第十章 船舶舵机电力拖动

1、第十章 船舶舵机的电力拖动与控制101101.舵机的电力拖动与控制的基本要求 102102.操舵方式及其基本工作原理 103103.自动舵的基本类型及其调节规律104104.自动舵系统基本工作原理学习第十章应该注意的点第十章学习应注意的几个问题第十章学习应注意的几个问题： 1.对船舶舵机有什么基本要求？对船舶舵机有什么基本要求？ 2.有几种操舵方式？有几种操舵方式？ 3.各种操舵方式有什么特点？各种操舵方式有什么特点？ 4.自动舵是怎样工作的？自动舵是怎样工作的？ 5.自动舵有几种调节规律？各种调节规律分自动舵有几种调节规律？各种调节规律分别起什么作用？别起什么作用？相对比较难的点相对比较难的

2、点： 1.各种操舵方式的工作原理；各种操舵方式的工作原理；2.自动舵各种调自动舵各种调节规律的特点。节规律的特点。101101.舵机的电力拖动与控制的基本要求电动电动 - 机械舵机：机械舵机：分为两类：分为两类：.电动电动 - 机械；机械；.电动电动 - 液压。液压。 l舵机装置的分类：工作过程工作过程：电动机通过连轴节带动电动机通过连轴节带动蜗杆蜗轮转动，并通过主动齿轮带蜗杆蜗轮转动，并通过主动齿轮带动扇形齿轮，再经过缓冲弹簧转动动扇形齿轮，再经过缓冲弹簧转动舵柄（在扇形齿轮下面，通过弹簧舵柄（在扇形齿轮下面，通过弹簧推动），从而使舵柱和舵叶偏转。推动），从而使舵柱和舵叶偏转。 作用：蜗杆蜗

3、轮传动作用：蜗杆蜗轮传动 大变比减速，能够锁定舵柱和舵叶。大变比减速，能够锁定舵柱和舵叶。 缓冲弹簧缓冲弹簧减轻船舶在航行中波浪对舵叶的冲击力，防止减轻船舶在航行中波浪对舵叶的冲击力，防止传动装置受到损伤。传动装置受到损伤。 系统组成系统组成：一般采用：一般采用GM系统。系统。l对舵机装置的要求：电动电动 - 液压舵机：液压舵机：系统组成系统组成：恒速电动机拖动双向变量油：恒速电动机拖动双向变量油泵，提供双向的高压油驱动液压油缸。泵，提供双向的高压油驱动液压油缸。工作过程工作过程：当一油缸注入高压油而另一当一油缸注入高压油而另一油缸排出低压油时，推动撞杆（活塞）油缸排出低压油时，推动撞杆（活塞

4、）移动，从而带动舵柄，舵柱和舵叶偏转。移动，从而带动舵柄，舵柱和舵叶偏转。 基本要求基本要求三可靠：三可靠：1.供电；供电；2.电动机运行；电动机运行；3. 控制系统控制系统要可靠要可靠 。供电供电： 采用双路供电采用双路供电 ，两路分离较远的馈电线，一路经应急配电板。，两路分离较远的馈电线，一路经应急配电板。电动机电动机： 机械特性软（抗冲击），转矩大（机械特性软（抗冲击），转矩大（35-30 ，28秒），能秒），能承受承受1分钟的堵转。分钟的堵转。 控制系统控制系统： 至少两个操作站（由转换开关切换，防止同时操作），有三至少两个操作站（由转换开关切换，防止同时操作），有三种操舵方式（手动、

5、随动、自动）。种操舵方式（手动、随动、自动）。第一节要点第一节要点：舵机的分类、特点；基本要求。：舵机的分类、特点；基本要求。102102.操舵方式及其基本工作原理操舵方式：操舵方式：三种：三种：1.单动；单动；2.随动；随动；3. 自动。自动。l单动操舵工作原理：单动（香蕉柄）单动（香蕉柄）操舵就是应急操舵。操舵就是应急操舵。方法：手扳舵转，复零舵停；左舵左方法：手扳舵转，复零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。 l随动操舵工作原理：随动随动操舵，又叫操舵，又叫“舵轮操舵舵轮操舵”。随动随动 舵叶随着舵轮转动舵叶随着舵轮转动 。方法方法：左偏航操右

6、舵，舵轮操右几：左偏航操右舵，舵轮操右几度，舵叶右偏几度（右偏也相似）。度，舵叶右偏几度（右偏也相似）。 原理原理：是负反馈调节系统。以舵：是负反馈调节系统。以舵角和舵轮的偏差控制电动机。角和舵轮的偏差控制电动机。 操舵过程操舵过程：舵轮：舵轮向右转过一个角向右转过一个角度度，电位器电位器R R1 1的滑动点移动，的滑动点移动，电桥失去平衡，放大器输入信号电桥失去平衡，放大器输入信号00，发电机输出电压使电动机顺，发电机输出电压使电动机顺时针方向转动，使舵叶向右偏转。时针方向转动，使舵叶向右偏转。同时舵角反馈同步传递机构带动同时舵角反馈同步传递机构带动反馈电位器反馈电位器R R2 2的滑动点不

7、断向的滑动点不断向a点移动。当电桥重新处于新的平点移动。当电桥重新处于新的平衡状态时，放大器输入衡状态时，放大器输入=0=0，电动电动机停转，舵叶处于右舵与舵轮转机停转，舵叶处于右舵与舵轮转动相对应的角度上。动相对应的角度上。回舵过程回舵过程相似，只是放大器输入变相似，只是放大器输入变反，电动机反转，舵叶回偏。反，电动机反转，舵叶回偏。l自动操舵工作原理： 自动自动操舵，实际上是自动操舵，实际上是自动航向保持仪。航向保持仪。 组成原理：利用电罗经检组成原理：利用电罗经检测船舶实际航向测船舶实际航向 ，然后与，然后与给定航向给定航向K进行比较，其进行比较，其差值作为操舵装置的输入信差值作为操舵装

8、置的输入信号，使操舵装置动作，改变号，使操舵装置动作，改变偏舵角偏舵角。在舵角的作用下，。在舵角的作用下，船舶逐渐回到正航向上。船船舶逐渐回到正航向上。船舶回到正航向后，舵叶不再舶回到正航向后，舵叶不再偏转。偏转。 线路分析：最简单的电动线路分析：最简单的电动操舵线路的工作过程见操舵线路的工作过程见 。第二节要点第二节要点：操舵方式（种类、原理）；自动操舵仪的组成原理。：操舵方式（种类、原理）；自动操舵仪的组成原理。说明：说明：三种：三种：.比例舵；比例舵；.比例比例 - 微分舵；微分舵；.比例比例 - 微分微分 - 积分舵。不同基本类型的积分舵。不同基本类型的 自动舵，对舵叶的调节规律是不同

9、的。自动舵，对舵叶的调节规律是不同的。l基本类型：基本类型基本类型 ： 自动舵的基本类型自动舵的基本类型 是指按操舵的是指按操舵的规律分类的（也就是舵的偏转规律）类型，规律分类的（也就是舵的偏转规律）类型，而不是舵机装置的类型。而不是舵机装置的类型。自动舵方框图：自动舵方框图：103103.自动舵的基本类 型及其调节规律l调节规律：比例舵：比例舵：偏舵角偏舵角的大小与偏航角的大小与偏航角的大小成比例的大小成比例- 微分微分关系：关系： = -（K1+K2d/dt） K2为为微分微分系数。系数。比例比例 - 微分舵：微分舵：偏舵角偏舵角的大小与偏航角的大小与偏航角的大小成比例关系：的大小成比例关

10、系： = - K1 K1为比例系数，负号表示与偏航方向相反。为比例系数，负号表示与偏航方向相反。 特点：机构简单，航行保持精度较差，船舶营运经济性较差（会特点：机构简单，航行保持精度较差，船舶营运经济性较差（会出现出现S形航迹）。形航迹）。 偏航初期，偏航角的变化率较大，偏航初期，偏航角的变化率较大，比例比例 - 微分舵能够及时地给微分舵能够及时地给出大的偏舵较，有效地阻止船舶的偏航（最大偏航角较小）；出大的偏舵较，有效地阻止船舶的偏航（最大偏航角较小）；回航过回航过程中，偏航角的变化率变为负值，能够适时地给出反舵角，阻止船舶程中，偏航角的变化率变为负值，能够适时地给出反舵角，阻止船舶反向偏航

11、。反向偏航。 能有效阻止反向偏航。能有效阻止反向偏航。 主要特点：具有主要特点：具有“超前校正超前校正”的控制作用，减小船舶航向的振荡，的控制作用，减小船舶航向的振荡，减轻舵机负担，增加航速，提高系统灵敏度和船舶的营运效益。减轻舵机负担，增加航速，提高系统灵敏度和船舶的营运效益。比例舵的不足：偏航初期偏舵角较小，不能很快阻止船舶继续偏航；比例舵的不足：偏航初期偏舵角较小，不能很快阻止船舶继续偏航；回航过程中船舶具有惯性，偏舵角不能及时减小，容易反向偏航。回航过程中船舶具有惯性，偏舵角不能及时减小，容易反向偏航。比例比例 - 微分微分 - 积分舵：积分舵：比例舵：可以克服偏航，但容易形成比例舵：

12、可以克服偏航，但容易形成S形航迹，航程较长。形航迹，航程较长。比例比例 - 微分舵：可以减小最大偏航角，克服回航时的反向偏航。微分舵：可以减小最大偏航角，克服回航时的反向偏航。 微分系数不能太大，否则容易造成不稳定。微分系数不能太大，否则容易造成不稳定。比例比例 - 微分微分 - 积分舵：能够产生积分舵：能够产生“自动压舵自动压舵”调节，克服不对称偏航。调节，克服不对称偏航。 组成：比例组成：比例 - 微分微分 - 积分舵是在比例积分舵是在比例 - 微分舵的基础上增加积分微分舵的基础上增加积分环节。积分环节的作用是克服不对称偏航。环节。积分环节的作用是克服不对称偏航。 K3是积分系数。是积分系

13、数。 不对称偏航的产生：所谓不对称偏航，就是某舷（侧）的偏航角不对称偏航的产生：所谓不对称偏航，就是某舷（侧）的偏航角持续的时间比另一舷（侧）的偏航角持续的时间长。持续的时间比另一舷（侧）的偏航角持续的时间长。 装载不对称，装载不对称，斜向风的持续影响，斜向海潮的持续影响。斜向风的持续影响，斜向海潮的持续影响。 对于具有双螺旋桨推对于具有双螺旋桨推进的船舶，螺旋桨推进的不平衡也会产生不对称偏航。进的船舶，螺旋桨推进的不平衡也会产生不对称偏航。 积分环节工作原理：积分环节可以对偏航持续时间进行累积，当积分环节工作原理：积分环节可以对偏航持续时间进行累积，当某舷（侧）偏航持续的时间比另一舷（侧）持

14、续时间长时，则环节输某舷（侧）偏航持续的时间比另一舷（侧）持续时间长时，则环节输出的信号（偏舵角）将继续保持，这个信号将通过执行机构使舵叶维出的信号（偏舵角）将继续保持，这个信号将通过执行机构使舵叶维持在一定的偏转角度上，从而使船舶具有克服单向偏航的能力。持在一定的偏转角度上，从而使船舶具有克服单向偏航的能力。操舵规律特点比较：操舵规律特点比较：第三节要点第三节要点：自动舵的基本类型；各种调节规律的性能、特点。：自动舵的基本类型；各种调节规律的性能、特点。 104104.自动舵系统基本工作原理lPID自动舵系统工作原理：PID自动舵概述：自动舵概述： 具有比例、微具有比例、微分和积分调节作用分

15、和积分调节作用的自动舵称为的自动舵称为PID自动舵。这种自动舵。这种PID舵实际上是航向保舵实际上是航向保持仪，不能实现航持仪，不能实现航迹的自动跟踪。而迹的自动跟踪。而且，在不同的海况且，在不同的海况下，比例、微分、下，比例、微分、积分等参数需要人积分等参数需要人为地进行调节，才为地进行调节，才能达到比较满意的能达到比较满意的调节效果。调节效果。PID自动舵原理：自动舵原理：电罗经和自整角机将船舶的实际航向和给定航电罗经和自整角机将船舶的实际航向和给定航向比较，得到偏航信号经发讯器向比较，得到偏航信号经发讯器2和相敏整流和相敏整流器整流后送到灵敏度调节器，再经过比例、微器整流后送到灵敏度调节

16、器，再经过比例、微分和积分环节（分和积分环节（5、6和和13）调节后，由放大器）调节后，由放大器8和功率放大器和功率放大器9进行放大，送给执行机构进行放大，送给执行机构10对对舵机进行调节控制。舵机进行调节控制。l自适应舵的基本概念和调节原理：定义：定义： 通过计算机将所有检测信号进行处理，通过计算机将所有检测信号进行处理，分类：分类： 可分为两类：自校正控制系统和模型参考自适应控制系统。可分为两类：自校正控制系统和模型参考自适应控制系统。自校正控制系统：自校正控制系统：自动校正系统的控制参数，使性能指标接近最优。自动校正系统的控制参数，使性能指标接近最优。模型参考控制系统：模型参考控制系统：

17、设计一个理想（最优）的参考模型，计算机根据设计一个理想（最优）的参考模型，计算机根据实际检测，实现接近该理想模型的控制规律。实际检测，实现接近该理想模型的控制规律。说明：说明：自适应舵的具体工自适应舵的具体工作原理分析需要较作原理分析需要较深的基础知识。因深的基础知识。因此，本节只要求了此，本节只要求了解基本概念即可。解基本概念即可。第四节要点第四节要点：自适应舵的概念和类型。：自适应舵的概念和类型。 使舵机按照给定使舵机按照给定航线航线进行操舵的自动舵称为自适应舵。自适应舵可以进行操舵的自动舵称为自适应舵。自适应舵可以自动对航线进行判别，可以自动修正内部参数（例如比例系数等）以自动对航线进行判别，可以自动修正内部参数（例如比例系数等）以适应船舶的各种状态或海况。适应船舶的各种状态或海况。第十章 各节要点第一节第一节：舵机的分类、特点；基本要求舵机的分类、特点；基本要求。 第二节第二节：操舵方式（种类、原理）；自动操舵仪操舵方式（种类、原理）；自动操舵仪的组成原理的组成原理。 第三节第三节：自动舵基本类型；各种调节规律的性能、自动舵基本类型；各种调节规律的性能、特点特点。第四节第四节：