuuRRiir0010()()frefSfRRiuuRRiiiRr0000000000000000()()()()0()()()0()22 ()0()()2 ()22 ()(2)frefSfrefSffrefSrefSfffSffffSffRRiuuRRiuuiri RRRrRRriuui ruuRRii RRRRRriui ri RRRRRrirRRRrR RRui ri RRiRRrRRi0002 ()2(2)2 ()2(2)2 ()fSffffSffR RRRRiurRRR RRRRui RurRRR RRurefuS0u （3 3）當(dāng)）當(dāng)U Us s0 0時且與時且與U Urefref相位相反時，在正半周，相