船舶電氣設(shè)備CH10

1、船舶設(shè)備自動控制系統(tǒng)第十章第十章 船舶舵機(jī)的電力拖動船舶舵機(jī)的電力拖動與控制與控制第1章第2頁概述舵機(jī)裝置是保持或改變船舶航向的重要重要設(shè)備航向 優(yōu)秀的舵機(jī)可以：優(yōu)秀的舵機(jī)可以：節(jié)省航運成本節(jié)省航運成本降低勞動強(qiáng)度降低勞動強(qiáng)度第1章第3頁概述整個舵機(jī)裝置主要由操舵裝置、舵機(jī)控制與驅(qū)動系統(tǒng)、傳動機(jī)構(gòu)和舵葉四大部分 組成。 船和舵駕駛臺：操舵裝置, 包括航向指示、舵角指示器舵機(jī)間：舵機(jī)控制與驅(qū)動系統(tǒng)、傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)第1章第4頁舵的作用原理航向RPTP1P2a轉(zhuǎn)向RPT 偏舵作用：偏舵作用：轉(zhuǎn)船使船橫移產(chǎn)生航行阻力v第1章第5頁舵的作用原理由舵角由舵角 產(chǎn)生的轉(zhuǎn)船力矩：產(chǎn)生的轉(zhuǎn)船力矩：2222sink

2、FvkFvMa222KvdtdJ小舵角作用下的船舶回轉(zhuǎn)運動小舵角作用下的船舶回轉(zhuǎn)運動方程：方程：F-舵葉有效面積舵葉有效面積v -船速船速K - 常數(shù)，與水密度、常數(shù)，與水密度、舵葉升力系數(shù)有關(guān)舵葉升力系數(shù)有關(guān)-船舶回轉(zhuǎn)角船舶回轉(zhuǎn)角J-船舶回轉(zhuǎn)慣量船舶回轉(zhuǎn)慣量第1章第6頁舵機(jī)驅(qū)動裝置舵機(jī)驅(qū)動裝置 舵葉舵葉舵柄舵柄舵柱舵柱第1章第7頁舵機(jī)驅(qū)動裝置舵機(jī)驅(qū)動裝置 舵機(jī)驅(qū)動裝置分為兩類：舵機(jī)驅(qū)動裝置分為兩類： . .電動電動 - - 機(jī)械；機(jī)械；. .電動電動 - - 液壓。液壓。 電動電動 - - 機(jī)械舵機(jī)裝置機(jī)械舵機(jī)裝置：電動機(jī)通過連軸節(jié)帶動蝸桿蝸電動機(jī)通過連軸節(jié)帶動蝸桿蝸輪轉(zhuǎn)動，并通過主動齒輪帶

3、動輪轉(zhuǎn)動，并通過主動齒輪帶動扇形齒輪，再經(jīng)過扇形齒輪，再經(jīng)過緩沖彈簧緩沖彈簧轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動舵柄，從而使舵柱和舵葉偏動舵柄，從而使舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。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。 電動電動 機(jī)械舵機(jī)裝置機(jī)械舵機(jī)裝置扇形扇形齒輪齒輪第1章第8頁工作過程：工作過程：當(dāng)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）移動，從而帶動舵柄，舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)。 電動電動 液壓舵機(jī)裝置液壓舵機(jī)裝置系統(tǒng)系統(tǒng)組成：組成： 恒速電動機(jī)拖動油泵，提供高壓油，驅(qū)動液壓油驅(qū)動液壓油缸缸。舵葉舵葉液壓舵機(jī)：液壓舵機(jī)：驅(qū)動

4、力大、抗沖擊第1章第9頁10.1舵機(jī)電力拖動與控制的基本要求 工作可靠工作可靠 供電：采用雙路供電 ，其中一路經(jīng)應(yīng)急配電板。電動機(jī)：機(jī)械特性軟（抗沖擊），轉(zhuǎn)矩大（從一舷最大舵角轉(zhuǎn)至另一舷最大舵角的時間應(yīng)不超過30(28)秒），能承受1分鐘的堵轉(zhuǎn)。 控制系統(tǒng)：至少兩個操作站（由轉(zhuǎn)換開關(guān)切換，防止同時操作）;有三種操舵方式（手動、隨動、自動）。第1章第10頁保護(hù)和報警裝置保護(hù)和報警裝置 舵葉偏轉(zhuǎn)限位+35- - 35 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 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 第1章第11頁10.2 操舵方式及基本工作原理 操舵方式一

5、般為三種操舵方式一般為三種 ：單動操舵，應(yīng)急操舵 （NFU）自動操舵隨動操舵（FU）航向控制航向控制航跡（航線）控制航跡（航線）控制第1章第12頁1 單動操舵 在自動操舵及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 方法：方法：手扳舵轉(zhuǎn)，復(fù)零舵停手扳舵轉(zhuǎn)，復(fù)零舵停-點動控制點動控制 人看分人看分羅經(jīng)羅經(jīng)compass和舵角指示器操舵。和舵角指示器操舵。第1章第13頁單動操舵的舵機(jī)控制（a）電動 （b）液壓舵圖10-1 單動操舵原理圖電磁閥電磁閥M第1章第14頁2 隨動操舵的工作原理 隨動隨動操舵，又叫操舵，又叫“舵輪舵輪操舵操舵”。隨動隨動 舵葉隨著舵輪轉(zhuǎn)動舵葉隨著舵輪轉(zhuǎn)動 。圖 10-

6、3隨動操舵原理圖（電橋式）第1章第15頁閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)隨動操舵方框圖第1章第16頁3 自動操舵 自動航向保持儀自動航向保持儀AutopilotAutopilot-按照船舶對航向的偏離角度來控制船舶的航向自動舵系統(tǒng)是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)。 圖10-6 自動操舵方框圖 給定舵角第1章第17頁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計 劃計 劃航線航線航跡偏差航跡偏差航跡航跡控制控制航向偏差航向偏差航 向航 向控制控制舵角偏差舵角偏差舵角舵角控制控制應(yīng) 急應(yīng) 急操舵操舵舵機(jī)舵機(jī)舵角舵角檢測檢測船船GPS/電電子海圖子海圖羅經(jīng)羅經(jīng)測量航向測量航向測量船位測量船位+-航向航向隨 動隨 動操舵操舵航 向航 向設(shè)定設(shè)定自適應(yīng)自適應(yīng)擾動量擾動量

7、擾動量擾動量第1章第18頁10.3 自動舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律 人工操舵的一般規(guī)律正航向反舵角dtd根據(jù)船舶根據(jù)船舶偏航的方向、大小、偏航速度偏航的方向、大小、偏航速度有規(guī)律有規(guī)律地進(jìn)行操舵地進(jìn)行操舵dtd第1章第19頁自動舵的基本類型 按操舵的規(guī)律分類按操舵的規(guī)律分類三種基本類型：三種基本類型：. .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。積分舵。第1章第20頁 比例舵比例舵比例舵操舵的規(guī)律是：比例舵操舵的規(guī)律是：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(guān)系，即：的大小成比例關(guān)系，即： K1 其中：其中：K K

8、1 1為比例系數(shù)，負(fù)號表示與偏航方向相反。為比例系數(shù)，負(fù)號表示與偏航方向相反。第1章第21頁比例舵 舵效正航向dtddtd K1 第1章第22頁dtd 比例舵比例舵回轉(zhuǎn)運動方程：回轉(zhuǎn)運動方程：222KvdtdJ K1 特點：特點：機(jī)構(gòu)簡單，航行保持精度較差，船機(jī)構(gòu)簡單，航行保持精度較差，船舶營運經(jīng)濟(jì)性較差（會出現(xiàn)舶營運經(jīng)濟(jì)性較差（會出現(xiàn)S S形航跡）。形航跡）。比例舵的不足：比例舵的不足：偏航初期偏舵角較小，不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，船舶具有慣性，偏舵角不能及時減小，容易反向偏航。容易反向偏航。

9、第1章第23頁比例比例- -微分舵操舵的規(guī)律是：微分舵操舵的規(guī)律是：偏舵角偏舵角的大小與偏的大小與偏航角航角 的大小成比例的大小成比例- -微分關(guān)系，即：微分關(guān)系，即： 比例比例- -微分舵微分舵dtdkk21反舵角dtd說明說明：偏航初期，偏航角變化率大，比例：偏航初期，偏航角變化率大，比例 - - 微分舵能及時微分舵能及時給出大偏舵，有效地阻止船舶偏航（最大偏航角較?。换亟o出大偏舵，有效地阻止船舶偏航（最大偏航角較小）；回航時，偏航角變化率變?yōu)樨?fù)值，能適時給出反舵角，阻止船航時，偏航角變化率變?yōu)樨?fù)值，能適時給出反舵角，阻止船舶反向偏航，即能有效阻止反向偏航。舶反向偏航，即能有效阻止反向偏

10、航。第1章第24頁主要特點：主要特點：具有具有“超前校正超前校正”的控制作用，的控制作用，減小船舶航向的振蕩，減輕舵機(jī)負(fù)擔(dān)，增減小船舶航向的振蕩，減輕舵機(jī)負(fù)擔(dān)，增加航速，提高系統(tǒng)靈敏度和船舶的營運效加航速，提高系統(tǒng)靈敏度和船舶的營運效益。益。第1章第25頁 比例比例- -微分微分- -積分舵積分舵組成：組成：是在比例是在比例 - - 微分舵基礎(chǔ)上增加積分環(huán)節(jié)。微分舵基礎(chǔ)上增加積分環(huán)節(jié)。dtkdtdKK321積分環(huán)節(jié)作用積分環(huán)節(jié)作用 是是克服不對稱偏航?？朔粚ΨQ偏航。不對稱偏航的產(chǎn)生：不對稱偏航的產(chǎn)生：不對稱偏航是某舷（側(cè)）的偏航角持續(xù)不對稱偏航是某舷（側(cè)）的偏航角持續(xù)時間比另一舷（側(cè)）偏航角

11、持續(xù)時間長。時間比另一舷（側(cè)）偏航角持續(xù)時間長。原因：原因：裝載不對稱，斜向風(fēng)的持續(xù)影響，斜向海潮的持續(xù)影裝載不對稱，斜向風(fēng)的持續(xù)影響，斜向海潮的持續(xù)影響。響。 對于具有雙螺旋槳推進(jìn)的船舶，螺旋槳推進(jìn)的對于具有雙螺旋槳推進(jìn)的船舶，螺旋槳推進(jìn)的不平衡也會產(chǎn)生不對稱偏航。不平衡也會產(chǎn)生不對稱偏航。 第1章第26頁積分作用圖10-10偏航時的積分作用第1章第27頁比例比例 微分微分+壓舵環(huán)節(jié)壓舵環(huán)節(jié)壓舵角正航向/航線單側(cè)風(fēng)航向 航線單側(cè)風(fēng)第1章第28頁 比例舵：可以克服偏航，但容易形成比例舵：可以克服偏航，但容易形成S S形航跡，形航跡，航程較長。航程較長。 比例比例 - - 微分舵：可以減小最大偏

12、航角，克服回微分舵：可以減小最大偏航角，克服回航時的反向偏航。但微分系數(shù)不能太大，否則容易航時的反向偏航。但微分系數(shù)不能太大，否則容易造成不穩(wěn)定。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。 操舵定律特點比較操舵定律特點比較第1章第29頁10.4 自動操舵系統(tǒng)工作原理 1 自動操舵系統(tǒng)基本要求 1) 自動操舵性能良好 轉(zhuǎn)舵次數(shù)少，糾偏速度快 2) 具有必要的調(diào)節(jié)裝置靈敏度調(diào)節(jié) 舵角比例調(diào)節(jié) 反舵角調(diào)節(jié) 壓舵調(diào)節(jié) 航向調(diào)節(jié) 3) 應(yīng)設(shè)有隨動、單動等操舵設(shè)備；應(yīng)設(shè)有雙電源，雙機(jī)組及換轉(zhuǎn)裝置。 俗稱

13、天氣調(diào)節(jié)，根據(jù)天俗稱天氣調(diào)節(jié)，根據(jù)天氣狀況調(diào)節(jié)動舵的最小氣狀況調(diào)節(jié)動舵的最小偏航角，防止頻繁動舵偏航角，防止頻繁動舵第1章第30頁2 自動操舵系統(tǒng)的工作原理 以國產(chǎn)HQ-5型自動操舵儀為例 系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)：航向(檢測)復(fù)示信號發(fā)送電路 相敏整流電路運算電路功率放大電路系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成第1章第31頁v 航向檢測、復(fù)示航向檢測、復(fù)示航向檢測方法： 磁羅經(jīng)compass 電（陀螺）羅經(jīng) 磁通門羅經(jīng) 光纖陀螺羅經(jīng) GPS第1章第32頁N 0航向指示：航向指示：陀螺20羅盤上看得到?。繌?fù)示？用于控制？第1章第33頁航向復(fù)示自整角發(fā)送機(jī)自整角接收機(jī)羅經(jīng)航向復(fù)示航向自整角機(jī)原理i=0第1章第34頁航向復(fù)示自

14、整角發(fā)送機(jī)自整角接收機(jī)羅經(jīng)航向復(fù)示航向i第1章第35頁航向復(fù)示自整角發(fā)送機(jī)自整角接收機(jī)羅經(jīng)航向復(fù)示航向i=0第1章第36頁v信號發(fā)送電路信號發(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 航向給定航向接收機(jī)羅經(jīng)航向us航向偏差信號發(fā)送器第1章第37頁航向偏差信號發(fā)送器航向給定航向接收機(jī)羅經(jīng)航向復(fù)示航向偏差輸出usus=U cossinwt給定航向給定航向?qū)嶋H航向?qū)嶋H航向u=U sinwt第1章第38頁航向偏差信號發(fā)送器航向給定航向接收機(jī)羅經(jīng)航向復(fù)示航向偏差輸出usus=U sinsinwt給定航向給定航向?qū)嶋H航向?qū)嶋H航向u=U sinwtU第1章第39頁偏航信號/隨動信號/舵角信號

15、發(fā)送信號發(fā)送圖圖10-1210-12信號發(fā)送電信號發(fā)送電路路 us=U sinsinwtu=U sinwt第1章第40頁v相敏整流電路由偏航信號發(fā)送器，隨動信號發(fā)送器和舵角反饋信號發(fā)送器輸出的交流信號電壓分別送到相敏整流電路中進(jìn)行整流檢相整流檢相，變換成能夠反映偏差角度大小和方向的直流信號。 圖10-13相敏流電路us=U sinsinwtU0=k usurefu0usurefu0uourefusrRR10R1127D3D429 S3S2-+uourefusrRR11R1029D2D527+-+S3S2 uref與us同頻、同相或反相，且urefus； R11=R10011sRuuRR010s

16、RuuRR 第1章第42頁v信號比較信號比較、壓舵環(huán)節(jié)和直流放大電路、壓舵環(huán)節(jié)和直流放大電路 HQ-5系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成第1章第43頁v運算電路隨動操舵u01u=k*u=kRRU01=0時舵葉停止偏轉(zhuǎn)，這時= *HQ-5第1章第44頁自動操舵u01u=ku=kR1R2CU01=0時舵葉停止偏轉(zhuǎn)，這時dtdkk21第1章第45頁v脈沖形成與晶閘管觸發(fā)電路 +-+-第1章第46頁v晶閘管主電路與應(yīng)急操舵電路 第1章第47頁HQ-5型自動操舵儀第1章第48頁新型自動操舵儀簡介計算機(jī)（微處理器）控制：數(shù)字化結(jié)構(gòu)上模塊化、網(wǎng)絡(luò)化控制上智能化功能上：航線/航跡控制品牌:Sperry、安修斯第1章第49頁單S

17、CU第1章第50頁雙SCU第1章第51頁信號傳送：信號傳送：串口RS422，0183通信協(xié)議 第1章第52頁自適應(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)原理自適應(yīng)舵自適應(yīng)舵：通過計算機(jī)將所有檢測信號進(jìn)行處理，通過計算機(jī)將所有檢測信號進(jìn)行處理，可以自動修正內(nèi)部參數(shù)（例如比例系數(shù)等）以適應(yīng)可以自動修正內(nèi)部參數(shù)（例如比例系數(shù)等）以適應(yīng)船舶的各種狀態(tài)或海況。船舶的各種狀態(tài)或海況。分類：分類：自校正自校正自適應(yīng)控制系統(tǒng)自適應(yīng)控制系統(tǒng)模型參考模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)自適應(yīng)控制系統(tǒng)等等傳統(tǒng)（傳統(tǒng)（PID）控制的缺點）控制的缺點第1章第53頁自校正控制系統(tǒng)：自校正控制系統(tǒng)： 自動校正系統(tǒng)的控制參數(shù)，使性

18、能指標(biāo)接近最優(yōu)。自動校正系統(tǒng)的控制參數(shù)，使性能指標(biāo)接近最優(yōu)。模型參考控制系統(tǒng)：模型參考控制系統(tǒng)： 設(shè)計一個理想（最優(yōu)）的參考模型，計算機(jī)根據(jù)實際檢設(shè)計一個理想（最優(yōu)）的參考模型，計算機(jī)根據(jù)實際檢測，實現(xiàn)接近該理想模型的控制規(guī)律。測，實現(xiàn)接近該理想模型的控制規(guī)律。 自適應(yīng)舵說明自適應(yīng)舵說明第1章第54頁自整定模糊PID控制器KiKpKdPID控制器模 糊 推 理系統(tǒng)被控對象Eede/dt第1章第55頁應(yīng)用模糊集合理論建立參數(shù)Kp、Ki和Kd與系統(tǒng)誤差絕對值和誤差變化率絕對值之間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系，模糊推理系統(tǒng)在線自整定PID參數(shù)。模糊控制的算法簡單用于計算機(jī)實時控制計算量很少，并且自適應(yīng)模糊控制可以使控制參數(shù)和規(guī)則在控制過程中自動調(diào)整、修改和完善，從而使系統(tǒng)的控制性能不斷完善，達(dá)到理想的控制效果 第1章第56頁本章小結(jié)第1章第57頁舵機(jī)系統(tǒng)第1章第58頁液壓驅(qū)動高壓油泵電動機(jī)轉(zhuǎn)舵電磁閥油