船舶舵机装置的自动控制系统介绍课件

第十三章船舶舵机装置的自动控制系统第一节舵与舵机装置

第二节操舵方式及基本工作原理第三节自动舵的基本类型及其基本要求第四节舵机自动控制系统事例

思考题与习题

第十三章船舶舵机装置的自动控制系统第一节1第十三章船舶舵机装置的自动控制系统第一节舵与舵机装置目前，绝大多数船舶都以舵作为保持或改变航向的设备。舵垂直安装在螺旋桨的后方。早期船舶都采用平板舵。目前除一些内河小船外，为了提高舵效和推进效率，大都采用钢板焊接而成的空心舵，称为复板舵。这种舵由于水平截面呈对称机翼形，故又称流线型舵。舵的型式很多，图13-1示出三种典型的海船用舵。舵叶的偏转由操舵装置（通常称舵机）来控制。舵机经舵柄1将扭矩传递到舵杆3上，舵杆3由舵承支承，它穿过船体上的舵杆套筒4带动舵叶7偏转。舵承固定在船体上，由滑动或滚动轴承及密封填料等到组成此处，舵叶7还可以通过舵销5支承在舵柱8的舵托9舵钮6上。舵杆轴线一般就是舵叶的转动轴线。舵杆轴线紧靠舵叶前缘的舵，称为不平衡舵图13-1（a）；舵杆轴线位于舵叶前缘后面一定位置的舵称为平衡舵图13-1（b）而仅于下半部做成平衡型式的舵称为半平衡舵图13-1（c）。

第十三章船舶舵机装置的自动控制系统第一节舵与舵机21-舵柄；2-上舵轴承；3-下舵轴承；4-舵杆套筒；5-舵销；6-舵钮；7-舵叶；8-舵柱；9-舵托；10-舵轴承

后两种舵在舵杆轴线之前有一定的舵叶面积，转舵时水流作用在它上面产生的扭矩可以抵消一部分轴线后舵叶面积上的扭矩，从而减轻舵机的负荷。一、舵的作用原理如图13-2所示，舵叶处于船舶首尾线上时，水流方向与舵面一致，不产生转船力矩，船舶保持直线航行。当舵叶离开首尾线，向某一航侧偏转一个β角时，因舵叶面现水流流速不同，两面的压力不平1-舵柄；2-上舵轴承；3-下舵轴承；4-舵杆套筒；5-舵销3衡，在舵面上产生与其垂直的压力F。将F分解为相互垂直的两个分力F1和F2。其纵向分力F1对船舶航行起制动作用，使船速减低，而横向分力F2会产生一个使船舶转向的转船力矩M。假设在船舶的重心“0”处加上一对大小相等而方向相反的力，即f1=f2=F2，并与F2平等。则F2与f1组成一个转船力矩M=F2×a，a为F2与f1之间的距离。而f2则引起船舶的横向漂移。转船力矩在一定的舵角上出现最大值，这个舵角称为最大舵角。在船舶上通常予以限定的角度（例如350）作为舵机的最大转舵角。图13-2舵叶偏转时作用于船舶上的力

现代船舶广泛采用流线型舵叶。这种舵叶在转舵时所受到的水流压力F与舵叶面积，船舶速度和舵偏转的角度之间的关系，符合机翼升力理论，可用下式表示：衡，在舵面上产生与其垂直的压力F。将F分解为相互垂直的两个分4F=9.8CRρ(V2/2)S式中：CR—对舵叶模型试验测得的升力系数，与翼型及β角有关：V—船舶速度m/sρ—水的密度kg/m3s—舵叶有效作用面积m2舵角为β时产生的转船力矩M，可近似用下式表示：M=KSV2sin2β式中：K—常数。在自动操舵时，舵角β通常采取小舵角，因而sin2β≈2β，则M公式可写成M=2KSV2sin2β=CV2β式中C=2KS可见转船力矩M近似地与航速的平方成正比；航速越高舵效越好。当航速一定时，M与舵角β（小舵角情况下）成正比。二、舵机装置图13-3扇形齿轮传动机构舵机按拖动方式，目前主要分为电动机械传动舵机和电动液压传动舵机两类。舵机的转舵力矩不仅取决于舵叶上的水流压力F，而且与舵的结构型式有关，采用平衡舵可减少舵机的负载。船舶舵机装置的自动控制系统介绍课件5对于一定型式的舵，转舵力矩在最大舵角时达最大值，而此值在船舶倒车时更大些。随着航速和吨位的增加，转舵力矩也将增大。若采用电动舵机时，传动装置将出现体大笨重，因此现代大型远洋和近海船上电动液压舵机获得广泛地应用。图13-3扇形齿轮传动机构(一)、电动—机械舵机装置图13-3为扇形齿轮传动的电动舵机，它由电动机1通过连轴节2带动蜗杆3和蜗轮4转动，并通过主动齿轮5带动扇形齿轮6，再经过缓冲弹簧7转动舵柄8（在扇形齿轮的下部），从而使舵柱9和舵叶偏转。缓冲弹簧的作用是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。不论是扇形齿轮传动机构还是蜗杆传动机构，它们共同的特点都是通过机械传动机构，以很高的减速比把电动机的高速转动直接传送对于一定型式的舵，转舵力矩在最大舵角时达最大值，而此值在船舶6到舵柱的低速偏转。这类舵机的电力拖动系统常采用直流G-M控制系统。图13-4液压舵机传动机构电动—液压舵机装置基本上与电动—液压起货机传动装置相类似，有双向变量油泵，由恒速电动机拖动，提供可逆流向的高压油。两者不同之处在于拖动起货机卷筒的是可连续旋转的油马达，而转舵机构则是左、右方向移动的液压油缸装置，如图13-4所示。与舵柄(二)、电动—液压舵机装置铰链的撞杆两端置入左右高压油缸内，两油缸与油泵连接，当油缸注入高压油而油缸排出低压油时，推动撞杆（类似于活塞）向低压端移动，从而带动舵柄、舵柱和舵叶偏转。高压油泵的排量和流向则由操舵系统控制。到舵柱的低速偏转。这类舵机的电力拖动系统常采用直流G-M控制7三、对舵机拖动控制系统的技术要求（一）、从主配电板到舵机舱应采用双线供电制，并尽可能远离分开敷设（如左、右舷两路）。在正常情况下应急配电板供电时，其中一路可以经应急配电板供电。驾驶室与舵机舱的操舵装置应使用同一电源。（二）、舵机电动机应满足舵机的技术性要求，并能保证堵转1min的要求。（三）、拖动电动机组应采用双机系统，各机组可单独运行（一机组为备用），也可同时运行。一机组故障碍时，另一机组应能自动投入运行。（四）、至少设有驾驶室和舵机舱两个控制站，并设有转换装置，防止两地同时操纵。（五）、现代船舶驾驶室多装有操舵仪，一般设有自动、随动、应急三种操舵方式，也可只设两种。（六）、船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时，不仅能满足舵自一舷350转至另一舷350的最大舵角要求，还应满足自任一舷350转至另一舷300的时间不超过28s的转舵速度要求。（七）、舵角指示器指示舵角的误差应不大于±10。三、对舵机拖动控制系统的技术要求8（八）、保护和报警装置：设有舵叶偏转限位开关，实现极限位置自动停舵；电源失压报警装置；过载声光报警，但无过载保护装置；采用自动操舵装置时，应设有航向超过允许偏差的自动报警装置。（八）、保护和报警装置：设有舵叶偏转限位开关，实现极限位置自9第二节 操舵方式及基本工作原理图13-5单动操舵原理图一、单动操舵的工作原理单动操舵也就是通过转换开关SA运行的应急操舵，其示意图如图13-5所示。船舶交流电源经整流后，向差复励直流发电机G、直流电动M他励绕组JG—KG、J′G—K′G、JM—KM供电。在有负载情况下，发电机串励绕组JGS—KGS通过电流Ia产生的磁势总是与他励绕组JG—KG（或J‘G—K’

G）所产生的磁势反方向。当船舶向左偏航需要操右舵予以校正时，将手柄开关扳到右位，J‘G—K’G通励磁电流，G输出电压U0输出电流Ia为正，M顺时针方向转动（n0>0）,经过减速比很高的蜗轮一扇形齿轮传动机构，使舵叶右偏β（β>0）。当右偏到符合要求的角度（由舵角指示器，

第二节 操舵方式及基本工作原理图13-5单动操舵原理图一、10求的角度（由舵角指示器观测）时，把手柄开关恢复零位，发电机励磁电流：输出电压消失，舵叶就停在右舵某一角度上。在船舶逐渐回到正航各的过程中，必须回舵。回航时将手柄开关板到左边，JG-KG通励磁电流（与前者反方向），电动机逆时针方向转动（n0<0），偏舵角逐渐减小，舵叶逐渐按近艏艉线，当β=0时，手柄开关也应恢复零位。此时，船舶也回到正航向（即ψ=0，由分罗径观测）上。当船舶向右偏航要操左舵予以较正时，与上述操作相反。 单动操舵的操作方法可以归纳为：手扳舵转，复零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。图13-6单动操舵方框图求的角度（由舵角指示器观测）时，把手柄开关恢复零位，发电机励11单动操舵的方框图如图13-6所示。从方框图中可以看出，人在单动操舵过程中的作用就是观察分罗径的航ψ和舵角指示器的偏航角β，再根据上述操舵方法进行操作，所以单动操舵机构虽然简单，但操纵过程却显得很麻烦，而且需要熟练的操舵经验，否则将使船舶沿固定航向左右摆动的幅度太大。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。二、随动操舵工作原理图13-7所示为随动操舵的原理图。当操舵手轮和舵叶分别在零位和艏艉线上时，由舵轮带动的发送电位器R1和由装在舵柱上的同步传递机构中的接受机带动的反馈电位器R2的滑动点在等电位0和0，电桥处于平衡状态，放大器输入信号U00为零，差复励发电机G的励磁电流IfG为零，他励电动机M停止不转。当舵轮向右转过某一角度，例如使发送电位器R1的滑动点从0点移至a点，电桥平衡被破坏，放大器输入信号Ua0>0,发电机励磁电流IfG和输出电压U0为正，电动机顺时针方向转动，操右舵。在舵叶右偏的过程中，通过舵角反馈同步传递机构的接受机带动反馈电位器R2的滑动点从0′不断地向a′点作追随运动，图13-7随动操舵原理图直至到达a′点，电桥又重新处于平衡状态，放大器输入信号单动操舵的方框图如图13-6所示。从方框图中可以看出，人在单12Aura′=0，电动机停止转动。舵叶处于右舵与舵轮转角相对应的某一角度的位置上。如果要求回舵，就得舵轮扳回零位，R1的滑动点从a点重新返回到0点，电桥平衡又被破坏，但这时放大器的输入信号U0a′<0，发电机励磁电流IfG和输出电压U0为负，电动机逆时针方向转动，舵叶向着艏艉线方向偏转。当回到艏艉线上时，通过反馈机构，R2的滑动点也从a′点返回到0′点电桥又重新恢复平衡，放大器输入信号U00′=0，电动机停止转动。

改变舵轮的转动方向，便可以改变电动机旋转和舵叶偏转的方向。随动操舵的方框图如图13-8所示。由方框图可知，就其工作原理来说，随动操舵就是一个闭环的随动系统，是一个根据偏差进行自动调节的系统。这种系统的停舵指令不是由操舵人员发出的，而是在舵叶偏转过程中，由它本身通过反馈机构发出的。由于闭环系统中采用了比较环节（由两个电位器组成的电桥）进行比较，因此只有当舵角反馈信号（与偏舵角β成比例）与操舵信号（分操舵角γ成比例）相等时，偏关信号U1=0，舵叶才会停止偏转。舵轮从角回互零位，舵叶也从β角回到艏艉线上。图13-8随动操舵方框图随动操舵的方法是，船舶在偏航右舵，舵轮操右舵XX0，舵叶右Aura′=0，电动机停止转动。舵叶处于右舵与舵轮转角相对应13右偏，并自动停在右舵，舵操右舵XX0，舵叶右偏，并且自动停在右舵XX0上。为了减小S形航迹的振幅，船舶在返回正航向过程中，必须操回舵．图13-8随动操舵方框图三、自动操舵工作原理

图13-9为自动操舵的原理图。当船舶沿给定航向上航行，舵叶在艏艉线上，如图示，滚轮1恰好与绝缘块4接触，两个继电器KA1、KA2线圈都不通电，其常开触头都开启，直流发电机G磁场电流为零，输出电压U0为零，直流电动机M停转。沿着正航向航行的船舶，当受到风、水流等外界干扰而向右或左偏转离开正航向K某一角度γ时，通过罗经的航向发送器，使航向接受器也转动同一角度γ，于是被航向接受器带动的滚轮1也就在两个导电半圆环2、3内侧滚动某一角度，或与导电半圆环2接触，或与3接触，于是右偏，并自动停在右舵，舵操右舵XX0，舵叶右偏，并且自动停在14于是继电器KA1或KA2线圈通电，电动机M正转或反转，视船舶偏离正航向的方向而定。图13-9自动操舵原理图

三、自动操舵工作原理图13-9为自动操舵的原理图。当船舶沿给定航向上航行，舵叶在艏艉线上，如图示，滚轮1恰好与绝缘块4接触，两个继电器KA1、KA2线圈都不通电，其常开触头都开启，直流发电机G磁场电流为零，输出电压U0为零，直流电动机M停转。沿着正航向航行的船舶，

当受到风、水流等外界干扰而向右或左偏转离开正航向K某一角度γ时，通过罗经的航向发送器，使航向接受器也转动同一角度γ，于是被航向接受器带动的滚轮1也就在两个导电半圆环2、3内侧滚动某一角度，或与导电半圆环2接触，或与3接触，于是继电器KA1或KA2线圈通电，电动机M正转或反转，视船舶偏离正航向的方向而定。

于是继电器KA1或KA2线圈通电，电动机M正转或反转，视船舶15下面分5个阶段（其实是连续的）说明船舶因外界干扰偏离正航向K后是如何通过自动舵的作用又重返正航向的。在如图13-10所示的第一个阶段，船舶沿正航向K航行，滚轮1恰好与绝缘块4接触，电动机不转动，舵叶在艏艉线上，艏艉线与正航向K重合，偏航角γ，偏舵角β都为零。第二阶段假设由于受风、水流影响，船舶向右偏航，首先航向发送器使自动操舵仪上的航向接受器（即罗经复示器）同步转动某一角度，并带动流轮1向左偏转，与左边导电半圆环2接触，电动机向左转动，舵叶向左偏转，通过舵角反馈同步传递机构，即在舵柱上装发送器，导电环上装接受器的自整角机同步传递系统，使导电环以相同的方向向左作追随滚轮的运动。这一阶段由于外界干扰的持续存在，开始偏舵时偏舵角很小，舵效不明显，所以船舶继续向右偏航（γ增加），舵叶也继续向左偏转（β增加），导电环继续作追随滚轮的运动。第三阶段：由于较强的舵效，使船舶偏听偏信航到某一最大偏航角Φmax而停止偏航，导电环追上滚轮，即绝缘块与滚轮接触，电动机停转，偏舵角也达到最大值βmax。第四阶段：船舶在左舵作用下，向正航向K回转，偏航角从Φmax下面分5个阶段（其实是连续的）说明船舶因外界干扰偏离正航向K16图13-10自动舵校正航向

而停止偏航，导电环追上滚轮，即绝缘块与滚轮接触，电动机停转，偏舵角也达到最大值βmax。第四阶段：船舶在左舵作用下，向正航向K回转，偏航角从Φmax逐渐减小，又通过航向发送器作用，使滚轮开始与右边导电环3接触，电动机向右转，舵叶朝着艏艉方向偏转（β减小），导电环向右作追随滚轮的运动。图13-10自动舵校正航向而停止偏航，导电环追上滚轮，即17

第五阶段：船舶回到正航向K上，导电环正好追上滚轮，使滚轮处于绝缘块占，电动机停转，舵叶位于艏艉线上。上述连续的5个阶段船舶偏离正航向又重返正航向的航迹如图13-11所示。可见采用这一系统运行操舵，能够使船舶在偏航后有自动恢复正航向的能力。这就是自动舵的基本原理。图13-11船舶的航迹曲线把图13-9所示自动操舵原理图画成方框如图13-12所示。该系统由检测元件、比较元件、信号变换环节、第五阶段：船舶回到正航向K上，导电环正好追上18图13-11船舶的航迹曲线放大环节、执行传动机构和反馈环节等组成。系统的调节对象是船，被调量是航向。检测元件：用来检测船舶实际向Φ相对于正航向K的偏差，也就是偏听偏信航角Φ，作为系统的偏差信号，在自动保持航向的自动舵中，电罗经被用作检测元件。它即是检测元件，也是比较环节。比较元件：即航向偏差Φ与反馈舵角β进行比较的环节，在图13-9中就是两个导电半圆环滚轮所构成的部件。变换器：把角差信号变换为发电机的励磁电流，作为放大器的输入信号。放大环节：直流发电机G就是放大器，输出为U0，能源是通过交流异步电动机M把船舶交流电能变为直流电能。执行机构：他励直流电动机M。

通常把舵角反馈称为内反馈，把航向反馈称为外反馈，所以自动操舵系统是一个具有双重负反馈环节和两个比较单无图13-11船舶的航迹曲线放大环节、执行传动机构和反馈环节等19闭环调节系统。图13-12自动操舵方框图闭环调节系统。图13-12自动操舵方框图20第三节自动舵的基本类型及其基本要求一、自动舵的基本类型及其调节规律从目前世界各国已投入运行的船舶来看，所应用的自动舵的类型很多，其调节规律更是多种多样，并且还在不断的发展。但从自动舵的发展过程来看，就其基本闭环调节规律分类，无非有下列三种。（一）、比例舵其调节规律是以船舶偏航角Φ的大小按比例给偏舵角β，即β=-K1Φ式中，K1为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏航。比例系数K1可根据不同船型、装载量和航速作适当调节，通常β/Φ=2~3，即第偏航舵2°~3°。比例系数K1过小或过大，将使偏航振幅加大或偏航振荡次数增多，导致航速降低稳定性差。这种类型的自动舵，其优点是机构简单，但保持航向的精度较差。（二）、比例—微分舵其调节规律是，以船舶偏航角ψ和偏航角速度dψ/dt按比例给出偏舵角β，即β=-（K1ψ+K2dψ/dt）第三节自动舵的基本类型及其基本要求一、自动舵的基本类型及其21式中K2微分系数。微分环节检测偏航角速度（dψ/dt），并给出响应的附加偏舷角信号（K2dψ/dt），从而加快航向的调整过程，提高系统的灵敏度。在船舶开始偏航的初始阶段，偏航角较小，而偏航角速度较大，因此使偏舵角和舵效比相同偏航角（ψ）下的比例舵效要大，这就是能有效地阻止船舶进一步的偏航。随着偏舵角的增加，偏航角速度逐渐减小为零，此时的最大偏航角要小于单纯比例舵的ψmax。当船舶在舵的作用下开始向正航向回转时，偏航角速度逐渐减上，而偏航角速度逐渐增大，但符号相反，使偏舵角等于比例舵角减去微分舵角。在未回到正航向前，两信号已相减为零，继续下去将出现反舵角，因此在船舶回到正航向前已受到所反向舵的作用，从而能有效地阻止因惯性，而向反方向的偏航。通常所说的纠偏舵、稳舵角或反舵角等均指微分舵的作用。可见加入微分环节后使得系统具有“超前”的校正控制作用，即在偏航过程中提前施以最大舵角，在回正航过程中提前施以反舵角，使S航迹的振幅变小，并很快衰退减弱。由于航向振荡减小，舵机负担减轻，航速增加，系统灵敏度提高，这将使船舶有更好的营运效益。式中K2微分系数。微分环节检测偏航角速度（dψ/dt），并给22（三）、比例---微分---积分舵其调节规律是以船舶偏航角ψ偏航角速度dΦ/dt和偏航角积分∫ψdt按比例给出偏舵角β，即β=-（K1ψ+K2dψ/dt+K3∫ψdt）式中K3是积分系数。这种类型的自动舵也称为比例-积分-微分舵或PID舵。船舶在航行时，常常由于船体和装载的不对称，双桨工作的不对称以及受单侧风和水流等外力的影响，使船舶发生左、右不对称的偏航。对称偏航时，S航迹在正航向两侧对称，平均偏航角ψ=0。当不对称偏航时，S航迹在向正航向一侧的摆幅增大，另一侧摆幅减小，使S航迹的轴线方向偏离正航方向，即平均偏航角ψ≠0。船舶单侧力的横向漂移和小的偏航角（在系统灵敏区以内）都不能被检测，因而无偏指令，这将使船舶“差之毫厘，失之千里”。但系统加入积分环节将对偏航角进行积发并分出与偏航角相应的恒定偏舵角指令，利用恒定的偏舵来抵消持续的外力作用，保证船舶的正航向，这种作用还称为自动“压舵”调节。在正常的对称偏航情况下，积分环节也能提高航向的稳定精度，因为它能检测小的偏航角。由于PID舵是比例、积分和微分的综合调节系统，因此，它是（三）、比例---微分---积分舵23动态和静态性能指标以及稳定性都较好的一种自动检测系统。国产自动舵以及远洋船舶中采用的外国生产的自动舵均有上述三种基本类型的自动舵。无论哪种类型的自动舵，都应具有三种操舵方式，正常航行时采用自动操舵，靠离码头，进出狭窄水道等机动状态应能转换为随动操舵，当这两种操舵方式失灵或在紧急情况下应能立即转为应急操舵。二、对自动舵的基本要求（一）、要求性能良好1、自动舵在选择比例舵的比例系数时，应保证一次偏舵角为适当的数值。当船舶偏离给定航向超过灵敏度决定的角度时，自动舵能立即投入工作，使舵叶偏转一定角度，这个初始舵角（一次偏舵角）大小应适当，过大会降低航速，过小会使转船力矩不足，且不足以使船舶返回到原航向。2、为满足复杂的航行要求，常规自动舵，应具有微分舵和积分舵环节，使自动舵在调节过程中具有良好的动态性能和静态性能。（二）、应具备的基本调节装置为使同一型号的自动舵能够适用于不同排水量、装载量、航速及舵机，并能适应各种的天气、海况，必须具有几种基本调节装置，动态和静态性能指标以及稳定性都较好的一种自动检测系统。24在一定范围内调节自动舵系统中某些参数。各种自动舵系统中，使用的元件不同，调整方法可能有差别，但其作用相同。1、灵敏度调节灵敏度是指自动舵系统开始投入工作时的最小偏航角。灵敏度的调节依据天气、海况而定，因此亦称天气调节。在天气良好风平浪静的情况下，灵敏度要调高，即系统开始工作的偏航角调小，使船舶有较高的航向精度。在大风大浪的恶劣天气下，应调低灵敏度，即增大系统的不灵敏区，因为大风浪下，船舶摇摆较大，即便灵敏度调高，也不能稳定船舶的航向，却会使自动舵频繁工作，而加重舵机磨损。灵敏度调节通常采用机械式游隙元件和电气元件。游隙元件是利用间隙的大小，造成一定的死区。电气元件多采用改变放大器的灵敏度，即改变放大器的固定偏置电压来实现的。2、舵角比例调节偏舵角与偏航角之比例关系，称为舵角比例或舵角比K=β/ψ。舵角比例过小时，转船力矩小，回转性能差，舵角比例过大时，可能使船舶回转过头，稳定性差并会降低航速。因此要求根据船型、装载、航速等情况调节舵角比例，其实质是对系统反馈系数的调节。在一定范围内调节自动舵系统中某些参数。各种自动舵系统中，使用253、反舵角调节也称微分调节，自动舵使船舶返回到原航向的过程中，为使船舶作“S”形衰减振荡。并能尽快的稳定下来，自动舵系统应给出反舵角（又称制动舵角、稳舵角、阻尼舵角、纠偏舵角）。此舵角的大小应根据船型、装载等所确定的惯性和天气情况进行调节。4、压舵调节为了纠正船舶由于受到持续的单侧风浪、水流影响及装载不平衡等而引起的不对称偏航或单侧偏航，自动舵中设有自动压舵（积分舵）或人工压舵环节，并能进行调节。5、航向调节船舶在使用自动操舵航行时，可以通过航向调节改变船舶的给定航向，使船舶按新航向航行。一般按小角度逐次调节。修正航向时，也可通过此调节进行。（三）、应设有随动、应急操舵设备船舶进出港，或航行于狭窄航道时，以及遇到紧急情况或者自动操舵失灵的情况下，能立刻转换为随动或应急操舵，保证船舶航行的安全和可靠性。3、反舵角调节26第四节舵机自动控制系统实例

安休斯自动操舵仪是比较有代表性的常规自动操舵仪，它属于比例—微分—积分控制系统，它有自动操舵方式和随动操舵方式，为了保证系统的可靠性，自动、随动操舵系统相互独立，各自有独立的控制装置和通道，由操舵方式选择开关来转换。当一套系统工作时，通过联锁装置保证另一套系统不工作。一、自动操舵系统的工作原理自动操舵与随动操舵系统电路如图12-13所示。自动操舵系统的原理框图如图12-14所示。将操纵方式选择开关K1转到“自动”（AUTO）位置，航向接收机第四节舵机自动控制系统实例安休斯自动操舵仪是比较有代表27J1与电罗经接通。当船舶偏离给定航向时，如向右偏航角，电罗经带动航向发送器转子转一个偏航角，通过同步传送，使航向接收机J1转动，带动航向刻度盘指示出偏航角，同时通过差动齿轮带动信号发送机J2转动。J2是一个线性旋转变压器其线性精度较高，能够符合舵角反馈电位器的精度要求（电位器线性精度为1﹪）。所以由J2产生一个与偏航角成正比的交流电压Vφ（偏航信号），经相敏整流，输出直流信号，经滤波电路将交流成分滤掉，然后再经过灵敏度调节电路送入运算放大器进行比例、微分综合运算。综合后的信号送到功率放大器，促使控制继电器CJ5（或CJ6）动作，接通电磁阀线圈T1（或T2），打开电磁阀使舵机工作，舵叶向左偏转一个β角。J1与电罗经接通。当船舶偏离给定航向时，如向右偏航角，电罗经28船舶舵机装置的自动控制系统介绍课件29图12-13 安修斯型自动操舵电气原理图转动。J2是一个线性旋转变压器其线性精度较高，能够符合舵角反馈电位器的精度要求（电位器线性精度为1﹪）。所以由J2产生一个与偏航角

成正比的交流电压Vφ（偏航信号），经相敏整流，输出直流信号，经滤波电路将交流成分滤掉，然后再经过灵敏度调节电路送入运算放大器进行比例、微分综合运算。综合后的信号送到功率放大器，促使控制继电器CJ5（或CJ6）动作，接通电磁阀线圈T1（或T2），打开电磁阀使舵机工作，舵叶向左偏转一个β角。偏转舵叶时，通过机械传动装置带动舵角反馈电位器R18的滑动触点偏转，舵角反馈电桥电路失去平衡，并送出直流反馈信号，经过微分电路（其作用是给出积分舵信号）后，进入运算放大器并与偏航信号综合运算。当舵角反馈信号与偏航信号平衡时，放大器输出为零，继电器释放，电磁阀关闭，舵叶停止转动。在这左偏舵角的作用下，使船舶给定原航向返回。这时J1反转，并带动J2反转，航向偏差信号Vφ减小，且小于舵角反馈信号，运算放大器端的极性改变，则输出端输出一个极性相反的操舵信号，使继电器CJ6（或CJ5）动作，接通另一个电磁阀线圈T2（或T1），舵叶开始回转。当船舶回到给定航向时，舵叶也回到艏艉线上。图12-13 安修斯型自动操舵电气原理图30图13-14自动操舵原理框图1-航向接收机J1；2-自动发送器J2；3-相敏整流器；4-低频滤波器；5-灵敏度调节；6-微分舵环节；7-比例舵环节；8-运算放大器；9-功率放大器；10-执行装置；11-舵角反馈发送器；12-积分舵环节；13-舵叶；13-船二、各环节电路和特点（一）、相敏整流电路由二极管D13~D16、电阻R35~R33、负载电阻R39、变压器B1的次级绕组组成，其输入交流电压信号来自线性旋转变压器J2。由R39输出的电压是脉动的直流电压。通过R40、C23滤掉交频分量，得到直流电压信号，其大小和极性决定于输入交流偏航信号电压的大小和相位。（二）、灵敏度调节电路图13-14自动操舵原理框图二、各环节电路和特点31由电阻R41~R53、整流和隔离二极管D19、滤波电容C24、隔离二极管D17、D18、变压器B1的次级绕组、三层同轴波段开关K灵等组成。通过电阻R40，R41（或R42）与R43~R47串联，利用K灵1、K灵2实现串联电阻分压调节。由二极管D19、电容C24、电阻R48~R53等组成一个闭锁环节，通过K灵3调节5~11档，在R41、R42上的闭锁电压大小，使电路形成一定死区。当航向偏差信号克服闭锁电压后，信号才能送到运算放大器进行综合运算。K灵调节时，1~4档只有电阻串联分压，5~11档又增加了闭锁电压，R48~R52阻值逐渐增大，使闭锁电压逐渐增加，所以向高调节时，系统灵敏度逐档降低。K灵有11档，使系统灵敏度调节范围很宽。另外还设有R106~R108可供实船调试使用。（三）、舵角反馈信号及比例—微分—积分舵（PID）调节电路舵角反馈信号由舵角反馈电桥电路产生。直流电桥的两臂由电位器R18通过滑动触点分开，另外两臂分别由电阻R60、R63和R62、R64组成。滑动触点处于中间位置时（舵叶在艏艉线上），电桥平衡，输出电压为零。当舵偏转时，滑动触点偏离中心位置，电桥失去平衡，电阻R61上产生电压，输出电压信号。舵角越大，滑动触点偏离中心位置越远，输出电压信号越大；舵偏转方向不同时，改变滑动触点偏离中心位置的方向，使输出电压信号极性改变。由电阻R41~R53、整流和隔离二极管D19、滤波电容C2432在舵角反馈电路中，通过选择开关K比，调节电阻R66~R70，可改变比例舵的比例系数。在偏航信号电路中，通过选择开关K微，调节微分电路的电容C27~C31，可改变微分舵的微分系数。这时偏航信号与舵角反馈信号输入到运算放大器进行综合运算，并获得比例舵与微分舵。在舵角反馈电路中的电容C33、电阻R65、R70、R57等组成微分电路，形成对偏舵信号的微分计算（相当于前向通道的积分计算），而取得积分舵角。当船舶单侧偏航或不对称偏航时，引起不对称偏舵，因此在电容C33上将累积起电压。不对称偏航越大，偏航时间越长，C33上累积电压越高，使舵角反馈信号减小，因此偏舵角加大，这就是偏航积分舵环节自动压舵的基本原理。当船舶偏航角或修正航向角过大时，为避免积分环节工作，设有触点CDZ1自动短接积分舵电路。此外还设置开关K积，K积打开时自动舵按PID规律调节，K积闭合时积分舵电路短接，自动操舵按PD规律调节。（四）、功率放大电路由晶体管BG9~BG15等组成的具有开关特性的功率放大电路，电路中各晶体管都处于开关特性状态。输入级由BG9和BG10组成。在舵角反馈电路中，通过选择开关K比，调节电阻R66~R733若运算放大器输出信号为上“+”，则BG9导通，引起BG11、BG12导通，继电器CJ5吸合，电磁阀T1通电打开，使舵机向左（或向右）偏舵。若运算放大器输出信号为上“—”，则BG10导通，导致BG13导通，继电器CJ4吸合，BG15导通，继电器CJ6吸合，电磁阀T2通电打开，使舵机向右（或向左）偏舵。为了使左、右偏舵和回零等对称性好，可以调节偏置电路电位器R75、R87或调节接地电位器R94。为了保证导通管能可靠导通，截止管能可靠截止，提高开关电路工作的可靠性，在BG9、BG10的偏置电路中还设置了继电器触头CJ3-2、CJ4-2，用以调整BG9、BG10不至于过载、击穿，从自动信号发送器J2的输出电压中，经过D26、D27整流后引入反偏置。当偏航过大时，运算电路来的偏航信号太大，易于使BF9（或BG10）正向击穿。为此，引入的偏航信号为负偏置，对运算放大器输出的信号予以抵消，从而保护BG9、BG10管。电磁阀电路采用直流电源时，在CJ5、CJ6触头电路中设有灭弧装置，由电容C45、C46和电阻R102组成。电阻值应选择适当，调整要求是使触点接通和断开时的火花大小差不多，且基本看不到为止。一、随动操舵系统的工作原理若运算放大器输出信号为上“+”，则BG9导通，引起BG11、34

随动操舵系统框图12-15所示，电路图见图12-13。将操舵方式选择开关K1转到随动（HAND）位置，航向接收机J1与电罗经的联接电路被切断，舵角反馈电位器R18与自动操舵电路的联系被切断，并改接到随动操舵的电路上，与随动操舵电位器R17组成电桥电路，由交流电源供电。当转动手轮时，带动R17上的滑动触点移动一个位置，电桥失去平稳，产生相应的操舵信号，经过灵敏度调节电路，进入三极管相敏整流放大电路，以差值的形式输入晶体管、可控硅组成的开关电路，控制继电器CJ1或CJ2的通电，从而使电磁阀T1或T2接通，操纵舵机向左或右偏舵。舵偏转后，带动舵角反馈电位器R18上的滑动触点移动，当跟随到相应位置时，电桥又达到平稳，操舵信号消失，继电器断电，使电磁阀关闭，舵叶停止转动，取得与手轮对应的舵角。图13-15 随动操舵原理图1-随动发送器R17；2-信号比较环节；3-灵敏度调节；4-相敏放大器；5-开关电路；6-执行装置；7-舵角反馈发送器R18；8-舵叶随动操舵系统框图12-15所示，电路图见图12-35

其实现环节的电路和特点简介如下：（一）、比较电路由操舵电位器R17与舵角反馈电位器R18组成的电桥电路，实现操舵指令信号与舵角反馈信号的比较，由115V50Hz（或60Hz）交流电源供电。电位器R17与操舵手轮通过齿轮传动相联接。转动舵轮即可改变R17上滑动触点的位置。舵角反馈电位器R18与舵柱通过机械传动相联接。实际舵角为00，手轮的指令舵角亦为00时，两个电位器的滑动触点在中间位置，电桥平衡，无操舵信号输出。当转动手轮时，改变R17上的滑动触点位置，两个滑动触点间输出操舵交流电压信号，随着舵的偏转，R18上的滑动触点向对应的位置跟踪移动。当两个滑动触点所处的对应位置相同时，电桥重新平衡，操舵信号消失。操舵交流电压信号的相应决定于手轮的转动方向，其大小决定于两个滑动触点所处位置差的大小。

（二）、灵敏度调节电路整流器ZL1，电阻R2、R3，二极管D1、D2和电位器R4等组成。在没有随动操舵信号输入前，该电路已在R2、R3上预置了一定的反向电压，即闭锁电压。操舵信号产生后，只有克服了R2（或R3）上的反向电压，才能输入变压器B3的初级。调节电位器R4，可以调节其实现环节的电路和特点简介如下：36预置反向电压的大小，即达到调节随动操舵的灵敏度。调节灵敏度的要求是：操舵时，在最小操舵角下，系统不发生振荡。（三）、相敏放大电路由晶体管BG1、BG2等组成三极管全波相敏放大电路。由B2副边供给交流电压，基极与发射极间由B3副边输入操舵信号电压，整流器ZL2提供基极直流偏置。B2与B3同名端如图中所示。如无操舵信号输入时，BG1、BG2工作情况完全相同，所以a端与b端的电位相等，即Va=Vb(△Vab=0)无差值信号输出。当输入随动操舵信号时，BG1与BG2的工作情况发生变化，一个导通程度增大，另一个导通程度减小。增减程度决定于操舵信号大小；导通程度是增还是减决定于输入操舵信号的相位。由于两管导通程度不同，a、b两端的电位不再相等，有差值信号△Vab输出。△Vab的大小极性与操舵信号大小、相位有关，从而实现了相敏整流，并予以放大。（四）、开关电路差值信号△Vab经过电感L、电容C3、C4、C5滤波后，加到晶体管BG3、BG4基极上，作为开关电路的直流输入信号。开关电路由BG3~BG6（施密特触发器），可控硅SCR1、SCR2，整流器ZL3、ZL4等组成。预置反向电压的大小，即达到调节随动操舵的灵敏度。37整流器ZL3提供了晶体管BG3~BG6的工作电源，ZL4提供可控硅主回路的电源。在无差值信号△Vab输入时，BG5、BG6导通，在电阻R7、R8上产生电压降，使BG3、BG4的发射极电位高于基极电位（接近负极电位），因而BG3、BG4能可靠截止，而BG5、BG6管集电极电位Vc、Vd较低（R10、R12上有电压降），稳压管DW1、DW2截止，可控硅SCR1、SCR2因无触发信号而截止，继电器CJ1、CJ2皆不动作，电磁阀不通电。当有差值信号△Vab输入，如Va>Vb时，使BG3通过二极管D10在基极与发射极间加上正向电压并导通。而BG4的基极与发射极间加上反向电压，使之可靠截止。二极管D9、D10对截止管BG3或BG4起限幅保护作用。BG3导通后，使BG5的基极与发射极同电位而截止，c点电位升到电源正极电位，稳压管DW1导通，触发可控硅SCR1导通，继电器CJ1吸合，电磁阀T1通电，舵叶转动，给出左舵。同理，当有差值信号Va<Vb时，则BG4导通，引起BG6截止，于是SCR2导通，继电器CJ2吸合，电磁阀T2通电，舵机动作，舵叶向反方向转舵，给出右舵。利用可控硅可以构成无触点开关，如图中所示。采用双向可控硅FLS1、FLS2等组成的开关插件，可以代替有触点的继电器CJ1、CJ2继电器插件，供使用者选择。整流器ZL3提供了晶体管BG3~BG6的工作电源，ZL4提供38思考题与习题13-1对船舶舵机有什么基本要求？13-2船舶舵机有几种操舵方式？13-3各种操舵方式有什么特点？13-4什么叫随动舵？试认述其工作原理。13-5什么叫比例-微分舵？它是怎样迅速使S航迹的振幅衰减到零的？13-6积分环节在自动操舵过程中的作用？13-7自动舵有几种调节规律？各种调节规律分别起什么作用？13-8自动操舵仪的组成原理？13-9自动舵基本类型？各种调节规律的性能、特点？13-10自适应舵的概念和类型？思考题与习题13-1对船舶舵机有什么基本要求？39第十三章船舶舵机装置的自动控制系统第一节舵与舵机装置

第二节操舵方式及基本工作原理第三节自动舵的基本类型及其基本要求第四节舵机自动控制系统事例

思考题与习题

第十三章船舶舵机装置的自动控制系统第一节40第十三章船舶舵机装置的自动控制系统第一节舵与舵机装置目前，绝大多数船舶都以舵作为保持或改变航向的设备。舵垂直安装在螺旋桨的后方。早期船舶都采用平板舵。目前除一些内河小船外，为了提高舵效和推进效率，大都采用钢板焊接而成的空心舵，称为复板舵。这种舵由于水平截面呈对称机翼形，故又称流线型舵。舵的型式很多，图13-1示出三种典型的海船用舵。舵叶的偏转由操舵装置（通常称舵机）来控制。舵机经舵柄1将扭矩传递到舵杆3上，舵杆3由舵承支承，它穿过船体上的舵杆套筒4带动舵叶7偏转。舵承固定在船体上，由滑动或滚动轴承及密封填料等到组成此处，舵叶7还可以通过舵销5支承在舵柱8的舵托9舵钮6上。舵杆轴线一般就是舵叶的转动轴线。舵杆轴线紧靠舵叶前缘的舵，称为不平衡舵图13-1（a）；舵杆轴线位于舵叶前缘后面一定位置的舵称为平衡舵图13-1（b）而仅于下半部做成平衡型式的舵称为半平衡舵图13-1（c）。

第十三章船舶舵机装置的自动控制系统第一节舵与舵机411-舵柄；2-上舵轴承；3-下舵轴承；4-舵杆套筒；5-舵销；6-舵钮；7-舵叶；8-舵柱；9-舵托；10-舵轴承

后两种舵在舵杆轴线之前有一定的舵叶面积，转舵时水流作用在它上面产生的扭矩可以抵消一部分轴线后舵叶面积上的扭矩，从而减轻舵机的负荷。一、舵的作用原理如图13-2所示，舵叶处于船舶首尾线上时，水流方向与舵面一致，不产生转船力矩，船舶保持直线航行。当舵叶离开首尾线，向某一航侧偏转一个β角时，因舵叶面现水流流速不同，两面的压力不平1-舵柄；2-上舵轴承；3-下舵轴承；4-舵杆套筒；5-舵销42衡，在舵面上产生与其垂直的压力F。将F分解为相互垂直的两个分力F1和F2。其纵向分力F1对船舶航行起制动作用，使船速减低，而横向分力F2会产生一个使船舶转向的转船力矩M。假设在船舶的重心“0”处加上一对大小相等而方向相反的力，即f1=f2=F2，并与F2平等。则F2与f1组成一个转船力矩M=F2×a，a为F2与f1之间的距离。而f2则引起船舶的横向漂移。转船力矩在一定的舵角上出现最大值，这个舵角称为最大舵角。在船舶上通常予以限定的角度（例如350）作为舵机的最大转舵角。图13-2舵叶偏转时作用于船舶上的力

现代船舶广泛采用流线型舵叶。这种舵叶在转舵时所受到的水流压力F与舵叶面积，船舶速度和舵偏转的角度之间的关系，符合机翼升力理论，可用下式表示：衡，在舵面上产生与其垂直的压力F。将F分解为相互垂直的两个分43F=9.8CRρ(V2/2)S式中：CR—对舵叶模型试验测得的升力系数，与翼型及β角有关：V—船舶速度m/sρ—水的密度kg/m3s—舵叶有效作用面积m2舵角为β时产生的转船力矩M，可近似用下式表示：M=KSV2sin2β式中：K—常数。在自动操舵时，舵角β通常采取小舵角，因而sin2β≈2β，则M公式可写成M=2KSV2sin2β=CV2β式中C=2KS可见转船力矩M近似地与航速的平方成正比；航速越高舵效越好。当航速一定时，M与舵角β（小舵角情况下）成正比。二、舵机装置图13-3扇形齿轮传动机构舵机按拖动方式，目前主要分为电动机械传动舵机和电动液压传动舵机两类。舵机的转舵力矩不仅取决于舵叶上的水流压力F，而且与舵的结构型式有关，采用平衡舵可减少舵机的负载。船舶舵机装置的自动控制系统介绍课件44对于一定型式的舵，转舵力矩在最大舵角时达最大值，而此值在船舶倒车时更大些。随着航速和吨位的增加，转舵力矩也将增大。若采用电动舵机时，传动装置将出现体大笨重，因此现代大型远洋和近海船上电动液压舵机获得广泛地应用。图13-3扇形齿轮传动机构(一)、电动—机械舵机装置图13-3为扇形齿轮传动的电动舵机，它由电动机1通过连轴节2带动蜗杆3和蜗轮4转动，并通过主动齿轮5带动扇形齿轮6，再经过缓冲弹簧7转动舵柄8（在扇形齿轮的下部），从而使舵柱9和舵叶偏转。缓冲弹簧的作用是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。不论是扇形齿轮传动机构还是蜗杆传动机构，它们共同的特点都是通过机械传动机构，以很高的减速比把电动机的高速转动直接传送对于一定型式的舵，转舵力矩在最大舵角时达最大值，而此值在船舶45到舵柱的低速偏转。这类舵机的电力拖动系统常采用直流G-M控制系统。图13-4液压舵机传动机构电动—液压舵机装置基本上与电动—液压起货机传动装置相类似，有双向变量油泵，由恒速电动机拖动，提供可逆流向的高压油。两者不同之处在于拖动起货机卷筒的是可连续旋转的油马达，而转舵机构则是左、右方向移动的液压油缸装置，如图13-4所示。与舵柄(二)、电动—液压舵机装置铰链的撞杆两端置入左右高压油缸内，两油缸与油泵连接，当油缸注入高压油而油缸排出低压油时，推动撞杆（类似于活塞）向低压端移动，从而带动舵柄、舵柱和舵叶偏转。高压油泵的排量和流向则由操舵系统控制。到舵柱的低速偏转。这类舵机的电力拖动系统常采用直流G-M控制46三、对舵机拖动控制系统的技术要求（一）、从主配电板到舵机舱应采用双线供电制，并尽可能远离分开敷设（如左、右舷两路）。在正常情况下应急配电板供电时，其中一路可以经应急配电板供电。驾驶室与舵机舱的操舵装置应使用同一电源。（二）、舵机电动机应满足舵机的技术性要求，并能保证堵转1min的要求。（三）、拖动电动机组应采用双机系统，各机组可单独运行（一机组为备用），也可同时运行。一机组故障碍时，另一机组应能自动投入运行。（四）、至少设有驾驶室和舵机舱两个控制站，并设有转换装置，防止两地同时操纵。（五）、现代船舶驾驶室多装有操舵仪，一般设有自动、随动、应急三种操舵方式，也可只设两种。（六）、船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时，不仅能满足舵自一舷350转至另一舷350的最大舵角要求，还应满足自任一舷350转至另一舷300的时间不超过28s的转舵速度要求。（七）、舵角指示器指示舵角的误差应不大于±10。三、对舵机拖动控制系统的技术要求47（八）、保护和报警装置：设有舵叶偏转限位开关，实现极限位置自动停舵；电源失压报警装置；过载声光报警，但无过载保护装置；采用自动操舵装置时，应设有航向超过允许偏差的自动报警装置。（八）、保护和报警装置：设有舵叶偏转限位开关，实现极限位置自48第二节 操舵方式及基本工作原理图13-5单动操舵原理图一、单动操舵的工作原理单动操舵也就是通过转换开关SA运行的应急操舵，其示意图如图13-5所示。船舶交流电源经整流后，向差复励直流发电机G、直流电动M他励绕组JG—KG、J′G—K′G、JM—KM供电。在有负载情况下，发电机串励绕组JGS—KGS通过电流Ia产生的磁势总是与他励绕组JG—KG（或J‘G—K’

G）所产生的磁势反方向。当船舶向左偏航需要操右舵予以校正时，将手柄开关扳到右位，J‘G—K’G通励磁电流，G输出电压U0输出电流Ia为正，M顺时针方向转动（n0>0）,经过减速比很高的蜗轮一扇形齿轮传动机构，使舵叶右偏β（β>0）。当右偏到符合要求的角度（由舵角指示器，

第二节 操舵方式及基本工作原理图13-5单动操舵原理图一、49求的角度（由舵角指示器观测）时，把手柄开关恢复零位，发电机励磁电流：输出电压消失，舵叶就停在右舵某一角度上。在船舶逐渐回到正航各的过程中，必须回舵。回航时将手柄开关板到左边，JG-KG通励磁电流（与前者反方向），电动机逆时针方向转动（n0<0），偏舵角逐渐减小，舵叶逐渐按近艏艉线，当β=0时，手柄开关也应恢复零位。此时，船舶也回到正航向（即ψ=0，由分罗径观测）上。当船舶向右偏航要操左舵予以较正时，与上述操作相反。 单动操舵的操作方法可以归纳为：手扳舵转，复零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。图13-6单动操舵方框图求的角度（由舵角指示器观测）时，把手柄开关恢复零位，发电机励50单动操舵的方框图如图13-6所示。从方框图中可以看出，人在单动操舵过程中的作用就是观察分罗径的航ψ和舵角指示器的偏航角β，再根据上述操舵方法进行操作，所以单动操舵机构虽然简单，但操纵过程却显得很麻烦，而且需要熟练的操舵经验，否则将使船舶沿固定航向左右摆动的幅度太大。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。二、随动操舵工作原理图13-7所示为随动操舵的原理图。当操舵手轮和舵叶分别在零位和艏艉线上时，由舵轮带动的发送电位器R1和由装在舵柱上的同步传递机构中的接受机带动的反馈电位器R2的滑动点在等电位0和0，电桥处于平衡状态，放大器输入信号U00为零，差复励发电机G的励磁电流IfG为零，他励电动机M停止不转。当舵轮向右转过某一角度，例如使发送电位器R1的滑动点从0点移至a点，电桥平衡被破坏，放大器输入信号Ua0>0,发电机励磁电流IfG和输出电压U0为正，电动机顺时针方向转动，操右舵。在舵叶右偏的过程中，通过舵角反馈同步传递机构的接受机带动反馈电位器R2的滑动点从0′不断地向a′点作追随运动，图13-7随动操舵原理图直至到达a′点，电桥又重新处于平衡状态，放大器输入信号单动操舵的方框图如图13-6所示。从方框图中可以看出，人在单51Aura′=0，电动机停止转动。舵叶处于右舵与舵轮转角相对应的某一角度的位置上。如果要求回舵，就得舵轮扳回零位，R1的滑动点从a点重新返回到0点，电桥平衡又被破坏，但这时放大器的输入信号U0a′<0，发电机励磁电流IfG和输出电压U0为负，电动机逆时针方向转动，舵叶向着艏艉线方向偏转。当回到艏艉线上时，通过反馈机构，R2的滑动点也从a′点返回到0′点电桥又重新恢复平衡，放大器输入信号U00′=0，电动机停止转动。

改变舵轮的转动方向，便可以改变电动机旋转和舵叶偏转的方向。随动操舵的方框图如图13-8所示。由方框图可知，就其工作原理来说，随动操舵就是一个闭环的随动系统，是一个根据偏差进行自动调节的系统。这种系统的停舵指令不是由操舵人员发出的，而是在舵叶偏转过程中，由它本身通过反馈机构发出的。由于闭环系统中采用了比较环节（由两个电位器组成的电桥）进行比较，因此只有当舵角反馈信号（与偏舵角β成比例）与操舵信号（分操舵角γ成比例）相等时，偏关信号U1=0，舵叶才会停止偏转。舵轮从角回互零位，舵叶也从β角回到艏艉线上。图13-8随动操舵方框图随动操舵的方法是，船舶在偏航右舵，舵轮操右舵XX0，舵叶右Aura′=0，电动机停止转动。舵叶处于右舵与舵轮转角相对应52右偏，并自动停在右舵，舵操右舵XX0，舵叶右偏，并且自动停在右舵XX0上。为了减小S形航迹的振幅，船舶在返回正航向过程中，必须操回舵．图13-8随动操舵方框图三、自动操舵工作原理

图13-9为自动操舵的原理图。当船舶沿给定航向上航行，舵叶在艏艉线上，如图示，滚轮1恰好与绝缘块4接触，两个继电器KA1、KA2线圈都不通电，其常开触头都开启，直流发电机G磁场电流为零，输出电压U0为零，直流电动机M停转。沿着正航向航行的船舶，当受到风、水流等外界干扰而向右或左偏转离开正航向K某一角度γ时，通过罗经的航向发送器，使航向接受器也转动同一角度γ，于是被航向接受器带动的滚轮1也就在两个导电半圆环2、3内侧滚动某一角度，或与导电半圆环2接触，或与3接触，于是右偏，并自动停在右舵，舵操右舵XX0，舵叶右偏，并且自动停在53于是继电器KA1或KA2线圈通电，电动机M正转或反转，视船舶偏离正航向的方向而定。图13-9自动操舵原理图

三、自动操舵工作原理图13-9为自动操舵的原理图。当船舶沿给定航向上航行，舵叶在艏艉线上，如图示，滚轮1恰好与绝缘块4接触，两个继电器KA1、KA2线圈都不通电，其常开触头都开启，直流发电机G磁场电流为零，输出电压U0为零，直流电动机M停转。沿着正航向航行的船舶，

当受到风、水流等外界干扰而向右或左偏转离开正航向K某一角度γ时，通过罗经的航向发送器，使航向接受器也转动同一角度γ，于是被航向接受器带动的滚轮1也就在两个导电半圆环2、3内侧滚动某一角度，或与导电半圆环2接触，或与3接触，于是继电器KA1或KA2线圈通电，电动机M正转或反转，视船舶偏离正航向的方向而定。

于是继电器KA1或KA2线圈通电，电动机M正转或反转，视船舶54下面分5个阶段（其实是连续的）说明船舶因外界干扰偏离正航向K后是如何通过自动舵的作用又重返正航向的。在如图13-10所示的第一个阶段，船舶沿正航向K航行，滚轮1恰好与绝缘块4接触，电动机不转动，舵叶在艏艉线上，艏艉线与正航向K重合，偏航角γ，偏舵角β都为零。第二阶段假设由于受风、水流影响，船舶向右偏航，首先航向发送器使自动操舵仪上的航向接受器（即罗经复示器）同步转动某一角度，并带动流轮1向左偏转，与左边导电半圆环2接触，电动机向左转动，舵叶向左偏转，通过舵角反馈同步传递机构，即在舵柱上装发送器，导电环上装接受器的自整角机同步传递系统，使导电环以相同的方向向左作追随滚轮的运动。这一阶段由于外界干扰的持续存在，开始偏舵时偏舵角很小，舵效不明显，所以船舶继续向右偏航（γ增加），舵叶也继续向左偏转（β增加），导电环继续作追随滚轮的运动。第三阶段：由于较强的舵效，使船舶偏听偏信航到某一最大偏航角Φmax而停止偏航，导电环追上滚轮，即绝缘块与滚轮接触，电动机停转，偏舵角也达到最大值βmax。第四阶段：船舶在左舵作用下，向正航向K回转，偏航角从Φmax下面分5个阶段（其实是连续的）说明船舶因外界干扰偏离正航向K55图13-10自动舵校正航向

而停止偏航，导电环追上滚轮，即绝缘块与滚轮接触，电动机停转，偏舵角也达到最大值βmax。第四阶段：船舶在左舵作用下，向正航向K回转，偏航角从Φmax逐渐减小，又通过航向发送器作用，使滚轮开始与右边导电环3接触，电动机向右转，舵叶朝着艏艉方向偏转（β减小），导电环向右作追随滚轮的运动。图13-10自动舵校正航向而停止偏航，导电环追上滚轮，即56

第五阶段：船舶回到正航向K上，导电环正好追上滚轮，使滚轮处于绝缘块占，电动机停转，舵叶位于艏艉线上。上述连续的5个阶段船舶偏离正航向又重返正航向的航迹如图13-11所示。可见采用这一系统运行操舵，能够使船舶在偏航后有自动恢复正航向的能力。这就是自动舵的基本原理。图13-11船舶的航迹曲线把图13-9所示自动操舵原理图画成方框如图13-12所示。该系统由检测元件、比较元件、信号变换环节、第五阶段：船舶回到正航向K上，导电环正好追上57图13-11船舶的航迹曲线放大环节、执行传动机构和反馈环节等组成。系统的调节对象是船，被调量是航向。检测元件：用来检测船舶实际向Φ相对于正航向K的偏差，也就是偏听偏信航角Φ，作为系统的偏差信号，在自动保持航向的自动舵中，电罗经被用作检测元件。它即是检测元件，也是比较环节。比较元件：即航向偏差Φ与反馈舵角β进行比较的环节，在图13-9中就是两个导电半圆环滚轮所构成的部件。变换器：把角差信号变换为发电机的励磁电流，作为放大器的输入信号。放大环节：直流发电机G就是放大器，输出为U0，能源是通过交流异步电动机M把船舶交流电能变为直流电能。执行机构：他励直流电动机M。

通常把舵角反馈称为内反馈，把航向反馈称为外反馈，所以自动操舵系统是一个具有双重负反馈环节和两个比较单无图13-11船舶的航迹曲线放大环节、执行传动机构和反馈环节等58闭环调节系统。图13-12自动操舵方框图闭环调节系统。图13-12自动操舵方框图59第三节自动舵的基本类型及其基本要求一、自动舵的基本类型及其调节规律从目前世界各国已投入运行的船舶来看，所应用的自动舵的类型很多，其调节规律更是多种多样，并且还在不断的发展。但从自动舵的发展过程来看，就其基本闭环调节规律分类，无非有下列三种。（一）、比例舵其调节规律是以船舶偏航角Φ的大小按比例给偏舵角β，即β=-K1Φ式中，K1为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏航。比例系数K1可根据不同船型、装载量和航速作适当调节，通常β/Φ=2~3，即第偏航舵2°~3°。比例系数K1过小或过大，将使偏航振幅加大或偏航振荡次数增多，导致航速降低稳定性差。这种类型的自动舵，其优点是机构简单，但保持航向的精度较差。（二）、比例—微分舵其调节规律是，以船舶偏航角ψ和偏航角速度dψ/dt按比例给出偏舵角β，即β=-（K1ψ+K2dψ/dt）第三节自动舵的基本类型及其基本要求一、自动舵的基本类型及其60式中K2微分系数。微分环节检测偏航角速度（dψ/dt），并给出响应的附加偏舷角信号（K2dψ/dt），从而加快航向的调整过程，提高系统的灵敏度。在船舶开始偏航的初始阶段，偏航角较小，而偏航角速度较大，因此使偏舵角和舵效比相同偏航角（ψ）下的比例舵效要大，这就是能有效地阻止船舶进一步的偏航。随着偏舵角的增加，偏航角速度逐渐减小为零，此时的最大偏航角要小于单纯比例舵的ψmax。当船舶在舵的作用下开始向正航向回转时，偏航角速度逐渐减上，而偏航角速度逐渐增大，但符号相反，使偏舵角等于比例舵角减去微分舵角。在未回到正航向前，两信号已相减为零，继续下去将出现反舵角，因此在船舶回到正航向前已受到所反向舵的作用，从而能有效地阻止因惯性，而向反方向的偏航。通常所说的纠偏舵、稳舵角或反舵角等均指微分舵的作用。可见加入微分环节后使得系统具有“超前”的校正控制作用，即在偏航过程中提前施以最大舵角，在回正航过程中提前施以反舵角，使S航迹的振幅变小，并很快衰退减弱。由于航向振荡减小，舵机负担减轻，航速增加，系统灵敏度提高，这将使船舶有更好的营运效益。式中K2微分系数。微分环节检测偏航角速度（dψ/dt），并给61（三）、比例---微分---积分舵其调节规律是以船舶偏航角ψ偏航角速度dΦ/dt和偏航角积分∫ψdt按比例给出偏舵角β，即β=-（K1ψ+K2dψ/dt+K3∫ψdt）式中K3是积分系数。这种类型的自动舵也称为比例-积分-微分舵或PID舵。船舶在航行时，常常由于船体和装载的不对称，双桨工作的不对称以及受单侧风和水流等外力的影响，使船舶发生左、右不对称的偏航。对称偏航时，S航迹在正航向两侧对称，平均偏航角ψ=0。当不对称偏航时，S航迹在向正航向一侧的摆幅增大，另一侧摆幅减小，使S航迹的轴线方向偏离正航方向，即平均偏航角ψ≠0。船舶单侧力的横向漂移和小的偏航角（在系统灵敏区以内）都不能被检测，因而无偏指令，这将使船舶“差之毫厘，失之千里”。但系统加入积分环节将对偏航角进行积发并分出与偏航角相应的恒定偏舵角指令，利用恒定的偏舵来抵消持续的外力作用，保证船舶的正航向，这种作用还称为自动“压舵”调节。在正常的对称偏航情况下，积分环节也能提高航向的稳定精度，因为它能检测小的偏航角。由于PID舵是比例、积分和微分的综合调节系统，因此，它是（三）、比例---微分---积分舵62动态和静态性能指标以及稳定性都较好的一种自动检测系统。国产自动舵以及远洋船舶中采用的外国生产的自动舵均有上述三种基本类型的自动舵。无论哪种类型的自动舵，都应具有三种操舵方式，正常航行时采用自动操舵，靠离码头，进出狭窄水道等机动状态应能转换为随动操舵，当这两种操舵方式失灵或在紧急情况下应能立即转为应急操舵。二、对自动舵的基本要求（一）、要求性能良好1、自动舵在选择比例舵的比例系数时，应保证一次偏舵角为适当的数值。当船舶偏离给定航向超过灵敏度决定的角度时，自动舵能立即投入工作，使舵叶偏转一定角度，这个初始舵角（一次偏舵角）大小应适当，过大会降低航速，过小会使转船力矩不足，且不足以使船舶返回到原航向。2、为满足复杂的航行要求，常规自动舵，应具有微分舵和积分舵环节，使自动舵在调节过程中具有良好的动态性能和静态性能。（二）、应具备的基本调节装置为使同一型号的自动舵能够适用于不同排水量、装载量、航速及舵机，并能适应各种的天气、海况，必须具有几种基本调节装置，动态和静态性能指标以及稳定性都较好的一种自动检测系统。63在一定范围内调节自动舵系统中某些参数。各种自动舵系统中，使用的元件不同，调整方法可能有差别，但其作用相同。1、灵敏度调节灵敏度是指自动舵系统开始投入工作时的最小偏航角。灵敏度的调节依据天气、海况而定，因此亦称天气调节。在天气良好风平浪静的情况下，灵敏度要调高，即系统开始工作的偏航角调小，使船舶有较高的航向精度。在大风大浪的恶劣天气下，应调低灵敏度，即增大系统的不灵敏区，因为大风浪下，船舶摇摆较大，即便灵敏度调高，也不能稳定船舶的航向，却会使自动舵频繁工作，而加重舵机磨损。灵敏度调节通常采用机械式游隙元件和电气元件。游隙元件是利用间隙的大小，造成一定的死区。电气元件多采用改变放大器的灵敏度，即改变放大器的固定偏置电压来实现的。2、舵角比例调节偏舵角与偏航角之比例关系，称为舵角比例或舵角比K=β/ψ。舵角比例过小时，转船力矩小，回转性能差，舵角比例过大时，可能使船舶回转过头，稳定性差并会降低航速。因此要求根据船型、装载、航速等情况调节舵角比例，其实质是对系统反馈系数的调节。在一定范围内调节自动舵系统中某些参数。各种自动舵系统中，使用643、反舵角调节也称微分调节，自动舵使船舶返回到原航向的过程中，为使船舶作“S”形衰减振荡。并能尽快的稳定下来，自动舵系统应给出反舵角（又称制动舵角、稳舵角、阻尼舵角、纠偏舵角）。此舵角的大小应根据船型、装载等所确定的惯性和天气情况进行调节。4、压舵调节为了纠正船舶由于受到持续的单侧风浪、水流影响及装载不平衡等而引起的不对称偏航或单侧偏航，自动舵中设有自动压舵（积分舵）或人工压舵环节，并能进行调节。5、航向调节船舶在使用自动操舵航行时，可以通过航向调节改变船舶的给定航向，使船舶按新航向航行。一般按小角度逐次调节。修正航向时，也可通过此调节进行。（三）、应设有随动、应急操舵设备船舶进出港，或航行于狭窄航道时，以及遇到紧急情况或者自动操舵失灵的情况下，能立刻转换为随动或应急操舵，保证船舶航行的安全和可靠性。3、反舵角调节65第四节舵机自动控制系统实例

安休斯自动操舵仪是比较有代表性的常规自动操舵仪，它属于比例—微分—积分控制系统，它有自动操舵方式和随动操舵方式，为了保证系统的可靠性，自动、随动操舵系统相互独立，各自有独立的控制装置和通道，由操舵方式选择开关来转换。当一套系统工作时，通过联锁装置保证另一套系统不工作。一、自动操舵系统的工作原理自动操舵与随动操舵系统电路如图12-13所示。自动操舵系统的原理框图如图12-14所示。将操纵方式选择开关K1转到“自动”（AUTO）位置，航向接收机第四节舵机自动控制系统实例安休斯自动操舵仪是比较有代表66J1与电罗经接通。当船舶偏离给定航向时，如向右偏航角，电罗经带动航向发送器转子转一个偏航角，通过同步传送，使航向接收机J1转动，带动航向刻度盘指示出偏航角，同时通过差动齿轮带动信号发送机J2转动。J2是一个线性旋转变压器其线性精度较高，能够符合舵角反馈电位器的精度要求（电位器线性精度为1﹪）。所以由J2产生一个与偏航角成正比的交流电压Vφ（偏航信号），经相敏整流，输出直流信号，经滤波电路将交流成分滤掉，然后再经过灵敏度调节电路送入运算放大器进行比例、微分综合运算。综合后的信号送到功率放大器，促使控制继电器CJ5（或CJ6）动作，接通电磁阀线圈T1（或T2），打开电磁阀使舵机工作，舵叶向左偏转一个β角。J1与电罗经接通。当船舶偏离给定航向时，如向右偏航角，电罗经67船舶舵机装置的自动控制系统介绍课件68图12-13 安修斯型自动操舵电气原理图转动。J2是一个线性旋转变压器其线性精度较高，能够符合舵角反馈电位器的精度要求（电位器线性精度为1﹪）。所以由J2产生一个与偏航角

成正比的交流电压Vφ（偏航信号），经相敏整流，输出直流信号，经滤波电路将交流成分滤掉，然后再经过灵敏度调节电路送入运算放大器进行比例、微分综合运算。综合后的信号送到功率放大器，促使控制继电器CJ5（或CJ6）动作，接通电磁阀线圈T1（或T2），打开电磁阀使舵机工作，舵叶向左偏转一个β角。偏转舵叶时，通过机械传动装置带动舵角反馈电位器R18的滑动触点偏转，舵角反馈电桥电路失去平衡，并送出直流反馈信号，经过微分电路（其作用是给出积分舵信号）后，进入运算放大器并与偏航信号综合运算。当舵角反馈信号与偏航信号平衡时，放大器输出为零，继电器释放，电磁阀关闭，舵叶停止转动。在这左偏舵角的作用下，使船舶给定原航向返回。这时J1反转，并带动J2反转，航向偏差信号Vφ减小，且小于舵角反馈信号，运算放大器端的极性改变，则输出端输出一个极性相反的操舵信号，使继电器CJ6（或CJ5）动作，接通另一个电磁阀线圈T2（或T1），舵叶开始回转。当船舶回到给定航向时，舵叶也回到艏艉线上。图12-13 安修斯型自动操舵电气原理图69图13-14自动操舵原理框图1-航向接收机J1；2-自动发送器J2；3-相敏整流器；4-低频滤波器；5-灵敏度调节；6-微分舵环节；7-比例舵环节；8-运算放大器；9-功率放大器；10-执行装置；11-舵角反馈发送器；12-积分舵环节；13-舵叶；13-船二、各环节电路和特点（一）、相敏整流电路由二极管D13~D16、电阻R35~R33、负载电阻R39、变压器B1的次级绕组组成，其输入交流电压信号来自线性旋转变压器J2。由R39输出的电压是脉动的直流电压。通过R40、C23滤掉交频分量，得到直流电压信号，其大小和极性决定于输入交流偏航信号电压的大小和相位。（二）、灵敏度调节电路图13-14自动操舵原理框图二、各环节电路和特点70由电阻R41~R53、整流和隔离二极管D19、滤波电容C24、隔离二极管D17、D18、变压器B1的次级绕组、三层同轴波段开关K灵等组成。通过电阻R40，R41（或R42）与R43~R47串联，利用K灵1、K灵2实现串联电阻分压调节。由二极管D19、电容C24、电阻R48~R53等组成一个闭锁环节，通过K灵3调节5~11档，在R41、R42上的闭锁电压大小，使电路形成一定死区。当航向偏差信号克服闭锁电压后，信号才能送到运算放大器进行综合运算。K灵调节时，1~4档只有电阻串联分压，5~11档又增加了闭锁电压，R48~R52阻值逐渐增大，使闭锁电压逐渐增加，所以向高调节时，系统灵敏度逐档降低。K灵有11档，使系统灵敏度调节范围很宽。另外还设有R106~R108可供实船调试使用。（三）、舵角反馈信号及比例—微分—积分舵（PID）调节电路舵角反馈信号由舵角反馈电桥电路产生。直流电桥的两臂由电位器R18通过滑动触点分开，另外两臂分别由电阻R60、R63和R62、R64组成。滑动触点处于中间位置时（舵叶在艏艉线上），电桥平衡，输出电压为零。当舵偏转时，滑动触点偏离中心位置，电桥失去平衡，电阻R61上产生电压，输出电压信号。舵角越大，滑动触点偏离中心位置越远，输出电压信号越大；舵偏转方向不同时，改变滑动触点偏离中心位置的方向，使输出电压信号极性改变。由电阻R41~R53、整流和隔离二极管D19、滤波电容C2471在舵角反馈电路中，通过选择开关K比，调节电