第二篇-10船舶舵机的电力拖动与控制

1、10 -1 舵机电力拖动与控制的基本要求舵机电力拖动与控制的基本要求10 -2 操舵方式及基本工作原理操舵方式及基本工作原理10 -3 自动舵的基本类型及其调节规律自动舵的基本类型及其调节规律10 -4 自动操舵系统基本要求和工作原理自动操舵系统基本要求和工作原理第第10 章章 船舶舵机的电力拖动与控制船舶舵机的电力拖动与控制内容简介内容简介本章主要讨论船舶舵机电力拖本章主要讨论船舶舵机电力拖动与控制的基本类型和控制原动与控制的基本类型和控制原理。理。工作过程：工作过程：电动机通过联轴节带动蜗杆蜗轮电动机通过联轴节带动蜗杆蜗轮转动，并通过主动齿轮带动扇形齿轮，再经过转动，并通过主动齿轮带动扇形

2、齿轮，再经过缓冲弹簧转动舵柄（在扇形齿轮下面，通过弹缓冲弹簧转动舵柄（在扇形齿轮下面，通过弹簧推动），从而使舵柱和舵叶偏转。簧推动），从而使舵柱和舵叶偏转。电动电动 - - 机械舵机装置机械舵机装置电动电动液压舵机装置液压舵机装置工作过程：工作过程：当当一油缸注入高一油缸注入高压油而另一油压油而另一油缸排出低压油缸排出低压油时，推动撞杆时，推动撞杆（活塞）移动，（活塞）移动，从而带动舵柄，从而带动舵柄，舵柱和舵叶偏舵柱和舵叶偏转转液压舵机传动机构舵柱舵柄撞杆油缸 按海规要求，电动机连续工作制；具按海规要求，电动机连续工作制；具有软的机械特性和足够大的过载能力；堵转有软的机械特性和足够大的过载能

3、力；堵转时间应能持续时间应能持续1分钟以上，仍不致将电动机烧分钟以上，仍不致将电动机烧毁。要求电动在最快航速下，既能满足最大毁。要求电动在最快航速下，既能满足最大舵角，也能满足转舵速度。舵角，也能满足转舵速度。供电要可靠供电要可靠 从主配电盘到舵机应当用两路分离较从主配电盘到舵机应当用两路分离较远的馈电线对舵机电动机供电。其中之一远的馈电线对舵机电动机供电。其中之一还应该与应急配电盘相连。还应该与应急配电盘相连。电动机的运行要可靠电动机的运行要可靠10 -1 舵机电力拖动与控制的基本要求舵机电力拖动与控制的基本要求1）工作可靠）工作可靠 任何舵角均能投入工作，能及时准确任何舵角均能投入工作，能

4、及时准确转给定舵角。转给定舵角。 操纵系统应装有自动、随动和应急三操纵系统应装有自动、随动和应急三种操纵装置。种操纵装置。 舵机电力拖动装置至少有两个控制站，舵机电力拖动装置至少有两个控制站，驾驶台和舵机舱各一，控制站之间要有转换驾驶台和舵机舱各一，控制站之间要有转换开关，以防同时操作。开关，以防同时操作。2）生命力强）生命力强3）操作灵便）操作灵便4）舵叶偏转限位保护和失压报警装置）舵叶偏转限位保护和失压报警装置限位保护，防止操舵设备受损。限位保护，防止操舵设备受损。舵机总电源断电，声光报警。舵机总电源断电，声光报警。航向超过允许偏差的偏航自动报警航向超过允许偏差的偏航自动报警注意：注意：只

5、有过载报警而没有过载保护装置只有过载报警而没有过载保护装置10 -2 操舵方式及基本工作原理操舵方式及基本工作原理进进行行的的应应急急操操舵。舵。 10.2.1 单动操舵工作原理单动操舵工作原理限位通通过过转转换换开开关关掌舵掌舵手柄手柄 单动操舵的操作方法可以归纳为：手板舵动，单动操舵的操作方法可以归纳为：手板舵动，复零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回复零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。舵左扳。这种操舵方式仅适用于内河小型船舶和这种操舵方式仅适用于内河小型船舶和作为海船的应急操舵方式。作为海船的应急操舵方式。 单动操舵方框图单动操舵方框图10.2.2 随动操舵的工作原理随

6、动操舵的工作原理 随动操舵方框图随动操舵方框图 船舶左偏航操右舵，舵轮操右舵船舶左偏航操右舵，舵轮操右舵x x 0，舵叶右舵叶右偏，并自动停在右舵偏，并自动停在右舵x x 0上。为了减少形航迹的振上。为了减少形航迹的振幅，船舶在返回正航向过程中，必须回舵。幅，船舶在返回正航向过程中，必须回舵。主要环节：主要环节：比较环节、放大环节、执行机构比较环节、放大环节、执行机构随动操舵的方法：随动操舵的方法：10.2.3 自动操舵的工作原理自动操舵的工作原理滚轮滚轮1：与航与航向接受器机械向接受器机械相连反应船舶相连反应船舶偏航的角度偏航的角度（船右偏，滚（船右偏，滚轮左偏转）轮左偏转）偏航角偏航角偏舵

7、角偏舵角 绝缘块绝缘块4：隔离导电环隔离导电环2和和3，并与导电环一同偏转。，并与导电环一同偏转。导电环导电环2、3：与舵角反馈机构相连，反应舵叶的位与舵角反馈机构相连，反应舵叶的位置（舵叶左偏，导电环左偏）。置（舵叶左偏，导电环左偏）。：船舶回到给定航向：船舶回到给定航向K，=0，=0。：滚轮在绝缘块上电机：滚轮在绝缘块上电机不动舵叶在艏艉线不动舵叶在艏艉线：船右偏：船右偏滚轮左偏滚轮左偏J1有有电电舵左转舵左转导电环左转导电环左转很很小，使小，使，同时同时，：时（时（=max），），船停止船停止偏转（偏转（d/ dt = 0）。）。导电环追导电环追上滚轮，使绝缘块与滚轮接触，上滚轮，使绝缘

8、块与滚轮接触，电动机停，舵叶停转电动机停，舵叶停转=max。：在左舵的作用下，船开始回转（：在左舵的作用下，船开始回转（），），使滚轮右转，使滚轮右转，与导电环接与导电环接3触，使触，使J2有电，电动机反转，回舵（有电，电动机反转，回舵（）。）。导导电环右转追随滚轮运动。电环右转追随滚轮运动。船船舶舶的的航航迹迹曲曲线线第二节要点第二节要点：操舵方式：操舵方式(种类、原理种类、原理)；自动操舵；自动操舵仪组成原理。仪组成原理。自动操舵系统方框图自动操舵系统方框图10 -3 自动舵的基本类型及其调节规律自动舵的基本类型及其调节规律10.3.1 自动舵的基本类型自动舵的基本类型按调节规律分三种基本

9、类型：按调节规律分三种基本类型：比例舵比例舵比例微分舵比例微分舵比例微分舵积分舵比例微分舵积分舵10.3.2 自动舵的调节规律自动舵的调节规律 K1过大，使船回转过头，过大，使船回转过头，稳定性变坏，还会降低稳定性变坏，还会降低航速。航速。以船舶偏航角以船舶偏航角的大小的大小按比例给偏舵角按比例给偏舵角，即即= K1K1为比例系数，负号表示为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏偏舵的方向是消除偏K1过小，不能产生足够的过小，不能产生足够的转船力矩，回转性能不好。转船力矩，回转性能不好。1）比例舵）比例舵 加入微分环节后使得系统具有加入微分环节后使得系统具有“超前超前”的校正控制作用。提高系统的

10、灵敏度。的校正控制作用。提高系统的灵敏度。 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按按比例给出偏舵角比例给出偏舵角，即即= （K1+K2d/d t ）K2是微分系数。是微分系数。 通常所说的纠偏舵、稳舵角或反舵角通常所说的纠偏舵、稳舵角或反舵角等均指微分舵作用。等均指微分舵作用。2）比例）比例微分舵微分舵dtdK2-K1K1、K2选择不当，选择不当，将影响航行质量。将影响航行质量。1、当载荷大船速慢，当载荷大船速慢，相对于相对于K1，把把K2调小，调小，则比例效果大，结果则比例效果大，结果船舶摇摆逐渐衰减至船舶摇摆逐渐衰减至正航向。正航向。2、反过来，相对于反过来，相对于

11、K1，把把K2调大，则微调大，则微分效果大，航迹过阻分效果大，航迹过阻尼，长时间不能回到尼，长时间不能回到正航向。正航向。相对于相对于K1，把把K2调小，则比例效果大调小，则比例效果大相对于相对于K1，把把K2调大，则微分效果大调大，则微分效果大 积分环节的作用在于消除船舶由于船型积分环节的作用在于消除船舶由于船型不对称、螺旋浆不对称或船舶单侧风、水不对称、螺旋浆不对称或船舶单侧风、水流的影响使偏航角在不灵敏区所引起的横流的影响使偏航角在不灵敏区所引起的横向移动距离。向移动距离。（不灵敏区是在（不灵敏区是在较小时，较小时，自动舵不调节时）自动舵不调节时）以船舶偏航角以船舶偏航角、偏航角速度偏航

12、角速度d/ d t和偏航角和偏航角的积分的积分d t按比例给出偏舵角按比例给出偏舵角，即即= （K1+K2d/d t + K3d t）K3是积分系数。是积分系数。3）比例）比例微分微分积分舵积分舵（a）（b）（c）（d）偏航时的积分作用偏航时的积分作用实际：常用实际：常用“压舵压舵”代替代替PID中的积分环节中的积分环节期望值是转舵角越小越好（最好低于5），转舵次数越小越好（每分钟小于6次） 10 -4 自动操舵系统基本要求和工作原理自动操舵系统基本要求和工作原理10.4.1 自动操舵系统基本要求自动操舵系统基本要求1）自动操舵性能良好）自动操舵性能良好偏航，则使舵叶偏转一定角度，即偏航，则使

13、舵叶偏转一定角度，即一次偏一次偏舵角舵角；如过大则使航速降低，过小则不能；如过大则使航速降低，过小则不能回航向，故要给出附加舵角即回航向，故要给出附加舵角即二次偏舵角二次偏舵角。2）具有必要的调节装置）具有必要的调节装置（4）压舵调节压舵调节：偏航积分电路，作用是实现自动压：偏航积分电路，作用是实现自动压舵，调节积分系数舵，调节积分系数K3 。（1）灵敏度调节灵敏度调节（天气调节）：人为设定系统的死（天气调节）：人为设定系统的死区，以调节系统的灵敏度。区，以调节系统的灵敏度。（2）舵角比例调节舵角比例调节：根据船舶大小、船型、装载：根据船舶大小、船型、装载情况及航速来选择舵角比例系数情况及航速

14、来选择舵角比例系数K1 。（3）反舵角调节反舵角调节：使船舶还未回到给定航向时，：使船舶还未回到给定航向时，舵已提前回到首尾线，并反方向转过一个角度，来舵已提前回到首尾线，并反方向转过一个角度，来克服船舶的惯性，起到阻尼作用，以使船舶能很快克服船舶的惯性，起到阻尼作用，以使船舶能很快的回到给定航向指微分环节的回到给定航向指微分环节 K2（5）航向调节航向调节（小航角航向调节）：在自动操舵（小航角航向调节）：在自动操舵运行中，可以通过航向调节改变船舶的给定航向，运行中，可以通过航向调节改变船舶的给定航向，使船舶在新的航向上航行。使船舶在新的航向上航行。3）应设有随动、单动等操舵设备）应设有随动、

15、单动等操舵设备进出港、紧急情况、操舵失灵时，应能立刻转换进出港、紧急情况、操舵失灵时，应能立刻转换操舵方式，保证可靠性。还要有双电源、双机组操舵方式，保证可靠性。还要有双电源、双机组等。等。 自适应自动舵是一种具有自适应控制功能的自自适应自动舵是一种具有自适应控制功能的自动舵装置。可根据测量到的被控制对象（船）现时动舵装置。可根据测量到的被控制对象（船）现时状态的外部连续信息（转舵角、船首向、船速等），状态的外部连续信息（转舵角、船首向、船速等），不断地实时辩识模型的结构和参数实施有效的控制。不断地实时辩识模型的结构和参数实施有效的控制。自适应舵的基本概念和调节原理自适应舵的基本概念和调节原理

16、舵机自适应控制系统方框图舵机自适应控制系统方框图10.4.2 自动操舵系统的工作原理自动操舵系统的工作原理1）系统组成：）系统组成：2个操作台伺服机构反馈装置、电源箱等个操作台伺服机构反馈装置、电源箱等三种操舵方式选择，自动舵：三种操舵方式选择，自动舵：PI压舵压舵2）信号发送电路）信号发送电路偏航信偏航信号发送号发送随动信随动信号发送号发送舵角反馈信号舵角反馈信号发送发送信号发送信号发送控制式自控制式自整角机：整角机：自动操舵时，自动操舵时，F1在协在协调位置，无信号输出；调位置，无信号输出；偏航时分罗经带动偏航时分罗经带动F1转子转动一个角度，转子转动一个角度，则其绕组则其绕组S2S3输出输出一个正弦偏航