船舶舵機(jī)的電力拖動(dòng)與控制

第10章

船舶舵機(jī)的電力拖動(dòng)與控制教學(xué)目的：掌握舵機(jī)電力拖動(dòng)的特點(diǎn)；操舵方式及原理、性能；自動(dòng)舵的類型及特點(diǎn)。教學(xué)重點(diǎn)：各種操舵的性能，自動(dòng)舵的特點(diǎn)。教學(xué)難點(diǎn)：各種操舵的原理?！?0-1舵機(jī)電力拖動(dòng)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(dòng)舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律§10-4自動(dòng)操舵系統(tǒng)基本要求和工作原理1最新課件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(dòng)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(dòng)方向的專用設(shè)備。船舵功能：保持船舶預(yù)定航向的能力，稱為航向穩(wěn)定性；改變船舶運(yùn)動(dòng)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。

2最新課件§10-1舵機(jī)電力拖動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)和舵葉四部分組成。1）電動(dòng)—機(jī)械舵機(jī)裝置（小船）電動(dòng)機(jī)通過齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)舵葉

2）電動(dòng)—液壓舵機(jī)裝置（遠(yuǎn)洋船）電動(dòng)機(jī)（普通長期工作制）通過液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)舵葉。3最新課件2）舵機(jī)電力拖動(dòng)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(dòng)：要求舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)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(shí)，能滿足最大舵角的要求，且有足夠的轉(zhuǎn)舵速度（從一舷最大舵角轉(zhuǎn)至另一舷最大舵角的時(shí)間不超過30秒）。（2）生命力強(qiáng)至少有兩個(gè)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(shí)操作），現(xiàn)場控制站具有操作優(yōu)先級。故障時(shí)可進(jìn)行人力操舵。舵機(jī)操縱系統(tǒng)應(yīng)裝有自動(dòng)操縱系統(tǒng)、隨動(dòng)操縱系統(tǒng)和應(yīng)急操縱系統(tǒng)三種操縱裝置。4最新課件2）舵機(jī)電力拖動(dòng)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(shí)準(zhǔn)確地把舵轉(zhuǎn)至給定舵角，具有舵角指示?？蓪?shí)現(xiàn)自動(dòng)、隨動(dòng)和單動(dòng)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(bào)警裝置當(dāng)舵葉轉(zhuǎn)至極限位置時(shí)，舵機(jī)自動(dòng)停止轉(zhuǎn)舵；當(dāng)舵機(jī)總電源斷電時(shí)，失壓報(bào)警；舵機(jī)電機(jī)只有過載報(bào)警而無過載保護(hù)裝置；當(dāng)采用自動(dòng)操舵裝置時(shí)，應(yīng)設(shè)有航向超過允許偏差的偏航自動(dòng)報(bào)警裝置。5最新課件§10-2操舵方式及基本工作原理操舵方式一般有三種：單動(dòng)操舵（應(yīng)急操舵）自動(dòng)操舵隨動(dòng)操舵航向控制航跡（航線）控制在自動(dòng)操舵和隨動(dòng)操舵失效情況下應(yīng)用船舶進(jìn)出港等備車航行時(shí)應(yīng)用船舶定速航行時(shí)應(yīng)用6最新課件單動(dòng)舵原理圖

1.單動(dòng)操舵工作原理單動(dòng)操舵是在自動(dòng)操舵和隨動(dòng)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(dòng)舵機(jī)的單動(dòng)操舵原理（圖a）G—差復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，M—執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，J—發(fā)電機(jī)G的勵(lì)磁機(jī)，控制勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁，即可控制舵葉的偏轉(zhuǎn)。K1和K2為操舵手柄或按鈕控制的觸點(diǎn),ZD1和ZD2為舵機(jī)限位開關(guān)。7最新課件8G-M系統(tǒng)電動(dòng)舵機(jī)的單動(dòng)操舵原理當(dāng)船舶向左偏離航向時(shí)，可將操舵手柄右扳，使K1閉合，勵(lì)磁機(jī)J得到某一極性的勵(lì)磁，G將發(fā)出某一極性電壓，執(zhí)行電動(dòng)機(jī)M向某一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)，松開手柄，觸點(diǎn)K1斷開，電機(jī)M停轉(zhuǎn)。8最新課件單動(dòng)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(dòng)舵機(jī)的單動(dòng)操舵原理系統(tǒng)特點(diǎn)：手扳舵轉(zhuǎn)，復(fù)零舵停點(diǎn)動(dòng)控制人看分羅經(jīng)compass和舵角指示器操舵。9最新課件2.隨動(dòng)操舵的工作原理

隨動(dòng)操舵是按偏差原則進(jìn)行調(diào)節(jié)的操舵自動(dòng)跟蹤系統(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(dòng)同步的特點(diǎn)。

圖10－3是一種電橋平衡式隨動(dòng)操舵原理圖。隨動(dòng)操舵原理圖（電橋式）10最新課件2.隨動(dòng)操舵的工作原理

隨動(dòng)操舵的基本工作原理框圖如圖所示。它是一個(gè)閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)舵角的自動(dòng)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。放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)船舶舵葉操舵手輪人反饋裝置11最新課件3.自動(dòng)操舵的工作原理

自動(dòng)操舵的基本工作原理如圖所示。M為執(zhí)行電動(dòng)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(dòng)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。12最新課件3.自動(dòng)操舵的工作原理

當(dāng)船舶偏離預(yù)定航向時(shí)，通過陀螺羅經(jīng)發(fā)訊器使航向接收器也轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)作，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，拖動(dòng)舵葉偏轉(zhuǎn)，由于采用舵角反饋，故當(dāng)舵葉偏轉(zhuǎn)時(shí)，半圓環(huán)也朝滾輪滾動(dòng)方向進(jìn)行跟蹤，在船舶偏離航向最大角時(shí)，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(dòng)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(shí)候。

船舶在舵的作用下回航時(shí)，電動(dòng)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(dòng)方向跟蹤。當(dāng)船舶回到預(yù)定航向時(shí)，半圓環(huán)追上滾輪，使?jié)L輪處在絕緣塊上，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。13最新課件自動(dòng)舵校正航向的工作過程φ—偏航角β—偏舵角羅經(jīng)舵機(jī)Ⅰ：船舶沿正航向K航行，滾輪1恰好與絕緣塊4接觸，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，舵葉在艏艉線上，艏艉線與正航向重合，

φ=0，β=014最新課件偏航轉(zhuǎn)舵Ⅱ：船右偏→滾輪左偏→J1有電→舵左轉(zhuǎn)→導(dǎo)電環(huán)左轉(zhuǎn)β很小(轉(zhuǎn)船力矩小)，偏航φ↑，同時(shí)舵角β↑15最新課件最大舵角Ⅲ：β↑使(φ=φmax)，船停止偏轉(zhuǎn)(dφ/dt=0)。導(dǎo)電環(huán)追上滾輪，使絕緣塊與滾輪接觸，電動(dòng)機(jī)停，舵葉停轉(zhuǎn)β=βmax。16最新課件回轉(zhuǎn)Ⅳ：在左舵的作用下，船開始回轉(zhuǎn)（φ↓），使?jié)L輪右轉(zhuǎn)，與導(dǎo)電環(huán)接3觸，使J2有電，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，回舵（β↓）。導(dǎo)電環(huán)右轉(zhuǎn)追隨滾輪運(yùn)動(dòng)。17最新課件Ⅴ：船舶回到給定航向K，φ=0，β=0?；睾?8最新課件船舶的航跡曲線19最新課件反饋機(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(gè)導(dǎo)電半圓環(huán)和滾輪所構(gòu)成。放大器：直流發(fā)電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)M。自動(dòng)操舵系統(tǒng)原理框圖20最新課件小結(jié)：（1）自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)舵角的自動(dòng)跟隨。外環(huán)是航向反饋，實(shí)現(xiàn)對船舶偏航的自動(dòng)調(diào)整。21最新課件§10-3自動(dòng)舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律船舶應(yīng)用的自動(dòng)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。22最新課件1．比例舵以船舶偏航角φ的大小按比例給偏舵角β，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(shí)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

=0.5~4；23最新課件1．比例舵以船舶偏航角φ的大小按比例給偏舵角β，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(shí)，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）控制簡單，精度差，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。

與B隨時(shí)間變化的曲線24最新課件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(shí)，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(shí)，當(dāng)船舶回到正航向時(shí)，雖然偏航角為零，但由于慣性，船舶仍有一個(gè)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。25最新課件2．比例—微分舵以船舶偏航角φ和偏航角速度dφ/dt按比例給出偏舵角β,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。26最新課件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27最新課件控制特點(diǎn)：當(dāng)船舶受到風(fēng)浪影響發(fā)生偏航時(shí)，偏航角速度較大，產(chǎn)生-K2dφ/dt大，使開始偏航的一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的舵角。船舶回航時(shí)，由于dφ/dt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-K2dφ/dt的作用，舵角已經(jīng)提前變號，在船舶回到正航向時(shí)，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(dòng)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

28最新課件比例系數(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(shí)，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，所以船舶以正航向?yàn)橹行模笥覔u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

29最新課件反過來，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(shí)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(shí)踐，常常是靠經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整K1和K2。比例一微分舵對偏航角的影響

30最新課件3．比例—微分—積分舵其調(diào)節(jié)規(guī)律是以船舶偏航角φ、偏航角速度dφ/dt和偏航角的積分∫φdt按比例給出偏舵角β，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不靈敏區(qū)所引起的橫向移動(dòng)距離。（不靈敏區(qū)是在△φ較小時(shí)，自動(dòng)舵是不調(diào)節(jié)的）31最新課件如果由于某種原因引起船舶的瞬時(shí)偏航，后來立即消失，因?yàn)樽饔脮r(shí)間短，不影響整個(gè)航向，所以對其平均航向沒有偏移，無需發(fā)出校正動(dòng)舵信號，如圖(a)所示。有時(shí)候在船舶給定的航向兩側(cè)均勻搖擺，經(jīng)過比較長的時(shí)間后，其平均航向仍在正航向上，因此也無需使舵動(dòng)作，如圖(b)所示。32最新課件只有當(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(shí)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(dòng)舵雖能糾偏使船舶返回正航向，但對船舶的橫向漂移卻無能為力。可利用GPS定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)航線控制。33最新課件“比例～微分～積分”調(diào)節(jié)系統(tǒng)是比較完善的自動(dòng)舵，但系統(tǒng)構(gòu)造較復(fù)雜。有的自動(dòng)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(jì)這種情況可能發(fā)生，則在自動(dòng)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(gè)相應(yīng)的固定偏舵角，對船舶形成一個(gè)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。34最新課件總結(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：可以減小最大偏航角，克服回航時(shí)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(dòng)壓舵”調(diào)節(jié)，克服不對稱偏航。35最新課件§10-4自動(dòng)操舵系統(tǒng)基本要求和工作原理1.自動(dòng)操舵系統(tǒng)基本要求（四項(xiàng)）1）自動(dòng)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(dòng)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)36最新課件（1）靈敏度調(diào)節(jié):靈敏度是指系統(tǒng)開始投入工作時(shí)的最小偏航角。在風(fēng)平浪靜時(shí)要調(diào)高些，在大風(fēng)大浪下應(yīng)調(diào)低些，以減少動(dòng)舵次數(shù)。（2）舵角比例調(diào)節(jié):K1的大小直接影響自動(dòng)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(shí)，舵葉應(yīng)先回到首尾線上，然后再向另一舷偏過一個(gè)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(gè)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(dòng)舵中應(yīng)設(shè)有自動(dòng)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(dòng)舵系統(tǒng)的情況下，通過航向調(diào)節(jié)裝置來改變船舶的給定航向。37最新課件1.自動(dòng)操舵系統(tǒng)基本要求3）應(yīng)設(shè)有隨動(dòng)、單動(dòng)等操舵設(shè)備在船舶進(jìn)出港、或緊急情況以及自動(dòng)操舵失靈時(shí)，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(dòng)舵還應(yīng)設(shè)雙電源、雙機(jī)組等轉(zhuǎn)換裝置。38最新課件2.自動(dòng)操舵系統(tǒng)的工作原理以HQ-5型自動(dòng)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(dòng)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(dòng)（應(yīng)急）操舵、隨動(dòng)操舵和自動(dòng)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(dòng)操舵采用比例-微分調(diào)節(jié)，并設(shè)有壓舵環(huán)節(jié)。

39最新課件HQ-5型自動(dòng)操舵儀原理框圖40最新課件

2）自動(dòng)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(bào)警與操舵系統(tǒng)失壓報(bào)警電路41最新課件（1）信號發(fā)送電路偏航信號發(fā)送器、隨動(dòng)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)。它們單機(jī)使用，其定子的單相激磁繞組接到110V的單相電源，轉(zhuǎn)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(dòng)裝置帶動(dòng)。自整角機(jī)處于協(xié)調(diào)位置時(shí)，無輸出。2）自動(dòng)操舵系統(tǒng)主要電路功能分析42最新課件若偏航，則分羅經(jīng)帶動(dòng)F1的轉(zhuǎn)