船舶舵機(jī)裝置的自動控制系統(tǒng)介紹課件

第十三章船舶舵機(jī)裝置的自動控制系統(tǒng)第一節(jié)舵與舵機(jī)裝置

第二節(jié)操舵方式及基本工作原理第三節(jié)自動舵的基本類型及其基本要求第四節(jié)舵機(jī)自動控制系統(tǒng)事例

思考題與習(xí)題

第十三章船舶舵機(jī)裝置的自動控制系統(tǒng)第一節(jié)1第十三章船舶舵機(jī)裝置的自動控制系統(tǒng)第一節(jié)舵與舵機(jī)裝置目前，絕大多數(shù)船舶都以舵作為保持或改變航向的設(shè)備。舵垂直安裝在螺旋槳的后方。早期船舶都采用平板舵。目前除一些內(nèi)河小船外，為了提高舵效和推進(jìn)效率，大都采用鋼板焊接而成的空心舵，稱為復(fù)板舵。這種舵由于水平截面呈對稱機(jī)翼形，故又稱流線型舵。舵的型式很多，圖13-1示出三種典型的海船用舵。舵葉的偏轉(zhuǎn)由操舵裝置（通常稱舵機(jī)）來控制。舵機(jī)經(jīng)舵柄1將扭矩傳遞到舵桿3上，舵桿3由舵承支承，它穿過船體上的舵桿套筒4帶動舵葉7偏轉(zhuǎn)。舵承固定在船體上，由滑動或滾動軸承及密封填料等到組成此處，舵葉7還可以通過舵銷5支承在舵柱8的舵托9舵鈕6上。舵桿軸線一般就是舵葉的轉(zhuǎn)動軸線。舵桿軸線緊靠舵葉前緣的舵，稱為不平衡舵圖13-1（a）；舵桿軸線位于舵葉前緣后面一定位置的舵稱為平衡舵圖13-1（b）而僅于下半部做成平衡型式的舵稱為半平衡舵圖13-1（c）。

第十三章船舶舵機(jī)裝置的自動控制系統(tǒng)第一節(jié)舵與舵機(jī)21-舵柄；2-上舵軸承；3-下舵軸承；4-舵桿套筒；5-舵銷；6-舵鈕；7-舵葉；8-舵柱；9-舵托；10-舵軸承

后兩種舵在舵桿軸線之前有一定的舵葉面積，轉(zhuǎn)舵時水流作用在它上面產(chǎn)生的扭矩可以抵消一部分軸線后舵葉面積上的扭矩，從而減輕舵機(jī)的負(fù)荷。一、舵的作用原理如圖13-2所示，舵葉處于船舶首尾線上時，水流方向與舵面一致，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)船力矩，船舶保持直線航行。當(dāng)舵葉離開首尾線，向某一航側(cè)偏轉(zhuǎn)一個β角時，因舵葉面現(xiàn)水流流速不同，兩面的壓力不平1-舵柄；2-上舵軸承；3-下舵軸承；4-舵桿套筒；5-舵銷3衡，在舵面上產(chǎn)生與其垂直的壓力F。將F分解為相互垂直的兩個分力F1和F2。其縱向分力F1對船舶航行起制動作用，使船速減低，而橫向分力F2會產(chǎn)生一個使船舶轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)船力矩M。假設(shè)在船舶的重心“0”處加上一對大小相等而方向相反的力，即f1=f2=F2，并與F2平等。則F2與f1組成一個轉(zhuǎn)船力矩M=F2×a，a為F2與f1之間的距離。而f2則引起船舶的橫向漂移。轉(zhuǎn)船力矩在一定的舵角上出現(xiàn)最大值，這個舵角稱為最大舵角。在船舶上通常予以限定的角度（例如350）作為舵機(jī)的最大轉(zhuǎn)舵角。圖13-2舵葉偏轉(zhuǎn)時作用于船舶上的力

現(xiàn)代船舶廣泛采用流線型舵葉。這種舵葉在轉(zhuǎn)舵時所受到的水流壓力F與舵葉面積，船舶速度和舵偏轉(zhuǎn)的角度之間的關(guān)系，符合機(jī)翼升力理論，可用下式表示：衡，在舵面上產(chǎn)生與其垂直的壓力F。將F分解為相互垂直的兩個分4F=9.8CRρ(V2/2)S式中：CR—對舵葉模型試驗(yàn)測得的升力系數(shù)，與翼型及β角有關(guān)：V—船舶速度m/sρ—水的密度kg/m3s—舵葉有效作用面積m2舵角為β時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)船力矩M，可近似用下式表示：M=KSV2sin2β式中：K—常數(shù)。在自動操舵時，舵角β通常采取小舵角，因而sin2β≈2β，則M公式可寫成M=2KSV2sin2β=CV2β式中C=2KS可見轉(zhuǎn)船力矩M近似地與航速的平方成正比；航速越高舵效越好。當(dāng)航速一定時，M與舵角β（小舵角情況下）成正比。二、舵機(jī)裝置圖13-3扇形齒輪傳動機(jī)構(gòu)舵機(jī)按拖動方式，目前主要分為電動機(jī)械傳動舵機(jī)和電動液壓傳動舵機(jī)兩類。舵機(jī)的轉(zhuǎn)舵力矩不僅取決于舵葉上的水流壓力F，而且與舵的結(jié)構(gòu)型式有關(guān)，采用平衡舵可減少舵機(jī)的負(fù)載。船舶舵機(jī)裝置的自動控制系統(tǒng)介紹課件5對于一定型式的舵，轉(zhuǎn)舵力矩在最大舵角時達(dá)最大值，而此值在船舶倒車時更大些。隨著航速和噸位的增加，轉(zhuǎn)舵力矩也將增大。若采用電動舵機(jī)時，傳動裝置將出現(xiàn)體大笨重，因此現(xiàn)代大型遠(yuǎn)洋和近海船上電動液壓舵機(jī)獲得廣泛地應(yīng)用。圖13-3扇形齒輪傳動機(jī)構(gòu)(一)、電動—機(jī)械舵機(jī)裝置圖13-3為扇形齒輪傳動的電動舵機(jī)，它由電動機(jī)1通過連軸節(jié)2帶動蝸桿3和蝸輪4轉(zhuǎn)動，并通過主動齒輪5帶動扇形齒輪6，再經(jīng)過緩沖彈簧7轉(zhuǎn)動舵柄8（在扇形齒輪的下部），從而使舵柱9和舵葉偏轉(zhuǎn)。緩沖彈簧的作用是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。不論是扇形齒輪傳動機(jī)構(gòu)還是蝸桿傳動機(jī)構(gòu)，它們共同的特點(diǎn)都是通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，以很高的減速比把電動機(jī)的高速轉(zhuǎn)動直接傳送對于一定型式的舵，轉(zhuǎn)舵力矩在最大舵角時達(dá)最大值，而此值在船舶6到舵柱的低速偏轉(zhuǎn)。這類舵機(jī)的電力拖動系統(tǒng)常采用直流G-M控制系統(tǒng)。圖13-4液壓舵機(jī)傳動機(jī)構(gòu)電動—液壓舵機(jī)裝置基本上與電動—液壓起貨機(jī)傳動裝置相類似，有雙向變量油泵，由恒速電動機(jī)拖動，提供可逆流向的高壓油。兩者不同之處在于拖動起貨機(jī)卷筒的是可連續(xù)旋轉(zhuǎn)的油馬達(dá)，而轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)則是左、右方向移動的液壓油缸裝置，如圖13-4所示。與舵柄(二)、電動—液壓舵機(jī)裝置鉸鏈的撞桿兩端置入左右高壓油缸內(nèi)，兩油缸與油泵連接，當(dāng)油缸注入高壓油而油缸排出低壓油時，推動撞桿（類似于活塞）向低壓端移動，從而帶動舵柄、舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)。高壓油泵的排量和流向則由操舵系統(tǒng)控制。到舵柱的低速偏轉(zhuǎn)。這類舵機(jī)的電力拖動系統(tǒng)常采用直流G-M控制7三、對舵機(jī)拖動控制系統(tǒng)的技術(shù)要求（一）、從主配電板到舵機(jī)艙應(yīng)采用雙線供電制，并盡可能遠(yuǎn)離分開敷設(shè)（如左、右舷兩路）。在正常情況下應(yīng)急配電板供電時，其中一路可以經(jīng)應(yīng)急配電板供電。駕駛室與舵機(jī)艙的操舵裝置應(yīng)使用同一電源。（二）、舵機(jī)電動機(jī)應(yīng)滿足舵機(jī)的技術(shù)性要求，并能保證堵轉(zhuǎn)1min的要求。（三）、拖動電動機(jī)組應(yīng)采用雙機(jī)系統(tǒng)，各機(jī)組可單獨(dú)運(yùn)行（一機(jī)組為備用），也可同時運(yùn)行。一機(jī)組故障礙時，另一機(jī)組應(yīng)能自動投入運(yùn)行。（四）、至少設(shè)有駕駛室和舵機(jī)艙兩個控制站，并設(shè)有轉(zhuǎn)換裝置，防止兩地同時操縱。（五）、現(xiàn)代船舶駕駛室多裝有操舵儀，一般設(shè)有自動、隨動、應(yīng)急三種操舵方式，也可只設(shè)兩種。（六）、船舶處于最深航海吃水并以最大營運(yùn)航速前進(jìn)時，不僅能滿足舵自一舷350轉(zhuǎn)至另一舷350的最大舵角要求，還應(yīng)滿足自任一舷350轉(zhuǎn)至另一舷300的時間不超過28s的轉(zhuǎn)舵速度要求。（七）、舵角指示器指示舵角的誤差應(yīng)不大于±10。三、對舵機(jī)拖動控制系統(tǒng)的技術(shù)要求8（八）、保護(hù)和報(bào)警裝置：設(shè)有舵葉偏轉(zhuǎn)限位開關(guān)，實(shí)現(xiàn)極限位置自動停舵；電源失壓報(bào)警裝置；過載聲光報(bào)警，但無過載保護(hù)裝置；采用自動操舵裝置時，應(yīng)設(shè)有航向超過允許偏差的自動報(bào)警裝置。（八）、保護(hù)和報(bào)警裝置：設(shè)有舵葉偏轉(zhuǎn)限位開關(guān)，實(shí)現(xiàn)極限位置自9第二節(jié) 操舵方式及基本工作原理圖13-5單動操舵原理圖一、單動操舵的工作原理單動操舵也就是通過轉(zhuǎn)換開關(guān)SA運(yùn)行的應(yīng)急操舵，其示意圖如圖13-5所示。船舶交流電源經(jīng)整流后，向差復(fù)勵直流發(fā)電機(jī)G、直流電動M他勵繞組JG—KG、J′G—K′G、JM—KM供電。在有負(fù)載情況下，發(fā)電機(jī)串勵繞組JGS—KGS通過電流Ia產(chǎn)生的磁勢總是與他勵繞組JG—KG（或J‘G—K’

G）所產(chǎn)生的磁勢反方向。當(dāng)船舶向左偏航需要操右舵予以校正時，將手柄開關(guān)扳到右位，J‘G—K’G通勵磁電流，G輸出電壓U0輸出電流Ia為正，M順時針方向轉(zhuǎn)動（n0>0）,經(jīng)過減速比很高的蝸輪一扇形齒輪傳動機(jī)構(gòu)，使舵葉右偏β（β>0）。當(dāng)右偏到符合要求的角度（由舵角指示器，

第二節(jié) 操舵方式及基本工作原理圖13-5單動操舵原理圖一、10求的角度（由舵角指示器觀測）時，把手柄開關(guān)恢復(fù)零位，發(fā)電機(jī)勵磁電流：輸出電壓消失，舵葉就停在右舵某一角度上。在船舶逐漸回到正航各的過程中，必須回舵?；睾綍r將手柄開關(guān)板到左邊，JG-KG通勵磁電流（與前者反方向），電動機(jī)逆時針方向轉(zhuǎn)動（n0<0），偏舵角逐漸減小，舵葉逐漸按近艏艉線，當(dāng)β=0時，手柄開關(guān)也應(yīng)恢復(fù)零位。此時，船舶也回到正航向（即ψ=0，由分羅徑觀測）上。當(dāng)船舶向右偏航要操左舵予以較正時，與上述操作相反。 單動操舵的操作方法可以歸納為：手扳舵轉(zhuǎn)，復(fù)零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。圖13-6單動操舵方框圖求的角度（由舵角指示器觀測）時，把手柄開關(guān)恢復(fù)零位，發(fā)電機(jī)勵11單動操舵的方框圖如圖13-6所示。從方框圖中可以看出，人在單動操舵過程中的作用就是觀察分羅徑的航ψ和舵角指示器的偏航角β，再根據(jù)上述操舵方法進(jìn)行操作，所以單動操舵機(jī)構(gòu)雖然簡單，但操縱過程卻顯得很麻煩，而且需要熟練的操舵經(jīng)驗(yàn)，否則將使船舶沿固定航向左右擺動的幅度太大。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。二、隨動操舵工作原理圖13-7所示為隨動操舵的原理圖。當(dāng)操舵手輪和舵葉分別在零位和艏艉線上時，由舵輪帶動的發(fā)送電位器R1和由裝在舵柱上的同步傳遞機(jī)構(gòu)中的接受機(jī)帶動的反饋電位器R2的滑動點(diǎn)在等電位0和0，電橋處于平衡狀態(tài)，放大器輸入信號U00為零，差復(fù)勵發(fā)電機(jī)G的勵磁電流IfG為零，他勵電動機(jī)M停止不轉(zhuǎn)。當(dāng)舵輪向右轉(zhuǎn)過某一角度，例如使發(fā)送電位器R1的滑動點(diǎn)從0點(diǎn)移至a點(diǎn)，電橋平衡被破壞，放大器輸入信號Ua0>0,發(fā)電機(jī)勵磁電流IfG和輸出電壓U0為正，電動機(jī)順時針方向轉(zhuǎn)動，操右舵。在舵葉右偏的過程中，通過舵角反饋同步傳遞機(jī)構(gòu)的接受機(jī)帶動反饋電位器R2的滑動點(diǎn)從0′不斷地向a′點(diǎn)作追隨運(yùn)動，圖13-7隨動操舵原理圖直至到達(dá)a′點(diǎn)，電橋又重新處于平衡狀態(tài)，放大器輸入信號單動操舵的方框圖如圖13-6所示。從方框圖中可以看出，人在單12Aura′=0，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。舵葉處于右舵與舵輪轉(zhuǎn)角相對應(yīng)的某一角度的位置上。如果要求回舵，就得舵輪扳回零位，R1的滑動點(diǎn)從a點(diǎn)重新返回到0點(diǎn)，電橋平衡又被破壞，但這時放大器的輸入信號U0a′<0，發(fā)電機(jī)勵磁電流IfG和輸出電壓U0為負(fù)，電動機(jī)逆時針方向轉(zhuǎn)動，舵葉向著艏艉線方向偏轉(zhuǎn)。當(dāng)回到艏艉線上時，通過反饋機(jī)構(gòu)，R2的滑動點(diǎn)也從a′點(diǎn)返回到0′點(diǎn)電橋又重新恢復(fù)平衡，放大器輸入信號U00′=0，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

改變舵輪的轉(zhuǎn)動方向，便可以改變電動機(jī)旋轉(zhuǎn)和舵葉偏轉(zhuǎn)的方向。隨動操舵的方框圖如圖13-8所示。由方框圖可知，就其工作原理來說，隨動操舵就是一個閉環(huán)的隨動系統(tǒng)，是一個根據(jù)偏差進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的停舵指令不是由操舵人員發(fā)出的，而是在舵葉偏轉(zhuǎn)過程中，由它本身通過反饋機(jī)構(gòu)發(fā)出的。由于閉環(huán)系統(tǒng)中采用了比較環(huán)節(jié)（由兩個電位器組成的電橋）進(jìn)行比較，因此只有當(dāng)舵角反饋信號（與偏舵角β成比例）與操舵信號（分操舵角γ成比例）相等時，偏關(guān)信號U1=0，舵葉才會停止偏轉(zhuǎn)。舵輪從角回互零位，舵葉也從β角回到艏艉線上。圖13-8隨動操舵方框圖隨動操舵的方法是，船舶在偏航右舵，舵輪操右舵XX0，舵葉右Aura′=0，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。舵葉處于右舵與舵輪轉(zhuǎn)角相對應(yīng)13右偏，并自動停在右舵，舵操右舵XX0，舵葉右偏，并且自動停在右舵XX0上。為了減小S形航跡的振幅，船舶在返回正航向過程中，必須操回舵．圖13-8隨動操舵方框圖三、自動操舵工作原理

圖13-9為自動操舵的原理圖。當(dāng)船舶沿給定航向上航行，舵葉在艏艉線上，如圖示，滾輪1恰好與絕緣塊4接觸，兩個繼電器KA1、KA2線圈都不通電，其常開觸頭都開啟，直流發(fā)電機(jī)G磁場電流為零，輸出電壓U0為零，直流電動機(jī)M停轉(zhuǎn)。沿著正航向航行的船舶，當(dāng)受到風(fēng)、水流等外界干擾而向右或左偏轉(zhuǎn)離開正航向K某一角度γ時，通過羅經(jīng)的航向發(fā)送器，使航向接受器也轉(zhuǎn)動同一角度γ，于是被航向接受器帶動的滾輪1也就在兩個導(dǎo)電半圓環(huán)2、3內(nèi)側(cè)滾動某一角度，或與導(dǎo)電半圓環(huán)2接觸，或與3接觸，于是右偏，并自動停在右舵，舵操右舵XX0，舵葉右偏，并且自動停在14于是繼電器KA1或KA2線圈通電，電動機(jī)M正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，視船舶偏離正航向的方向而定。圖13-9自動操舵原理圖

三、自動操舵工作原理圖13-9為自動操舵的原理圖。當(dāng)船舶沿給定航向上航行，舵葉在艏艉線上，如圖示，滾輪1恰好與絕緣塊4接觸，兩個繼電器KA1、KA2線圈都不通電，其常開觸頭都開啟，直流發(fā)電機(jī)G磁場電流為零，輸出電壓U0為零，直流電動機(jī)M停轉(zhuǎn)。沿著正航向航行的船舶，

當(dāng)受到風(fēng)、水流等外界干擾而向右或左偏轉(zhuǎn)離開正航向K某一角度γ時，通過羅經(jīng)的航向發(fā)送器，使航向接受器也轉(zhuǎn)動同一角度γ，于是被航向接受器帶動的滾輪1也就在兩個導(dǎo)電半圓環(huán)2、3內(nèi)側(cè)滾動某一角度，或與導(dǎo)電半圓環(huán)2接觸，或與3接觸，于是繼電器KA1或KA2線圈通電，電動機(jī)M正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，視船舶偏離正航向的方向而定。

于是繼電器KA1或KA2線圈通電，電動機(jī)M正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，視船舶15下面分5個階段（其實(shí)是連續(xù)的）說明船舶因外界干擾偏離正航向K后是如何通過自動舵的作用又重返正航向的。在如圖13-10所示的第一個階段，船舶沿正航向K航行，滾輪1恰好與絕緣塊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K重合，偏航角γ，偏舵角β都為零。第二階段假設(shè)由于受風(fēng)、水流影響，船舶向右偏航，首先航向發(fā)送器使自動操舵儀上的航向接受器（即羅經(jīng)復(fù)示器）同步轉(zhuǎn)動某一角度，并帶動流輪1向左偏轉(zhuǎn)，與左邊導(dǎo)電半圓環(huán)2接觸，電動機(jī)向左轉(zhuǎn)動，舵葉向左偏轉(zhuǎn)，通過舵角反饋同步傳遞機(jī)構(gòu)，即在舵柱上裝發(fā)送器，導(dǎo)電環(huán)上裝接受器的自整角機(jī)同步傳遞系統(tǒng)，使導(dǎo)電環(huán)以相同的方向向左作追隨滾輪的運(yùn)動。這一階段由于外界干擾的持續(xù)存在，開始偏舵時偏舵角很小，舵效不明顯，所以船舶繼續(xù)向右偏航（γ增加），舵葉也繼續(xù)向左偏轉(zhuǎn)（β增加），導(dǎo)電環(huán)繼續(xù)作追隨滾輪的運(yùn)動。第三階段：由于較強(qiáng)的舵效，使船舶偏聽偏信航到某一最大偏航角Φmax而停止偏航，導(dǎo)電環(huán)追上滾輪，即絕緣塊與滾輪接觸，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，偏舵角也達(dá)到最大值βmax。第四階段：船舶在左舵作用下，向正航向K回轉(zhuǎn)，偏航角從Φmax下面分5個階段（其實(shí)是連續(xù)的）說明船舶因外界干擾偏離正航向K16圖13-10自動舵校正航向

而停止偏航，導(dǎo)電環(huán)追上滾輪，即絕緣塊與滾輪接觸，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，偏舵角也達(dá)到最大值βmax。第四階段：船舶在左舵作用下，向正航向K回轉(zhuǎn)，偏航角從Φmax逐漸減小，又通過航向發(fā)送器作用，使?jié)L輪開始與右邊導(dǎo)電環(huán)3接觸，電動機(jī)向右轉(zhuǎn)，舵葉朝著艏艉方向偏轉(zhuǎn)（β減?。?，導(dǎo)電環(huán)向右作追隨滾輪的運(yùn)動。圖13-10自動舵校正航向而停止偏航，導(dǎo)電環(huán)追上滾輪，即17

第五階段：船舶回到正航向K上，導(dǎo)電環(huán)正好追上滾輪，使?jié)L輪處于絕緣塊占，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，舵葉位于艏艉線上。上述連續(xù)的5個階段船舶偏離正航向又重返正航向的航跡如圖13-11所示?？梢姴捎眠@一系統(tǒng)運(yùn)行操舵，能夠使船舶在偏航后有自動恢復(fù)正航向的能力。這就是自動舵的基本原理。圖13-11船舶的航跡曲線把圖13-9所示自動操舵原理圖畫成方框如圖13-12所示。該系統(tǒng)由檢測元件、比較元件、信號變換環(huán)節(jié)、第五階段：船舶回到正航向K上，導(dǎo)電環(huán)正好追上18圖13-11船舶的航跡曲線放大環(huán)節(jié)、執(zhí)行傳動機(jī)構(gòu)和反饋環(huán)節(jié)等組成。系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對象是船，被調(diào)量是航向。檢測元件：用來檢測船舶實(shí)際向Φ相對于正航向K的偏差，也就是偏聽偏信航角Φ，作為系統(tǒng)的偏差信號，在自動保持航向的自動舵中，電羅經(jīng)被用作檢測元件。它即是檢測元件，也是比較環(huán)節(jié)。比較元件：即航向偏差Φ與反饋舵角β進(jìn)行比較的環(huán)節(jié)，在圖13-9中就是兩個導(dǎo)電半圓環(huán)滾輪所構(gòu)成的部件。變換器：把角差信號變換為發(fā)電機(jī)的勵磁電流，作為放大器的輸入信號。放大環(huán)節(jié)：直流發(fā)電機(jī)G就是放大器，輸出為U0，能源是通過交流異步電動機(jī)M把船舶交流電能變?yōu)橹绷麟娔?。?zhí)行機(jī)構(gòu)：他勵直流電動機(jī)M。

通常把舵角反饋稱為內(nèi)反饋，把航向反饋稱為外反饋，所以自動操舵系統(tǒng)是一個具有雙重負(fù)反饋環(huán)節(jié)和兩個比較單無圖13-11船舶的航跡曲線放大環(huán)節(jié)、執(zhí)行傳動機(jī)構(gòu)和反饋環(huán)節(jié)等19閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖13-12自動操舵方框圖閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖13-12自動操舵方框圖20第三節(jié)自動舵的基本類型及其基本要求一、自動舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律從目前世界各國已投入運(yùn)行的船舶來看，所應(yīng)用的自動舵的類型很多，其調(diào)節(jié)規(guī)律更是多種多樣，并且還在不斷的發(fā)展。但從自動舵的發(fā)展過程來看，就其基本閉環(huán)調(diào)節(jié)規(guī)律分類，無非有下列三種。（一）、比例舵其調(diào)節(jié)規(guī)律是以船舶偏航角Φ的大小按比例給偏舵角β，即β=-K1Φ式中，K1為比例系數(shù)，負(fù)號表示偏舵的方向是消除偏航。比例系數(shù)K1可根據(jù)不同船型、裝載量和航速作適當(dāng)調(diào)節(jié)，通常β/Φ=2~3，即第偏航舵2°~3°。比例系數(shù)K1過小或過大，將使偏航振幅加大或偏航振蕩次數(shù)增多，導(dǎo)致航速降低穩(wěn)定性差。這種類型的自動舵，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)簡單，但保持航向的精度較差。（二）、比例—微分舵其調(diào)節(jié)規(guī)律是，以船舶偏航角ψ和偏航角速度dψ/dt按比例給出偏舵角β，即β=-（K1ψ+K2dψ/dt）第三節(jié)自動舵的基本類型及其基本要求一、自動舵的基本類型及其21式中K2微分系數(shù)。微分環(huán)節(jié)檢測偏航角速度（dψ/dt），并給出響應(yīng)的附加偏舷角信號（K2dψ/dt），從而加快航向的調(diào)整過程，提高系統(tǒng)的靈敏度。在船舶開始偏航的初始階段，偏航角較小，而偏航角速度較大，因此使偏舵角和舵效比相同偏航角（ψ）下的比例舵效要大，這就是能有效地阻止船舶進(jìn)一步的偏航。隨著偏舵角的增加，偏航角速度逐漸減小為零，此時的最大偏航角要小于單純比例舵的ψmax。當(dāng)船舶在舵的作用下開始向正航向回轉(zhuǎn)時，偏航角速度逐漸減上，而偏航角速度逐漸增大，但符號相反，使偏舵角等于比例舵角減去微分舵角。在未回到正航向前，兩信號已相減為零，繼續(xù)下去將出現(xiàn)反舵角，因此在船舶回到正航向前已受到所反向舵的作用，從而能有效地阻止因慣性，而向反方向的偏航。通常所說的糾偏舵、穩(wěn)舵角或反舵角等均指微分舵的作用?？梢娂尤胛⒎汁h(huán)節(jié)后使得系統(tǒng)具有“超前”的校正控制作用，即在偏航過程中提前施以最大舵角，在回正航過程中提前施以反舵角，使S航跡的振幅變小，并很快衰退減弱。由于航向振蕩減小，舵機(jī)負(fù)擔(dān)減輕，航速增加，系統(tǒng)靈敏度提高，這將使船舶有更好的營運(yùn)效益。式中K2微分系數(shù)。微分環(huán)節(jié)檢測偏航角速度（dψ/dt），并給22（三）、比例---微分---積分舵其調(diào)節(jié)規(guī)律是以船舶偏航角ψ偏航角速度dΦ/dt和偏航角積分∫ψdt按比例給出偏舵角β，即β=-（K1ψ+K2dψ/dt+K3∫ψdt）式中K3是積分系數(shù)。這種類型的自動舵也稱為比例-積分-微分舵或PID舵。船舶在航行時，常常由于船體和裝載的不對稱，雙槳工作的不對稱以及受單側(cè)風(fēng)和水流等外力的影響，使船舶發(fā)生左、右不對稱的偏航。對稱偏航時，S航跡在正航向兩側(cè)對稱，平均偏航角ψ=0。當(dāng)不對稱偏航時，S航跡在向正航向一側(cè)的擺幅增大，另一側(cè)擺幅減小，使S航跡的軸線方向偏離正航方向，即平均偏航角ψ≠0。船舶單側(cè)力的橫向漂移和小的偏航角（在系統(tǒng)靈敏區(qū)以內(nèi)）都不能被檢測，因而無偏指令，這將使船舶“差之毫厘，失之千里”。但系統(tǒng)加入積分環(huán)節(jié)將對偏航角進(jìn)行積發(fā)并分出與偏航角相應(yīng)的恒定偏舵角指令，利用恒定的偏舵來抵消持續(xù)的外力作用，保證船舶的正航向，這種作用還稱為自動“壓舵”調(diào)節(jié)。在正常的對稱偏航情況下，積分環(huán)節(jié)也能提高航向的穩(wěn)定精度，因?yàn)樗軝z測小的偏航角。由于PID舵是比例、積分和微分的綜合調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此，它是（三）、比例---微分---積分舵23動態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)以及穩(wěn)定性都較好的一種自動檢測系統(tǒng)。國產(chǎn)自動舵以及遠(yuǎn)洋船舶中采用的外國生產(chǎn)的自動舵均有上述三種基本類型的自動舵。無論哪種類型的自動舵，都應(yīng)具有三種操舵方式，正常航行時采用自動操舵，靠離碼頭，進(jìn)出狹窄水道等機(jī)動狀態(tài)應(yīng)能轉(zhuǎn)換為隨動操舵，當(dāng)這兩種操舵方式失靈或在緊急情況下應(yīng)能立即轉(zhuǎn)為應(yīng)急操舵。二、對自動舵的基本要求（一）、要求性能良好1、自動舵在選擇比例舵的比例系數(shù)時，應(yīng)保證一次偏舵角為適當(dāng)?shù)臄?shù)值。當(dāng)船舶偏離給定航向超過靈敏度決定的角度時，自動舵能立即投入工作，使舵葉偏轉(zhuǎn)一定角度，這個初始舵角（一次偏舵角）大小應(yīng)適當(dāng)，過大會降低航速，過小會使轉(zhuǎn)船力矩不足，且不足以使船舶返回到原航向。2、為滿足復(fù)雜的航行要求，常規(guī)自動舵，應(yīng)具有微分舵和積分舵環(huán)節(jié)，使自動舵在調(diào)節(jié)過程中具有良好的動態(tài)性能和靜態(tài)性能。（二）、應(yīng)具備的基本調(diào)節(jié)裝置為使同一型號的自動舵能夠適用于不同排水量、裝載量、航速及舵機(jī)，并能適應(yīng)各種的天氣、海況，必須具有幾種基本調(diào)節(jié)裝置，動態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)以及穩(wěn)定性都較好的一種自動檢測系統(tǒng)。24在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)自動舵系統(tǒng)中某些參數(shù)。各種自動舵系統(tǒng)中，使用的元件不同，調(diào)整方法可能有差別，但其作用相同。1、靈敏度調(diào)節(jié)靈敏度是指自動舵系統(tǒng)開始投入工作時的最小偏航角。靈敏度的調(diào)節(jié)依據(jù)天氣、海況而定，因此亦稱天氣調(diào)節(jié)。在天氣良好風(fēng)平浪靜的情況下，靈敏度要調(diào)高，即系統(tǒng)開始工作的偏航角調(diào)小，使船舶有較高的航向精度。在大風(fēng)大浪的惡劣天氣下，應(yīng)調(diào)低靈敏度，即增大系統(tǒng)的不靈敏區(qū)，因?yàn)榇箫L(fēng)浪下，船舶搖擺較大，即便靈敏度調(diào)高，也不能穩(wěn)定船舶的航向，卻會使自動舵頻繁工作，而加重舵機(jī)磨損。靈敏度調(diào)節(jié)通常采用機(jī)械式游隙元件和電氣元件。游隙元件是利用間隙的大小，造成一定的死區(qū)。電氣元件多采用改變放大器的靈敏度，即改變放大器的固定偏置電壓來實(shí)現(xiàn)的。2、舵角比例調(diào)節(jié)偏舵角與偏航角之比例關(guān)系，稱為舵角比例或舵角比K=β/ψ。舵角比例過小時，轉(zhuǎn)船力矩小，回轉(zhuǎn)性能差，舵角比例過大時，可能使船舶回轉(zhuǎn)過頭，穩(wěn)定性差并會降低航速。因此要求根據(jù)船型、裝載、航速等情況調(diào)節(jié)舵角比例，其實(shí)質(zhì)是對系統(tǒng)反饋系數(shù)的調(diào)節(jié)。在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)自動舵系統(tǒng)中某些參數(shù)。各種自動舵系統(tǒng)中，使用253、反舵角調(diào)節(jié)也稱微分調(diào)節(jié)，自動舵使船舶返回到原航向的過程中，為使船舶作“S”形衰減振蕩。并能盡快的穩(wěn)定下來，自動舵系統(tǒng)應(yīng)給出反舵角（又稱制動舵角、穩(wěn)舵角、阻尼舵角、糾偏舵角）。此舵角的大小應(yīng)根據(jù)船型、裝載等所確定的慣性和天氣情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。4、壓舵調(diào)節(jié)為了糾正船舶由于受到持續(xù)的單側(cè)風(fēng)浪、水流影響及裝載不平衡等而引起的不對稱偏航或單側(cè)偏航，自動舵中設(shè)有自動壓舵（積分舵）或人工壓舵環(huán)節(jié)，并能進(jìn)行調(diào)節(jié)。5、航向調(diào)節(jié)船舶在使用自動操舵航行時，可以通過航向調(diào)節(jié)改變船舶的給定航向，使船舶按新航向航行。一般按小角度逐次調(diào)節(jié)。修正航向時，也可通過此調(diào)節(jié)進(jìn)行。（三）、應(yīng)設(shè)有隨動、應(yīng)急操舵設(shè)備船舶進(jìn)出港，或航行于狹窄航道時，以及遇到緊急情況或者自動操舵失靈的情況下，能立刻轉(zhuǎn)換為隨動或應(yīng)急操舵，保證船舶航行的安全和可靠性。3、反舵角調(diào)節(jié)26第四節(jié)舵機(jī)自動控制系統(tǒng)實(shí)例

安休斯自動操舵儀是比較有代表性的常規(guī)自動操舵儀，它屬于比例—微分—積分控制系統(tǒng)，它有自動操舵方式和隨動操舵方式，為了保證系統(tǒng)的可靠性，自動、隨動操舵系統(tǒng)相互獨(dú)立，各自有獨(dú)立的控制裝置和通道，由操舵方式選擇開關(guān)來轉(zhuǎn)換。當(dāng)一套系統(tǒng)工作時，通過聯(lián)鎖裝置保證另一套系統(tǒng)不工作。一、自動操舵系統(tǒng)的工作原理自動操舵與隨動操舵系統(tǒng)電路如圖12-13所示。自動操舵系統(tǒng)的原理框圖如圖12-14所示。將操縱方式選擇開關(guān)K1轉(zhuǎn)到“自動”（AUTO）位置，航向接收機(jī)第四節(jié)舵機(jī)自動控制系統(tǒng)實(shí)例安休斯自動操舵儀是比較有代表27J1與電羅經(jīng)接通。當(dāng)船舶偏離給定航向時，如向右偏航角，電羅經(jīng)帶動航向發(fā)送器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一個偏航角，通過同步傳送，使航向接收機(jī)J1轉(zhuǎn)動，帶動航向刻度盤指示出偏航角，同時通過差動齒輪帶動信號發(fā)送機(jī)J2轉(zhuǎn)動。J2是一個線性旋轉(zhuǎn)變壓器其線性精度較高，能夠符合舵角反饋電位器的精度要求（電位器線性精度為1﹪）。所以由J2產(chǎn)生一個與偏航角成正比的交流電壓Vφ（偏航信號），經(jīng)相敏整流，輸出直流信號，經(jīng)濾波電路將交流成分濾掉，然后再經(jīng)過靈敏度調(diào)節(jié)電路送入運(yùn)算放大器進(jìn)行比例、微分綜合運(yùn)算。綜合后的信號送到功率放大器，促使控制繼電器CJ5（或CJ6）動作，接通電磁閥線圈T1（或T2），打開電磁閥使舵機(jī)工作，舵葉向左偏轉(zhuǎn)一個β角。J1與電羅經(jīng)接通。當(dāng)船舶偏離給定航向時，如向右偏航角，電羅經(jīng)28船舶舵機(jī)裝置的自動控制系統(tǒng)介紹課件29圖12-13 安修斯型自動操舵電氣原理圖轉(zhuǎn)動。J2是一個線性旋轉(zhuǎn)變壓器其線性精度較高，能夠符合舵角反饋電位器的精度要求（電位器線性精度為1﹪）。所以由J2產(chǎn)生一個與偏航角

成正比的交流電壓Vφ（偏航信號），經(jīng)相敏整流，輸出直流信號，經(jīng)濾波電路將交流成分濾掉，然后再經(jīng)過靈敏度調(diào)節(jié)電路送入運(yùn)算放大器進(jìn)行比例、微分綜合運(yùn)算。綜合后的信號送到功率放大器，促使控制繼電器CJ5（或CJ6）動作，接通電磁閥線圈T1（或T2），打開電磁閥使舵機(jī)工作，舵葉向左偏轉(zhuǎn)一個β角。偏轉(zhuǎn)舵葉時，通過機(jī)械傳動裝置帶動舵角反饋電位器R18的滑動觸點(diǎn)偏轉(zhuǎn)，舵角反饋電橋電路失去平衡，并送出直流反饋信號，經(jīng)過微分電路（其作用是給出積分舵信號）后，進(jìn)入運(yùn)算放大器并與偏航信號綜合運(yùn)算。當(dāng)舵角反饋信號與偏航信號平衡時，放大器輸出為零，繼電器釋放，電磁閥關(guān)閉，舵葉停止轉(zhuǎn)動。在這左偏舵角的作用下，使船舶給定原航向返回。這時J1反轉(zhuǎn)，并帶動J2反轉(zhuǎn)，航向偏差信號Vφ減小，且小于舵角反饋信號，運(yùn)算放大器端的極性改變，則輸出端輸出一個極性相反的操舵信號，使繼電器CJ6（或CJ5）動作，接通另一個電磁閥線圈T2（或T1），舵葉開始回轉(zhuǎn)。當(dāng)船舶回到給定航向時，舵葉也回到艏艉線上。圖12-13 安修斯型自動操舵電氣原理圖30圖13-14自動操舵原理框圖1-航向接收機(jī)J1；2-自動發(fā)送器J2；3-相敏整流器；4-低頻濾波器；5-靈敏度調(diào)節(jié)；6-微分舵環(huán)節(jié)；7-比例舵環(huán)節(jié)；8-運(yùn)算放大器；9-功率放大器；10-執(zhí)行裝置；11-舵角反饋發(fā)送器；12-積分舵環(huán)節(jié)；13-舵葉；13-船二、各環(huán)節(jié)電路和特點(diǎn)（一）、相敏整流電路由二極管D13~D16、電阻R35~R33、負(fù)載電阻R39、變壓器B1的次級繞組組成，其輸入交流電壓信號來自線性旋轉(zhuǎn)變壓器J2。由R39輸出的電壓是脈動的直流電壓。通過R40、C23濾掉交頻分量，得到直流電壓信號，其大小和極性決定于輸入交流偏航信號電壓的大小和相位。（二）、靈敏度調(diào)節(jié)電路圖13-14自動操舵原理框圖二、各環(huán)節(jié)電路和特點(diǎn)31由電阻R41~R53、整流和隔離二極管D19、濾波電容C24、隔離二極管D17、D18、變壓器B1的次級繞組、三層同軸波段開關(guān)K靈等組成。通過電阻R40，R41（或R42）與R43~R47串聯(lián)，利用K靈1、K靈2實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電阻分壓調(diào)節(jié)。由二極管D19、電容C24、電阻R48~R53等組成一個閉鎖環(huán)節(jié)，通過K靈3調(diào)節(jié)5~11檔，在R41、R42上的閉鎖電壓大小，使電路形成一定死區(qū)。當(dāng)航向偏差信號克服閉鎖電壓后，信號才能送到運(yùn)算放大器進(jìn)行綜合運(yùn)算。K靈調(diào)節(jié)時，1~4檔只有電阻串聯(lián)分壓，5~11檔又增加了閉鎖電壓，R48~R52阻值逐漸增大，使閉鎖電壓逐漸增加，所以向高調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)靈敏度逐檔降低。K靈有11檔，使系統(tǒng)靈敏度調(diào)節(jié)范圍很寬。另外還設(shè)有R106~R108可供實(shí)船調(diào)試使用。（三）、舵角反饋信號及比例—微分—積分舵（PID）調(diào)節(jié)電路舵角反饋信號由舵角反饋電橋電路產(chǎn)生。直流電橋的兩臂由電位器R18通過滑動觸點(diǎn)分開，另外兩臂分別由電阻R60、R63和R62、R64組成?；瑒佑|點(diǎn)處于中間位置時（舵葉在艏艉線上），電橋平衡，輸出電壓為零。當(dāng)舵偏轉(zhuǎn)時，滑動觸點(diǎn)偏離中心位置，電橋失去平衡，電阻R61上產(chǎn)生電壓，輸出電壓信號。舵角越大，滑動觸點(diǎn)偏離中心位置越遠(yuǎn)，輸出電壓信號越大；舵偏轉(zhuǎn)方向不同時，改變滑動觸點(diǎn)偏離中心位置的方向，使輸出電壓信號極性改變。由電阻R41~R53、整流和隔離二極管D19、濾波電容C2432在舵角反饋電路中，通過選擇開關(guān)K比，調(diào)節(jié)電阻R66~R70，可改變比例舵的比例系數(shù)。在偏航信號電路中，通過選擇開關(guān)K微，調(diào)節(jié)微分電路的電容C27~C31，可改變微分舵的微分系數(shù)。這時偏航信號與舵角反饋信號輸入到運(yùn)算放大器進(jìn)行綜合運(yùn)算，并獲得比例舵與微分舵。在舵角反饋電路中的電容C33、電阻R65、R70、R57等組成微分電路，形成對偏舵信號的微分計(jì)算（相當(dāng)于前向通道的積分計(jì)算），而取得積分舵角。當(dāng)船舶單側(cè)偏航或不對稱偏航時，引起不對稱偏舵，因此在電容C33上將累積起電壓。不對稱偏航越大，偏航時間越長，C33上累積電壓越高，使舵角反饋信號減小，因此偏舵角加大，這就是偏航積分舵環(huán)節(jié)自動壓舵的基本原理。當(dāng)船舶偏航角或修正航向角過大時，為避免積分環(huán)節(jié)工作，設(shè)有觸點(diǎn)CDZ1自動短接積分舵電路。此外還設(shè)置開關(guān)K積，K積打開時自動舵按PID規(guī)律調(diào)節(jié)，K積閉合時積分舵電路短接，自動操舵按PD規(guī)律調(diào)節(jié)。（四）、功率放大電路由晶體管BG9~BG15等組成的具有開關(guān)特性的功率放大電路，電路中各晶體管都處于開關(guān)特性狀態(tài)。輸入級由BG9和BG10組成。在舵角反饋電路中，通過選擇開關(guān)K比，調(diào)節(jié)電阻R66~R733若運(yùn)算放大器輸出信號為上“+”，則BG9導(dǎo)通，引起B(yǎng)G11、BG12導(dǎo)通，繼電器CJ5吸合，電磁閥T1通電打開，使舵機(jī)向左（或向右）偏舵。若運(yùn)算放大器輸出信號為上“—”，則BG10導(dǎo)通，導(dǎo)致BG13導(dǎo)通，繼電器CJ4吸合，BG15導(dǎo)通，繼電器CJ6吸合，電磁閥T2通電打開，使舵機(jī)向右（或向左）偏舵。為了使左、右偏舵和回零等對稱性好，可以調(diào)節(jié)偏置電路電位器R75、R87或調(diào)節(jié)接地電位器R94。為了保證導(dǎo)通管能可靠導(dǎo)通，截止管能可靠截止，提高開關(guān)電路工作的可靠性，在BG9、BG10的偏置電路中還設(shè)置了繼電器觸頭CJ3-2、CJ4-2，用以調(diào)整BG9、BG10不至于過載、擊穿，從自動信號發(fā)送器J2的輸出電壓中，經(jīng)過D26、D27整流后引入反偏置。當(dāng)偏航過大時，運(yùn)算電路來的偏航信號太大，易于使BF9（或BG10）正向擊穿。為此，引入的偏航信號為負(fù)偏置，對運(yùn)算放大器輸出的信號予以抵消，從而保護(hù)BG9、BG10管。電磁閥電路采用直流電源時，在CJ5、CJ6觸頭電路中設(shè)有滅弧裝置，由電容C45、C46和電阻R102組成。電阻值應(yīng)選擇適當(dāng)，調(diào)整要求是使觸點(diǎn)接通和斷開時的火花大小差不多，且基本看不到為止。一、隨動操舵系統(tǒng)的工作原理若運(yùn)算放大器輸出信號為上“+”，則BG9導(dǎo)通，引起B(yǎng)G11、34

隨動操舵系統(tǒng)框圖12-15所示，電路圖見圖12-13。將操舵方式選擇開關(guān)K1轉(zhuǎn)到隨動（HAND）位置，航向接收機(jī)J1與電羅經(jīng)的聯(lián)接電路被切斷，舵角反饋電位器R18與自動操舵電路的聯(lián)系被切斷，并改接到隨動操舵的電路上，與隨動操舵電位器R17組成電橋電路，由交流電源供電。當(dāng)轉(zhuǎn)動手輪時，帶動R17上的滑動觸點(diǎn)移動一個位置，電橋失去平穩(wěn)，產(chǎn)生相應(yīng)的操舵信號，經(jīng)過靈敏度調(diào)節(jié)電路，進(jìn)入三極管相敏整流放大電路，以差值的形式輸入晶體管、可控硅組成的開關(guān)電路，控制繼電器CJ1或CJ2的通電，從而使電磁閥T1或T2接通，操縱舵機(jī)向左或右偏舵。舵偏轉(zhuǎn)后，帶動舵角反饋電位器R18上的滑動觸點(diǎn)移動，當(dāng)跟隨到相應(yīng)位置時，電橋又達(dá)到平穩(wěn)，操舵信號消失，繼電器斷電，使電磁閥關(guān)閉，舵葉停止轉(zhuǎn)動，取得與手輪對應(yīng)的舵角。圖13-15 隨動操舵原理圖1-隨動發(fā)送器R17；2-信號比較環(huán)節(jié)；3-靈敏度調(diào)節(jié)；4-相敏放大器；5-開關(guān)電路；6-執(zhí)行裝置；7-舵角反饋發(fā)送器R18；8-舵葉隨動操舵系統(tǒng)框圖12-15所示，電路圖見圖12-35

其實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)的電路和特點(diǎn)簡介如下：（一）、比較電路由操舵電位器R17與舵角反饋電位器R18組成的電橋電路，實(shí)現(xiàn)操舵指令信號與舵角反饋信號的比較，由115V50Hz（或60Hz）交流電源供電。電位器R17與操舵手輪通過齒輪傳動相聯(lián)接。轉(zhuǎn)動舵輪即可改變R17上滑動觸點(diǎn)的位置。舵角反饋電位器R18與舵柱通過機(jī)械傳動相聯(lián)接。實(shí)際舵角為00，手輪的指令舵角亦為00時，兩個電位器的滑動觸點(diǎn)在中間位置，電橋平衡，無操舵信號輸出。當(dāng)轉(zhuǎn)動手輪時，改變R17上的滑動觸點(diǎn)位置，兩個滑動觸點(diǎn)間輸出操舵交流電壓信號，隨著舵的偏轉(zhuǎn)，R18上的滑動觸點(diǎn)向?qū)?yīng)的位置跟蹤移動。當(dāng)兩個滑動觸點(diǎn)所處的對應(yīng)位置相同時，電橋重新平衡，操舵信號消失。操舵交流電壓信號的相應(yīng)決定于手輪的轉(zhuǎn)動方向，其大小決定于兩個滑動觸點(diǎn)所處位置差的大小。

（二）、靈敏度調(diào)節(jié)電路整流器ZL1，電阻R2、R3，二極管D1、D2和電位器R4等組成。在沒有隨動操舵信號輸入前，該電路已在R2、R3上預(yù)置了一定的反向電壓，即閉鎖電壓。操舵信號產(chǎn)生后，只有克服了R2（或R3）上的反向電壓，才能輸入變壓器B3的初級。調(diào)節(jié)電位器R4，可以調(diào)節(jié)其實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)的電路和特點(diǎn)簡介如下：36預(yù)置反向電壓的大小，即達(dá)到調(diào)節(jié)隨動操舵的靈敏度。調(diào)節(jié)靈敏度的要求是：操舵時，在最小操舵角下，系統(tǒng)不發(fā)生振蕩。（三）、相敏放大電路由晶體管BG1、BG2等組成三極管全波相敏放大電路。由B2副邊供給交流電壓，基極與發(fā)射極間由B3副邊輸入操舵信號電壓，整流器ZL2提供基極直流偏置。B2與B3同名端如圖中所示。如無操舵信號輸入時，BG1、BG2工作情況完全相同，所以a端與b端的電位相等，即Va=Vb(△Vab=0)無差值信號輸出。當(dāng)輸入隨動操舵信號時，BG1與BG2的工作情況發(fā)生變化，一個導(dǎo)通程度增大，另一個導(dǎo)通程度減小。增減程度決定于操舵信號大?。粚?dǎo)通程度是增還是減決定于輸入操舵信號的相位。由于兩管導(dǎo)通程度不同，a、b兩端的電位不再相等，有差值信號△Vab輸出?！鱒ab的大小極性與操舵信號大小、相位有關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了相敏整流，并予以放大。（四）、開關(guān)電路差值信號△Vab經(jīng)過電感L、電容C3、C4、C5濾波后，加到晶體管BG3、BG4基極上，作為開關(guān)電路的直流輸入信號。開關(guān)電路由BG3~BG6（施密特觸發(fā)器），可控硅SCR1、SCR2，整流器ZL3、ZL4等組成。預(yù)置反向電壓的大小，即達(dá)到調(diào)節(jié)隨動操舵的靈敏度。37整流器ZL3提供了晶體管BG3~BG6的工作電源，ZL4提供可控硅主回路的電源。在無差值信號△Vab輸入時，BG5、BG6導(dǎo)通，在電阻R7、R8上產(chǎn)生電壓降，使BG3、BG4的發(fā)射極電位高于基極電位（接近負(fù)極電位），因而BG3、BG4能可靠截止，而BG5、BG6管集電極電位Vc、Vd較低（R10、R12上有電壓降），穩(wěn)壓管DW1、DW2截止，可控硅SCR1、SCR2因無觸發(fā)信號而截止，繼電器CJ1、CJ2皆不動作，電磁閥不通電。當(dāng)有差值信號△Vab輸入，如Va>Vb時，使BG3通過二極管D10在基極與發(fā)射極間加上正向電壓并導(dǎo)通。而BG4的基極與發(fā)射極間加上反向電壓，使之可靠截止。二極管D9、D10對截止管BG3或BG4起限幅保護(hù)作用。BG3導(dǎo)通后，使BG5的基極與發(fā)射極同電位而截止，c點(diǎn)電位升到電源正極電位，穩(wěn)壓管DW1導(dǎo)通，觸發(fā)可控硅SCR1導(dǎo)通，繼電器CJ1吸合，電磁閥T1通電，舵葉轉(zhuǎn)動，給出左舵。同理，當(dāng)有差值信號Va<Vb時，則BG4導(dǎo)通，引起B(yǎng)G6截止，于是SCR2導(dǎo)通，繼電器CJ2吸合，電磁閥T2通電，舵機(jī)動作，舵葉向反方向轉(zhuǎn)舵，給出右舵。利用可控硅可以構(gòu)成無觸點(diǎn)開關(guān)，如圖中所示。采用雙向可控硅FLS1、FLS2等組成的開關(guān)插件，可以代替有觸點(diǎn)的繼電器CJ1、CJ2繼電器插件，供使用者選擇。整流器ZL3提供了晶體管BG3~BG6的工作電源，ZL4提供38思考題與習(xí)題13-1對船舶舵機(jī)有什么基本要求？13-2船舶舵機(jī)有幾種操舵方式？13-3各種操舵方式有什么特點(diǎn)？13-4什么叫隨動舵？試認(rèn)述其工作原理。13-5什么叫比例-微分舵？它是怎樣迅速使S航跡的振幅衰減到零的？13-6積分環(huán)節(jié)在自動操舵過程中的作用？13-7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？13-8自動操舵儀的組成原理？13-9自動舵基本類型？各種調(diào)節(jié)規(guī)律的性能、特點(diǎn)？13-10自適應(yīng)舵的概念和類型？思考題與習(xí)題13-1對船舶舵機(jī)有什么基本要求？39第十三章船舶舵機(jī)裝置的自動控制系統(tǒng)第一節(jié)舵與舵機(jī)裝置

第二節(jié)操舵方式及基本工作原理第三節(jié)自動舵的基本類型及其基本要求第四節(jié)舵機(jī)自動控制系統(tǒng)事例

思考題與習(xí)題

第十三章船舶舵機(jī)裝置的自動控制系統(tǒng)第一節(jié)40第十三章船舶舵機(jī)裝置的自動控制系統(tǒng)第一節(jié)舵與舵機(jī)裝置目前，絕大多數(shù)船舶都以舵作為保持或改變航向的設(shè)備。舵垂直安裝在螺旋槳的后方。早期船舶都采用平板舵。目前除一些內(nèi)河小船外，為了提高舵效和推進(jìn)效率，大都采用鋼板焊接而成的空心舵，稱為復(fù)板舵。這種舵由于水平截面呈對稱機(jī)翼形，故又稱流線型舵。舵的型式很多，圖13-1示出三種典型的海船用舵。舵葉的偏轉(zhuǎn)由操舵裝置（通常稱舵機(jī)）來控制。舵機(jī)經(jīng)舵柄1將扭矩傳遞到舵桿3上，舵桿3由舵承支承，它穿過船體上的舵桿套筒4帶動舵葉7偏轉(zhuǎn)。舵承固定在船體上，由滑動或滾動軸承及密封填料等到組成此處，舵葉7還可以通過舵銷5支承在舵柱8的舵托9舵鈕6上。舵桿軸線一般就是舵葉的轉(zhuǎn)動軸線。舵桿軸線緊靠舵葉前緣的舵，稱為不平衡舵圖13-1（a）；舵桿軸線位于舵葉前緣后面一定位置的舵稱為平衡舵圖13-1（b）而僅于下半部做成平衡型式的舵稱為半平衡舵圖13-1（c）。

第十三章船舶舵機(jī)裝置的自動控制系統(tǒng)第一節(jié)舵與舵機(jī)411-舵柄；2-上舵軸承；3-下舵軸承；4-舵桿套筒；5-舵銷；6-舵鈕；7-舵葉；8-舵柱；9-舵托；10-舵軸承

后兩種舵在舵桿軸線之前有一定的舵葉面積，轉(zhuǎn)舵時水流作用在它上面產(chǎn)生的扭矩可以抵消一部分軸線后舵葉面積上的扭矩，從而減輕舵機(jī)的負(fù)荷。一、舵的作用原理如圖13-2所示，舵葉處于船舶首尾線上時，水流方向與舵面一致，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)船力矩，船舶保持直線航行。當(dāng)舵葉離開首尾線，向某一航側(cè)偏轉(zhuǎn)一個β角時，因舵葉面現(xiàn)水流流速不同，兩面的壓力不平1-舵柄；2-上舵軸承；3-下舵軸承；4-舵桿套筒；5-舵銷42衡，在舵面上產(chǎn)生與其垂直的壓力F。將F分解為相互垂直的兩個分力F1和F2。其縱向分力F1對船舶航行起制動作用，使船速減低，而橫向分力F2會產(chǎn)生一個使船舶轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)船力矩M。假設(shè)在船舶的重心“0”處加上一對大小相等而方向相反的力，即f1=f2=F2，并與F2平等。則F2與f1組成一個轉(zhuǎn)船力矩M=F2×a，a為F2與f1之間的距離。而f2則引起船舶的橫向漂移。轉(zhuǎn)船力矩在一定的舵角上出現(xiàn)最大值，這個舵角稱為最大舵角。在船舶上通常予以限定的角度（例如350）作為舵機(jī)的最大轉(zhuǎn)舵角。圖13-2舵葉偏轉(zhuǎn)時作用于船舶上的力

現(xiàn)代船舶廣泛采用流線型舵葉。這種舵葉在轉(zhuǎn)舵時所受到的水流壓力F與舵葉面積，船舶速度和舵偏轉(zhuǎn)的角度之間的關(guān)系，符合機(jī)翼升力理論，可用下式表示：衡，在舵面上產(chǎn)生與其垂直的壓力F。將F分解為相互垂直的兩個分43F=9.8CRρ(V2/2)S式中：CR—對舵葉模型試驗(yàn)測得的升力系數(shù)，與翼型及β角有關(guān)：V—船舶速度m/sρ—水的密度kg/m3s—舵葉有效作用面積m2舵角為β時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)船力矩M，可近似用下式表示：M=KSV2sin2β式中：K—常數(shù)。在自動操舵時，舵角β通常采取小舵角，因而sin2β≈2β，則M公式可寫成M=2KSV2sin2β=CV2β式中C=2KS可見轉(zhuǎn)船力矩M近似地與航速的平方成正比；航速越高舵效越好。當(dāng)航速一定時，M與舵角β（小舵角情況下）成正比。二、舵機(jī)裝置圖13-3扇形齒輪傳動機(jī)構(gòu)舵機(jī)按拖動方式，目前主要分為電動機(jī)械傳動舵機(jī)和電動液壓傳動舵機(jī)兩類。舵機(jī)的轉(zhuǎn)舵力矩不僅取決于舵葉上的水流壓力F，而且與舵的結(jié)構(gòu)型式有關(guān)，采用平衡舵可減少舵機(jī)的負(fù)載。船舶舵機(jī)裝置的自動控制系統(tǒng)介紹課件44對于一定型式的舵，轉(zhuǎn)舵力矩在最大舵角時達(dá)最大值，而此值在船舶倒車時更大些。隨著航速和噸位的增加，轉(zhuǎn)舵力矩也將增大。若采用電動舵機(jī)時，傳動裝置將出現(xiàn)體大笨重，因此現(xiàn)代大型遠(yuǎn)洋和近海船上電動液壓舵機(jī)獲得廣泛地應(yīng)用。圖13-3扇形齒輪傳動機(jī)構(gòu)(一)、電動—機(jī)械舵機(jī)裝置圖13-3為扇形齒輪傳動的電動舵機(jī)，它由電動機(jī)1通過連軸節(jié)2帶動蝸桿3和蝸輪4轉(zhuǎn)動，并通過主動齒輪5帶動扇形齒輪6，再經(jīng)過緩沖彈簧7轉(zhuǎn)動舵柄8（在扇形齒輪的下部），從而使舵柱9和舵葉偏轉(zhuǎn)。緩沖彈簧的作用是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。不論是扇形齒輪傳動機(jī)構(gòu)還是蝸桿傳動機(jī)構(gòu)，它們共同的特點(diǎn)都是通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，以很高的減速比把電動機(jī)的高速轉(zhuǎn)動直接傳送對于一定型式的舵，轉(zhuǎn)舵力矩在最大舵角時達(dá)最大值，而此值在船舶45到舵柱的低速偏轉(zhuǎn)。這類舵機(jī)的電力拖動系統(tǒng)常采用直流G-M控制系統(tǒng)。圖13-4液壓舵機(jī)傳動機(jī)構(gòu)電動—液壓舵機(jī)裝置基本上與電動—液壓起貨機(jī)傳動裝置相類似，有雙向變量油泵，由恒速電動機(jī)拖動，提供可逆流向的高壓油。兩者不同之處在于拖動起貨機(jī)卷筒的是可連續(xù)旋轉(zhuǎn)的油馬達(dá)，而轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)則是左、右方向移動的液壓油缸裝置，如圖13-4所示。與舵柄(二)、電動—液壓舵機(jī)裝置鉸鏈的撞桿兩端置入左右高壓油缸內(nèi)，兩油缸與油泵連接，當(dāng)油缸注入高壓油而油缸排出低壓油時，推動撞桿（類似于活塞）向低壓端移動，從而帶動舵柄、舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)。高壓油泵的排量和流向則由操舵系統(tǒng)控制。到舵柱的低速偏轉(zhuǎn)。這類舵機(jī)的電力拖動系統(tǒng)常采用直流G-M控制46三、對舵機(jī)拖動控制系統(tǒng)的技術(shù)要求（一）、從主配電板到舵機(jī)艙應(yīng)采用雙線供電制，并盡可能遠(yuǎn)離分開敷設(shè)（如左、右舷兩路）。在正常情況下應(yīng)急配電板供電時，其中一路可以經(jīng)應(yīng)急配電板供電。駕駛室與舵機(jī)艙的操舵裝置應(yīng)使用同一電源。（二）、舵機(jī)電動機(jī)應(yīng)滿足舵機(jī)的技術(shù)性要求，并能保證堵轉(zhuǎn)1min的要求。（三）、拖動電動機(jī)組應(yīng)采用雙機(jī)系統(tǒng)，各機(jī)組可單獨(dú)運(yùn)行（一機(jī)組為備用），也可同時運(yùn)行。一機(jī)組故障礙時，另一機(jī)組應(yīng)能自動投入運(yùn)行。（四）、至少設(shè)有駕駛室和舵機(jī)艙兩個控制站，并設(shè)有轉(zhuǎn)換裝置，防止兩地同時操縱。（五）、現(xiàn)代船舶駕駛室多裝有操舵儀，一般設(shè)有自動、隨動、應(yīng)急三種操舵方式，也可只設(shè)兩種。（六）、船舶處于最深航海吃水并以最大營運(yùn)航速前進(jìn)時，不僅能滿足舵自一舷350轉(zhuǎn)至另一舷350的最大舵角要求，還應(yīng)滿足自任一舷350轉(zhuǎn)至另一舷300的時間不超過28s的轉(zhuǎn)舵速度要求。（七）、舵角指示器指示舵角的誤差應(yīng)不大于±10。三、對舵機(jī)拖動控制系統(tǒng)的技術(shù)要求47（八）、保護(hù)和報(bào)警裝置：設(shè)有舵葉偏轉(zhuǎn)限位開關(guān)，實(shí)現(xiàn)極限位置自動停舵；電源失壓報(bào)警裝置；過載聲光報(bào)警，但無過載保護(hù)裝置；采用自動操舵裝置時，應(yīng)設(shè)有航向超過允許偏差的自動報(bào)警裝置。（八）、保護(hù)和報(bào)警裝置：設(shè)有舵葉偏轉(zhuǎn)限位開關(guān)，實(shí)現(xiàn)極限位置自48第二節(jié) 操舵方式及基本工作原理圖13-5單動操舵原理圖一、單動操舵的工作原理單動操舵也就是通過轉(zhuǎn)換開關(guān)SA運(yùn)行的應(yīng)急操舵，其示意圖如圖13-5所示。船舶交流電源經(jīng)整流后，向差復(fù)勵直流發(fā)電機(jī)G、直流電動M他勵繞組JG—KG、J′G—K′G、JM—KM供電。在有負(fù)載情況下，發(fā)電機(jī)串勵繞組JGS—KGS通過電流Ia產(chǎn)生的磁勢總是與他勵繞組JG—KG（或J‘G—K’

G）所產(chǎn)生的磁勢反方向。當(dāng)船舶向左偏航需要操右舵予以校正時，將手柄開關(guān)扳到右位，J‘G—K’G通勵磁電流，G輸出電壓U0輸出電流Ia為正，M順時針方向轉(zhuǎn)動（n0>0）,經(jīng)過減速比很高的蝸輪一扇形齒輪傳動機(jī)構(gòu)，使舵葉右偏β（β>0）。當(dāng)右偏到符合要求的角度（由舵角指示器，

第二節(jié) 操舵方式及基本工作原理圖13-5單動操舵原理圖一、49求的角度（由舵角指示器觀測）時，把手柄開關(guān)恢復(fù)零位，發(fā)電機(jī)勵磁電流：輸出電壓消失，舵葉就停在右舵某一角度上。在船舶逐漸回到正航各的過程中，必須回舵。回航時將手柄開關(guān)板到左邊，JG-KG通勵磁電流（與前者反方向），電動機(jī)逆時針方向轉(zhuǎn)動（n0<0），偏舵角逐漸減小，舵葉逐漸按近艏艉線，當(dāng)β=0時，手柄開關(guān)也應(yīng)恢復(fù)零位。此時，船舶也回到正航向（即ψ=0，由分羅徑觀測）上。當(dāng)船舶向右偏航要操左舵予以較正時，與上述操作相反。 單動操舵的操作方法可以歸納為：手扳舵轉(zhuǎn)，復(fù)零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。圖13-6單動操舵方框圖求的角度（由舵角指示器觀測）時，把手柄開關(guān)恢復(fù)零位，發(fā)電機(jī)勵50單動操舵的方框圖如圖13-6所示。從方框圖中可以看出，人在單動操舵過程中的作用就是觀察分羅徑的航ψ和舵角指示器的偏航角β，再根據(jù)上述操舵方法進(jìn)行操作，所以單動操舵機(jī)構(gòu)雖然簡單，但操縱過程卻顯得很麻煩，而且需要熟練的操舵經(jīng)驗(yàn)，否則將使船舶沿固定航向左右擺動的幅度太大。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。二、隨動操舵工作原理圖13-7所示為隨動操舵的原理圖。當(dāng)操舵手輪和舵葉分別在零位和艏艉線上時，由舵輪帶動的發(fā)送電位器R1和由裝在舵柱上的同步傳遞機(jī)構(gòu)中的接受機(jī)帶動的反饋電位器R2的滑動點(diǎn)在等電位0和0，電橋處于平衡狀態(tài)，放大器輸入信號U00為零，差復(fù)勵發(fā)電機(jī)G的勵磁電流IfG為零，他勵電動機(jī)M停止不轉(zhuǎn)。當(dāng)舵輪向右轉(zhuǎn)過某一角度，例如使發(fā)送電位器R1的滑動點(diǎn)從0點(diǎn)移至a點(diǎn)，電橋平衡被破壞，放大器輸入信號Ua0>0,發(fā)電機(jī)勵磁電流IfG和輸出電壓U0為正，電動機(jī)順時針方向轉(zhuǎn)動，操右舵。在舵葉右偏的過程中，通過舵角反饋同步傳遞機(jī)構(gòu)的接受機(jī)帶動反饋電位器R2的滑動點(diǎn)從0′不斷地向a′點(diǎn)作追隨運(yùn)動，圖13-7隨動操舵原理圖直至到達(dá)a′點(diǎn)，電橋又重新處于平衡狀態(tài)，放大器輸入信號單動操舵的方框圖如圖13-6所示。從方框圖中可以看出，人在單51Aura′=0，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。舵葉處于右舵與舵輪轉(zhuǎn)角相對應(yīng)的某一角度的位置上。如果要求回舵，就得舵輪扳回零位，R1的滑動點(diǎn)從a點(diǎn)重新返回到0點(diǎn)，電橋平衡又被破壞，但這時放大器的輸入信號U0a′<0，發(fā)電機(jī)勵磁電流IfG和輸出電壓U0為負(fù)，電動機(jī)逆時針方向轉(zhuǎn)動，舵葉向著艏艉線方向偏轉(zhuǎn)。當(dāng)回到艏艉線上時，通過反饋機(jī)構(gòu)，R2的滑動點(diǎn)也從a′點(diǎn)返回到0′點(diǎn)電橋又重新恢復(fù)平衡，放大器輸入信號U00′=0，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

改變舵輪的轉(zhuǎn)動方向，便可以改變電動機(jī)旋轉(zhuǎn)和舵葉偏轉(zhuǎn)的方向。隨動操舵的方框圖如圖13-8所示。由方框圖可知，就其工作原理來說，隨動操舵就是一個閉環(huán)的隨動系統(tǒng)，是一個根據(jù)偏差進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的停舵指令不是由操舵人員發(fā)出的，而是在舵葉偏轉(zhuǎn)過程中，由它本身通過反饋機(jī)構(gòu)發(fā)出的。由于閉環(huán)系統(tǒng)中采用了比較環(huán)節(jié)（由兩個電位器組成的電橋）進(jìn)行比較，因此只有當(dāng)舵角反饋信號（與偏舵角β成比例）與操舵信號（分操舵角γ成比例）相等時，偏關(guān)信號U1=0，舵葉才會停止偏轉(zhuǎn)。舵輪從角回互零位，舵葉也從β角回到艏艉線上。圖13-8隨動操舵方框圖隨動操舵的方法是，船舶在偏航右舵，舵輪操右舵XX0，舵葉右Aura′=0，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。舵葉處于右舵與舵輪轉(zhuǎn)角相對應(yīng)52右偏，并自動停在右舵，舵操右舵XX0，舵葉右偏，并且自動停在右舵XX0上。為了減小S形航跡的振幅，船舶在返回正航向過程中，必須操回舵．圖13-8隨動操舵方框圖三、自動操舵工作原理

圖13-9為自動操舵的原理圖。當(dāng)船舶沿給定航向上航行，舵葉在艏艉線上，如圖示，滾輪1恰好與絕緣塊4接觸，兩個繼電器KA1、KA2線圈都不通電，其常開觸頭都開啟，直流發(fā)電機(jī)G磁場電流為零，輸出電壓U0為零，直流電動機(jī)M停轉(zhuǎn)。沿著正航向航行的船舶，當(dāng)受到風(fēng)、水流等外界干擾而向右或左偏轉(zhuǎn)離開正航向K某一角度γ時，通過羅經(jīng)的航向發(fā)送器，使航向接受器也轉(zhuǎn)動同一角度γ，于是被航向接受器帶動的滾輪1也就在兩個導(dǎo)電半圓環(huán)2、3內(nèi)側(cè)滾動某一角度，或與導(dǎo)電半圓環(huán)2接觸，或與3接觸，于是右偏，并自動停在右舵，舵操右舵XX0，舵葉右偏，并且自動停在53于是繼電器KA1或KA2線圈通電，電動機(jī)M正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，視船舶偏離正航向的方向而定。圖13-9自動操舵原理圖

三、自動操舵工作原理圖13-9為自動操舵的原理圖。當(dāng)船舶沿給定航向上航行，舵葉在艏艉線上，如圖示，滾輪1恰好與絕緣塊4接觸，兩個繼電器KA1、KA2線圈都不通電，其常開觸頭都開啟，直流發(fā)電機(jī)G磁場電流為零，輸出電壓U0為零，直流電動機(jī)M停轉(zhuǎn)。沿著正航向航行的船舶，

當(dāng)受到風(fēng)、水流等外界干擾而向右或左偏轉(zhuǎn)離開正航向K某一角度γ時，通過羅經(jīng)的航向發(fā)送器，使航向接受器也轉(zhuǎn)動同一角度γ，于是被航向接受器帶動的滾輪1也就在兩個導(dǎo)電半圓環(huán)2、3內(nèi)側(cè)滾動某一角度，或與導(dǎo)電半圓環(huán)2接觸，或與3接觸，于是繼電器KA1或KA2線圈通電，電動機(jī)M正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，視船舶偏離正航向的方向而定。

于是繼電器KA1或KA2線圈通電，電動機(jī)M正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，視船舶54下面分5個階段（其實(shí)是連續(xù)的）說明船舶因外界干擾偏離正航向K后是如何通過自動舵的作用又重返正航向的。在如圖13-10所示的第一個階段，船舶沿正航向K航行，滾輪1恰好與絕緣塊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K重合，偏航角γ，偏舵角β都為零。第二階段假設(shè)由于受風(fēng)、水流影響，船舶向右偏航，首先航向發(fā)送器使自動操舵儀上的航向接受器（即羅經(jīng)復(fù)示器）同步轉(zhuǎn)動某一角度，并帶動流輪1向左偏轉(zhuǎn)，與左邊導(dǎo)電半圓環(huán)2接觸，電動機(jī)向左轉(zhuǎn)動，舵葉向左偏轉(zhuǎn)，通過舵角反饋同步傳遞機(jī)構(gòu)，即在舵柱上裝發(fā)送器，導(dǎo)電環(huán)上裝接受器的自整角機(jī)同步傳遞系統(tǒng)，使導(dǎo)電環(huán)以相同的方向向左作追隨滾輪的運(yùn)動。這一階段由于外界干擾的持續(xù)存在，開始偏舵時偏舵角很小，舵效不明顯，所以船舶繼續(xù)向右偏航（γ增加），舵葉也繼續(xù)向左偏轉(zhuǎn)（β增加），導(dǎo)電環(huán)繼續(xù)作追隨滾輪的運(yùn)動。第三階段：由于較強(qiáng)的舵效，使船舶偏聽偏信航到某一最大偏航角Φmax而停止偏航，導(dǎo)電環(huán)追上滾輪，即絕緣塊與滾輪接觸，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，偏舵角也達(dá)到最大值βmax。第四階段：船舶在左舵作用下，向正航向K回轉(zhuǎn)，偏航角從Φmax下面分5個階段（其實(shí)是連續(xù)的）說明船舶因外界干擾偏離正航向K55圖13-10自動舵校正航向

而停止偏航，導(dǎo)電環(huán)追上滾輪，即絕緣塊與滾輪接觸，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，偏舵角也達(dá)到最大值βmax。第四階段：船舶在左舵作用下，向正航向K回轉(zhuǎn)，偏航角從Φmax逐漸減小，又通過航向發(fā)送器作用，使?jié)L輪開始與右邊導(dǎo)電環(huán)3接觸，電動機(jī)向右轉(zhuǎn)，舵葉朝著艏艉方向偏轉(zhuǎn)（β減小），導(dǎo)電環(huán)向右作追隨滾輪的運(yùn)動。圖13-10自動舵校正航向而停止偏航，導(dǎo)電環(huán)追上滾輪，即56

第五階段：船舶回到正航向K上，導(dǎo)電環(huán)正好追上滾輪，使?jié)L輪處于絕緣塊占，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，舵葉位于艏艉線上。上述連續(xù)的5個階段船舶偏離正航向又重返正航向的航跡如圖13-11所示。可見采用這一系統(tǒng)運(yùn)行操舵，能夠使船舶在偏航后有自動恢復(fù)正航向的能力。這就是自動舵的基本原理。圖13-11船舶的航跡曲線把圖13-9所示自動操舵原理圖畫成方框如圖13-12所示。該系統(tǒng)由檢測元件、比較元件、信號變換環(huán)節(jié)、第五階段：船舶回到正航向K上，導(dǎo)電環(huán)正好追上57圖13-11船舶的航跡曲線放大環(huán)節(jié)、執(zhí)行傳動機(jī)構(gòu)和反饋環(huán)節(jié)等組成。系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對象是船，被調(diào)量是航向。檢測元件：用來檢測船舶實(shí)際向Φ相對于正航向K的偏差，也就是偏聽偏信航角Φ，作為系統(tǒng)的偏差信號，在自動保持航向的自動舵中，電羅經(jīng)被用作檢測元件。它即是檢測元件，也是比較環(huán)節(jié)。比較元件：即航向偏差Φ與反饋舵角β進(jìn)行比較的環(huán)節(jié)，在圖13-9中就是兩個導(dǎo)電半圓環(huán)滾輪所構(gòu)成的部件。變換器：把角差信號變換為發(fā)電機(jī)的勵磁電流，作為放大器的輸入信號。放大環(huán)節(jié)：直流發(fā)電機(jī)G就是放大器，輸出為U0，能源是通過交流異步電動機(jī)M把船舶交流電能變?yōu)橹绷麟娔?。?zhí)行機(jī)構(gòu)：他勵直流電動機(jī)M。

通常把舵角反饋稱為內(nèi)反饋，把航向反饋稱為外反饋，所以自動操舵系統(tǒng)是一個具有雙重負(fù)反饋環(huán)節(jié)和兩個比較單無圖13-11船舶的航跡曲線放大環(huán)節(jié)、執(zhí)行傳動機(jī)構(gòu)和反饋環(huán)節(jié)等58閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖13-12自動操舵方框圖閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖13-12自動操舵方框圖59第三節(jié)自動舵的基本類型及其基本要求一、自動舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律從目前世界各國已投入運(yùn)行的船舶來看，所應(yīng)用的自動舵的類型很多，其調(diào)節(jié)規(guī)律更是多種多樣，并且還在不斷的發(fā)展。但從自動舵的發(fā)展過程來看，就其基本閉環(huán)調(diào)節(jié)規(guī)律分類，無非有下列三種。（一）、比例舵其調(diào)節(jié)規(guī)律是以船舶偏航角Φ的大小按比例給偏舵角β，即β=-K1Φ式中，K1為比例系數(shù)，負(fù)號表示偏舵的方向是消除偏航。比例系數(shù)K1可根據(jù)不同船型、裝載量和航速作適當(dāng)調(diào)節(jié)，通常β/Φ=2~3，即第偏航舵2°~3°。比例系數(shù)K1過小或過大，將使偏航振幅加大或偏航振蕩次數(shù)增多，導(dǎo)致航速降低穩(wěn)定性差。這種類型的自動舵，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)簡單，但保持航向的精度較差。（二）、比例—微分舵其調(diào)節(jié)規(guī)律是，以船舶偏航角ψ和偏航角速度dψ/dt按比例給出偏舵角β，即β=-（K1ψ+K2dψ/dt）第三節(jié)自動舵的基本類型及其基本要求一、自動舵的基本類型及其60式中K2微分系數(shù)。微分環(huán)節(jié)檢測偏航角速度（dψ/dt），并給出響應(yīng)的附加偏舷角信號（K2dψ/dt），從而加快航向的調(diào)整過程，提高系統(tǒng)的靈敏度。在船舶開始偏航的初始階段，偏航角較小，而偏航角速度較大，因此使偏舵角和舵效比相同偏航角（ψ）下的比例舵效要大，這就是能有效地阻止船舶進(jìn)一步的偏航。隨著偏舵角的增加，偏航角速度逐漸減小為零，此時的最大偏航角要小于單純比例舵的ψmax。當(dāng)船舶在舵的作用下開始向正航向回轉(zhuǎn)時，偏航角速度逐漸減上，而偏航角速度逐漸增大，但符號相反，使偏舵角等于比例舵角減去微分舵角。在未回到正航向前，兩信號已相減為零，繼續(xù)下去將出現(xiàn)反舵角，因此在船舶回到正航向前已受到所反向舵的作用，從而能有效地阻止因慣性，而向反方向的偏航。通常所說的糾偏舵、穩(wěn)舵角或反舵角等均指微分舵的作用?？梢娂尤胛⒎汁h(huán)節(jié)后使得系統(tǒng)具有“超前”的校正控制作用，即在偏航過程中提前施以最大舵角，在回正航過程中提前施以反舵角，使S航跡的振幅變小，并很快衰退減弱。由于航向振蕩減小，舵機(jī)負(fù)擔(dān)減輕，航速增加，系統(tǒng)靈敏度提高，這將使船舶有更好的營運(yùn)效益。式中K2微分系數(shù)。微分環(huán)節(jié)檢測偏航角速度（dψ/dt），并給61（三）、比例---微分---積分舵其調(diào)節(jié)規(guī)律是以船舶偏航角ψ偏航角速度dΦ/dt和偏航角積分∫ψdt按比例給出偏舵角β，即β=-（K1ψ+K2dψ/dt+K3∫ψdt）式中K3是積分系數(shù)。這種類型的自動舵也稱為比例-積分-微分舵或PID舵。船舶在航行時，常常由于船體和裝載的不對稱，雙槳工作的不對稱以及受單側(cè)風(fēng)和水流等外力的影響，使船舶發(fā)生左、右不對稱的偏航。對稱偏航時，S航跡在正航向兩側(cè)對稱，平均偏航角ψ=0。當(dāng)不對稱偏航時，S航跡在向正航向一側(cè)的擺幅增大，另一側(cè)擺幅減小，使S航跡的軸線方向偏離正航方向，即平均偏航角ψ≠0。船舶單側(cè)力的橫向漂移和小的偏航角（在系統(tǒng)靈敏區(qū)以內(nèi)）都不能被檢測，因而無偏指令，這將使船舶“差之毫厘，失之千里”。但系統(tǒng)加入積分環(huán)節(jié)將對偏航角進(jìn)行積發(fā)并分出與偏航角相應(yīng)的恒定偏舵角指令，利用恒定的偏舵來抵消持續(xù)的外力作用，保證船舶的正航向，這種作用還稱為自動“壓舵”調(diào)節(jié)。在正常的對稱偏航情況下，積分環(huán)節(jié)也能提高航向的穩(wěn)定精度，因?yàn)樗軝z測小的偏航角。由于PID舵是比例、積分和微分的綜合調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此，它是（三）、比例---微分---積分舵62動態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)以及穩(wěn)定性都較好的一種自動檢測系統(tǒng)。國產(chǎn)自動舵以及遠(yuǎn)洋船舶中采用的外國生產(chǎn)的自動舵均有上述三種基本類型的自動舵。無論哪種類型的自動舵，都應(yīng)具有三種操舵方式，正常航行時采用自動操舵，靠離碼頭，進(jìn)出狹窄水道等機(jī)動狀態(tài)應(yīng)能轉(zhuǎn)換為隨動操舵，當(dāng)這兩種操舵方式失靈或在緊急情況下應(yīng)能立即轉(zhuǎn)為應(yīng)急操舵。二、對自動舵的基本要求（一）、要求性能良好1、自動舵在選擇比例舵的比例系數(shù)時，應(yīng)保證一次偏舵角為適當(dāng)?shù)臄?shù)值。當(dāng)船舶偏離給定航向超過靈敏度決定的角度時，自動舵能立即投入工作，使舵葉偏轉(zhuǎn)一定角度，這個初始舵角（一次偏舵角）大小應(yīng)適當(dāng)，過大會降低航速，過小會使轉(zhuǎn)船力矩不足，且不足以使船舶返回到原航向。2、為滿足復(fù)雜的航行要求，常規(guī)自動舵，應(yīng)具有微分舵和積分舵環(huán)節(jié)，使自動舵在調(diào)節(jié)過程中具有良好的動態(tài)性能和靜態(tài)性能。（二）、應(yīng)具備的基本調(diào)節(jié)裝置為使同一型號的自動舵能夠適用于不同排水量、裝載量、航速及舵機(jī)，并能適應(yīng)各種的天氣、海況，必須具有幾種基本調(diào)節(jié)裝置，動態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)以及穩(wěn)定性都較好的一種自動檢測系統(tǒng)。63在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)自動舵系統(tǒng)中某些參數(shù)。各種自動舵系統(tǒng)中，使用的元件不同，調(diào)整方法可能有差別，但其作用相同。1、靈敏度調(diào)節(jié)靈敏度是指自動舵系統(tǒng)開始投入工作時的最小偏航角。靈敏度的調(diào)節(jié)依據(jù)天氣、海況而定，因此亦稱天氣調(diào)節(jié)。在天氣良好風(fēng)平浪靜的情況下，靈敏度要調(diào)高，即系統(tǒng)開始工作的偏航角調(diào)小，使船舶有較高的航向精度。在大風(fēng)大浪的惡劣天氣下，應(yīng)調(diào)低靈敏度，即增大系統(tǒng)的不靈敏區(qū)，因?yàn)榇箫L(fēng)浪下，船舶搖擺較大，即便靈敏度調(diào)高，也不能穩(wěn)定船舶的航向，卻會使自動舵頻繁工作，而加重舵機(jī)磨損。靈敏度調(diào)節(jié)通常采用機(jī)械式游隙元件和電氣元件。游隙元件是利用間隙的大小，造成一定的死區(qū)。電氣元件多采用改變放大器的靈敏度，即改變放大器的固定偏置電壓來實(shí)現(xiàn)的。2、舵角比例調(diào)節(jié)偏舵角與偏航角之比例關(guān)系，稱為舵角比例或舵角比K=β/ψ。舵角比例過小時，轉(zhuǎn)船力矩小，回轉(zhuǎn)性能差，舵角比例過大時，可能使船舶回轉(zhuǎn)過頭，穩(wěn)定性差并會降低航速。因此要求根據(jù)船型、裝載、航速等情況調(diào)節(jié)舵角比例，其實(shí)質(zhì)是對系統(tǒng)反饋系數(shù)的調(diào)節(jié)。在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)自動舵系統(tǒng)中某些參數(shù)。各種自動舵系統(tǒng)中，使用643、反舵角調(diào)節(jié)也稱微分調(diào)節(jié)，自動舵使船舶返回到原航向的過程中，為使船舶作“S”形衰減振蕩。并能盡快的穩(wěn)定下來，自動舵系統(tǒng)應(yīng)給出反舵角（又稱制動舵角、穩(wěn)舵角、阻尼舵角、糾偏舵角）。此舵角的大小應(yīng)根據(jù)船型、裝載等所確定的慣性和天氣情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。4、壓舵調(diào)節(jié)為了糾正船舶由于受到持續(xù)的單側(cè)風(fēng)浪、水流影響及裝載不平衡等而引起的不對稱偏航或單側(cè)偏航，自動舵中設(shè)有自動壓舵（積分舵）或人工壓舵環(huán)節(jié)，并能進(jìn)行調(diào)節(jié)。5、航向調(diào)節(jié)船舶在使用自動操舵航行時，可以通過航向調(diào)節(jié)改變船舶的給定航向，使船舶按新航向航行。一般按小角度逐次調(diào)節(jié)。修正航向時，也可通過此調(diào)節(jié)進(jìn)行。（三）、應(yīng)設(shè)有隨動、應(yīng)急操舵設(shè)備船舶進(jìn)出港，或航行于狹窄航道時，以及遇到緊急情況或者自動操舵失靈的情況下，能立刻轉(zhuǎn)換為隨動或應(yīng)急操舵，保證船舶航行的安全和可靠性。3、反舵角調(diào)節(jié)65第四節(jié)舵機(jī)自動控制系統(tǒng)實(shí)例

安休斯自動操舵儀是比較有代表性的常規(guī)自動操舵儀，它屬于比例—微分—積分控制系統(tǒng)，它有自動操舵方式和隨動操舵方式，為了保證系統(tǒng)的可靠性，自動、隨動操舵系統(tǒng)相互獨(dú)立，各自有獨(dú)立的控制裝置和通道，由操舵方式選擇開關(guān)來轉(zhuǎn)換。當(dāng)一套系統(tǒng)工作時，通過聯(lián)鎖裝置保證另一套系統(tǒng)不工作。一、自動操舵系統(tǒng)的工作原理自動操舵與隨動操舵系統(tǒng)電路如圖12-13所示。自動操舵系統(tǒng)的原理框圖如圖12-14所示。將操縱方式選擇開關(guān)K1轉(zhuǎn)到“自動”（AUTO）位置，航向接收機(jī)第四節(jié)舵機(jī)自動控制系統(tǒng)實(shí)例安休斯自動操舵儀是比較有代表66J1與電羅經(jīng)接通。當(dāng)船舶偏離給定航向時，如向右偏航角，電羅經(jīng)帶動航向發(fā)送器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一個偏航角，通過同步傳送，使航向接收機(jī)J1轉(zhuǎn)動，帶動航向刻度盤指示出偏航角，同時通過差動齒輪帶動信號發(fā)送機(jī)J2轉(zhuǎn)動。J2是一個線性旋轉(zhuǎn)變壓器其線性精度較高，能夠符合舵角反饋電位器的精度要求（電位器線性精度為1﹪）。所以由J2產(chǎn)生一個與偏航角成正比的交流電壓Vφ（偏航信號），經(jīng)相敏整流，輸出直流信號，經(jīng)濾波電路將交流成分濾掉，然后再經(jīng)過靈敏度調(diào)節(jié)電路送入運(yùn)算放大器進(jìn)行比例、微分綜合運(yùn)算。綜合后的信號送到功率放大器，促使控制繼電器CJ5（或CJ6）動作，接通電磁閥線圈T1（或T2），打開電磁閥使舵機(jī)工作，舵葉向左偏轉(zhuǎn)一個β角。J1與電羅經(jīng)接通。當(dāng)船舶偏離給定航向時，如向右偏航角，電羅經(jīng)67船舶舵機(jī)裝置的自動控制系統(tǒng)介紹課件68圖12-13 安修斯型自動操舵電氣原理圖轉(zhuǎn)動。J2是一個線性旋轉(zhuǎn)變壓器其線性精度較高，能夠符合舵角反饋電位器的精度要求（電位器線性精度為1﹪）。所以由J2產(chǎn)生一個與偏航角

成正比的交流電壓Vφ（偏航信號），經(jīng)相敏整流，輸出直流信號，經(jīng)濾波電路將交流成分濾掉，然后再經(jīng)過靈敏度調(diào)節(jié)電路送入運(yùn)算放大器進(jìn)行比例、微分綜合運(yùn)算。綜合后的信號送到功率放大器，促使控制繼電器CJ5（或CJ6）動作，接通電磁閥線圈T1（或T2），打開電磁閥使舵機(jī)工作，舵葉向左偏轉(zhuǎn)一個β角。偏轉(zhuǎn)舵葉時，通過機(jī)械傳動裝置帶動舵角反饋電位器R18的滑動觸點(diǎn)偏轉(zhuǎn)，舵角反饋電橋電路失去平衡，并送出直流反饋信號，經(jīng)過微分電路（其作用是給出積分舵信號）后，進(jìn)入運(yùn)算放大器并與偏航信號綜合運(yùn)算。當(dāng)舵角反饋信號與偏航信號平衡時，放大器輸出為零，繼電器釋放，電磁閥關(guān)閉，舵葉停止轉(zhuǎn)動。在這左偏舵角的作用下，使船舶給定原航向返回。這時J1反轉(zhuǎn)，并帶動J2反轉(zhuǎn)，航向偏差信號Vφ減小，且小于舵角反饋信號，運(yùn)算放大器端的極性改變，則輸出端輸出一個極性相反的操舵信號，使繼電器CJ6（或CJ5）動作，接通另一個電磁閥線圈T2（或T1），舵葉開始回轉(zhuǎn)。當(dāng)船舶回到給定航向時，舵葉也回到艏艉線上。圖12-13 安修斯型自動操舵電氣原理圖69圖13-14自動操舵原理框圖1-航向接收機(jī)J1；2-自動發(fā)送器J2；3-相敏整流器；4-低頻濾波器；5-靈敏度調(diào)節(jié)；6-微分舵環(huán)節(jié)；7-比例舵環(huán)節(jié)；8-運(yùn)算放大器；9-功率放大器；10-執(zhí)行裝置；11-舵角反饋發(fā)送器；12-積分舵環(huán)節(jié)；13-舵葉；13-船二、各環(huán)節(jié)電路和特點(diǎn)（一）、相敏整流電路由二極管D13~D16、電阻R35~R33、負(fù)載電阻R39、變壓器B1的次級繞組組成，其輸入交流電壓信號來自線性旋轉(zhuǎn)變壓器J2。由R39輸出的電壓是脈動的直流電壓。通過R40、C23濾掉交頻分量，得到直流電壓信號，其大小和極性決定于輸入交流偏航信號電壓的大小和相位。（二）、靈敏度調(diào)節(jié)電路圖13-14自動操舵原理框圖二、各環(huán)節(jié)電路和特點(diǎn)70由電阻R41~R53、整流和隔離二極管D19、濾波電容C24、隔離二極管D17、D18、變壓器B1的次級繞組、三層同軸波段開關(guān)K靈等組成。通過電阻R40，R41（或R42）與R43~R47串聯(lián)，利用K靈1、K靈2實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電阻分壓調(diào)節(jié)。由二極管D19、電容C24、電阻R48~R53等組成一個閉鎖環(huán)節(jié)，通過K靈3調(diào)節(jié)5~11檔，在R41、R42上的閉鎖電壓大小，使電路形成一定死區(qū)。當(dāng)航向偏差信號克服閉鎖電壓后，信號才能送到運(yùn)算放大器進(jìn)行綜合運(yùn)算。K靈調(diào)節(jié)時，1~4檔只有電阻串聯(lián)分壓，5~11檔又增加了閉鎖電壓，R48~R52阻值逐漸增大，使閉鎖電壓逐漸增加，所以向高調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)靈敏度逐檔降低。K靈有11檔，使系統(tǒng)靈敏度調(diào)節(jié)范圍很寬。另外還設(shè)有R106~R108可供實(shí)船調(diào)試使用。（三）、舵角反饋信號及比例—微分—積分舵（PID）調(diào)節(jié)電路舵角反饋信號由舵角反饋電橋電路產(chǎn)生。直流電橋的兩臂由電位器R18通過滑動觸點(diǎn)分開，另外兩臂分別由電阻R60、R63和R62、R64組成?；瑒佑|點(diǎn)處于中間位置時（舵葉在艏艉線上），電橋平衡，輸出電壓為零。當(dāng)舵偏轉(zhuǎn)時，滑動觸點(diǎn)偏離中心位置，電橋失去平衡，電阻R61上產(chǎn)生電壓，輸出電壓信號。舵角越大，滑動觸點(diǎn)偏離中心位置越遠(yuǎn)，輸出電壓信號越大；舵偏轉(zhuǎn)方向不同時，改變滑動觸點(diǎn)偏離中心位置的方向，使輸出電壓信號極性改變。由電阻R41~R53、整流和隔離二極管D19、濾波電容C2471在舵角反饋電路中，通過選擇開關(guān)K比，調(diào)節(jié)電