第七節(jié)自動操舵控制系統(tǒng)

1、6.7自動操舵控制系統(tǒng)自動操舵控制系統(tǒng) 教學(xué)要求：教學(xué)要求： 了解船舶舵機對電力拖動控制設(shè)備的了解船舶舵機對電力拖動控制設(shè)備的 要求，理解自動操舵的工作原理，掌握比要求，理解自動操舵的工作原理，掌握比 例舵、微分舵、積分舵的調(diào)節(jié)規(guī)律。例舵、微分舵、積分舵的調(diào)節(jié)規(guī)律。 船舶舵機操縱臺船舶舵機操縱臺 船舶舵機總組成機房船舶舵機總組成機房 轉(zhuǎn)船力矩：轉(zhuǎn)船力矩：T=FT=F2 2L L 舵機裝置舵機裝置 舵機裝置由操舵裝置、執(zhí)行電動機、傳動機舵機裝置由操舵裝置、執(zhí)行電動機、傳動機 構(gòu)和舵葉四部分組成。構(gòu)和舵葉四部分組成。 按傳動機構(gòu)分：按傳動機構(gòu)分： 1電動電動機械舵機裝置機械舵機裝置 電動機通過齒輪

2、轉(zhuǎn)動帶動舵葉電動機通過齒輪轉(zhuǎn)動帶動舵葉 2電動電動液壓舵機裝置液壓舵機裝置 電動機通過液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)動帶動舵葉電動機通過液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)動帶動舵葉 舵機裝置分為兩類：舵機裝置分為兩類： . .電動電動 - - 機械；機械；. .電動電動 - - 液壓。液壓。 電動電動 - - 機械舵機裝置機械舵機裝置： 工作過程：工作過程：電動機通過連電動機通過連 軸節(jié)帶動蝸桿蝸輪轉(zhuǎn)動，并通軸節(jié)帶動蝸桿蝸輪轉(zhuǎn)動，并通 過主動齒輪帶動扇形齒輪，再過主動齒輪帶動扇形齒輪，再 經(jīng)過緩沖彈簧轉(zhuǎn)動舵柄（在扇經(jīng)過緩沖彈簧轉(zhuǎn)動舵柄（在扇 形齒輪下面，通過彈簧推動），形齒輪下面，通過彈簧推動）， 從而使舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)。從而使舵柱和舵葉

3、偏轉(zhuǎn)。 系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成： 一般采用一般采用G-M系統(tǒng)。系統(tǒng)。 作用：蝸桿蝸輪傳動，大變比減速，能夠鎖定舵柱和舵葉。作用：蝸桿蝸輪傳動，大變比減速，能夠鎖定舵柱和舵葉。 緩沖彈簧，減輕船舶在航行中波浪對舵葉的沖擊力，緩沖彈簧，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。防止傳動裝置受到損傷。 電動電動 液壓舵機裝置液壓舵機裝置 系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成： 恒速電動機恒速電動機 （可用普通異步（可用普通異步 機）拖動雙向變機）拖動雙向變 量油泵，提供雙量油泵，提供雙 向的高壓油驅(qū)動向的高壓油驅(qū)動 液壓油缸。液壓油缸。 工作過程：當(dāng)一油缸注入高壓油而另一油缸排出工作過程：當(dāng)一油缸注入高

4、壓油而另一油缸排出 低壓油時，推動撞桿（活塞）移動，從而帶動舵柄，低壓油時，推動撞桿（活塞）移動，從而帶動舵柄， 舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)。舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)。 基本要求：基本要求： 三可靠。三可靠。 1.1.供電可靠：供電可靠： 采用雙路供電采用雙路供電 ，兩路分離較遠(yuǎn)的饋電線，兩路分離較遠(yuǎn)的饋電線， 其中一路經(jīng)應(yīng)急配電板。其中一路經(jīng)應(yīng)急配電板。 一、舵機對電控設(shè)備的要求一、舵機對電控設(shè)備的要求 2.電動機運行可靠：電動機運行可靠： 電動液壓舵機：普通長期工作制，過載能力強的電動液壓舵機：普通長期工作制，過載能力強的 鼠籠電動機鼠籠電動機 電動舵機：電動舵機：應(yīng)能在船舶處于最深航海吃水，并以應(yīng)能在船舶處于

5、最深航海吃水，并以 最大營運航速前進(jìn)時，將舵自任一舷的最大營運航速前進(jìn)時，將舵自任一舷的35轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)至 另一舷的另一舷的35，且能在不大于，且能在不大于28s的時間內(nèi)將舵的時間內(nèi)將舵 自任何一舷的自任何一舷的35轉(zhuǎn)至另一舷的轉(zhuǎn)至另一舷的30。 舵機電動機有軟的機械特性和足夠大的過載能力，舵機電動機有軟的機械特性和足夠大的過載能力， 堵轉(zhuǎn)時間應(yīng)能持續(xù)堵轉(zhuǎn)時間應(yīng)能持續(xù)1min以上，仍不致將電動機燒以上，仍不致將電動機燒 壞。壞。 3控制系統(tǒng)要可靠控制系統(tǒng)要可靠 （1）應(yīng)有駕駛臺和舵機艙兩個以上控制站、）應(yīng)有駕駛臺和舵機艙兩個以上控制站、 并設(shè)轉(zhuǎn)換開關(guān)防同時操作。并設(shè)轉(zhuǎn)換開關(guān)防同時操作。 （2）設(shè)有自

6、動、隨動、應(yīng)急三種操舵。）設(shè)有自動、隨動、應(yīng)急三種操舵。 （3）應(yīng)設(shè)舵葉偏轉(zhuǎn)限位開關(guān)，失壓報警，自）應(yīng)設(shè)舵葉偏轉(zhuǎn)限位開關(guān)，失壓報警，自 動操舵極限角自動報警。動操舵極限角自動報警。 二、二、操舵方式、類型、工作原理操舵方式、類型、工作原理 三種操舵方式，主要掌握它們的作用、特點和工三種操舵方式，主要掌握它們的作用、特點和工 作原理。作原理。 1.1.單動操舵工作原理單動操舵工作原理 2.2.隨動操舵工作原理隨動操舵工作原理 3.3.自動操舵工作原理自動操舵工作原理 單動（香蕉柄）操舵：單動（香蕉柄）操舵： 在海船上就是應(yīng)急操舵。在海船上就是應(yīng)急操舵。 方法：手扳舵轉(zhuǎn)，復(fù)零舵停；左舵左扳，回舵右

7、扳；右舵右方法：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。扳，回舵左扳。 人看分羅經(jīng)和舵角指示器操舵。人看分羅經(jīng)和舵角指示器操舵。 原理：轉(zhuǎn)換開關(guān)改變發(fā)電機勵磁方原理：轉(zhuǎn)換開關(guān)改變發(fā)電機勵磁方 向，從而使電動機反轉(zhuǎn)。向，從而使電動機反轉(zhuǎn)。 單動操舵工作原理單動操舵工作原理 電動機勵磁不變。電動機勵磁不變。 性質(zhì)：性質(zhì)： 1操舵手柄或舵輪位置不與操舵手柄或舵輪位置不與 舵葉位置相對應(yīng)，要用舵角舵葉位置相對應(yīng)，要用舵角 指示器才能知道舵葉所轉(zhuǎn)角指示器才能知道舵葉所轉(zhuǎn)角 度。度。 2操舵手柄向某一方向，電操舵手柄向某一方向，電 動機拖動舵葉向相應(yīng)方向，動機拖動舵葉向相應(yīng)方向， 手

8、柄回零，舵葉固定在某一手柄回零，舵葉固定在某一 角度。角度。 3要使舵葉回到中間位置，要使舵葉回到中間位置， 手柄反向。手柄反向。 4太平舵：手直接板動舵葉太平舵：手直接板動舵葉 。 隨動隨動操舵，又叫操舵，又叫“舵輪操舵舵輪操舵”。 隨動隨動 舵葉隨著舵輪轉(zhuǎn)動舵葉隨著舵輪轉(zhuǎn)動 。 方法：左偏航操右舵，舵輪操右?guī)追椒ǎ鹤笃讲儆叶妫孑啿儆規(guī)?度，舵葉右偏幾度（右偏也相似）。度，舵葉右偏幾度（右偏也相似）。 原理：是負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。以舵原理：是負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。以舵 角和舵輪的偏差控制電動機。角和舵輪的偏差控制電動機。 操舵過程操舵過程：舵輪：舵輪向右轉(zhuǎn)過一個角向右轉(zhuǎn)過一個角 度度，電位器電位器

9、R R1 1的滑動點移動，的滑動點移動， 電橋失去平衡，放大器輸入信號電橋失去平衡，放大器輸入信號 00，發(fā)電機輸出電壓使電動機順，發(fā)電機輸出電壓使電動機順 時針方向轉(zhuǎn)動，使舵葉向右偏轉(zhuǎn)。時針方向轉(zhuǎn)動，使舵葉向右偏轉(zhuǎn)。 同時舵角反饋同步傳遞機構(gòu)帶動同時舵角反饋同步傳遞機構(gòu)帶動 反饋電位器反饋電位器R R2 2的滑動點不斷向的滑動點不斷向a 點移動。當(dāng)電橋重新處于新的平點移動。當(dāng)電橋重新處于新的平 衡狀態(tài)時，放大器輸入衡狀態(tài)時，放大器輸入=0=0，電動電動 機停轉(zhuǎn)，舵葉處于右舵與舵輪轉(zhuǎn)機停轉(zhuǎn)，舵葉處于右舵與舵輪轉(zhuǎn) 動相對應(yīng)的角度上。動相對應(yīng)的角度上。 回舵過程相似，只是放大器輸入變回舵過程相似，

10、只是放大器輸入變 反，電動機反轉(zhuǎn)，舵葉回偏。反，電動機反轉(zhuǎn)，舵葉回偏。 隨動操舵工作原理隨動操舵工作原理 自動操舵：實際上是自動航向保持儀。自動操舵：實際上是自動航向保持儀。 組成原理：利用電羅經(jīng)檢測船舶實際航向組成原理：利用電羅經(jīng)檢測船舶實際航向 ，然后與，然后與 給定航向給定航向K K進(jìn)行比較，其差值作為操舵裝置的輸入信號，進(jìn)行比較，其差值作為操舵裝置的輸入信號， 使操舵裝置動作，改變偏舵角使操舵裝置動作，改變偏舵角。在舵角的作用下，船舶逐。在舵角的作用下，船舶逐 漸回到正航向上。船舶回到正航向后，舵葉不再偏轉(zhuǎn)。漸回到正航向上。船舶回到正航向后，舵葉不再偏轉(zhuǎn)。 線路分析：最簡單的電動操舵線

11、路的工作過程見圖。線路分析：最簡單的電動操舵線路的工作過程見圖。 操舵過程：見操舵過程：見下圖下圖 自動操舵工作原理自動操舵工作原理 三、自動舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律三、自動舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律 1.1.自動舵的基本類型：自動舵的基本類型： 三種三種 比例、比例比例、比例- -微分、比例微分、比例- -微分微分- -積分積分 2.2.三種自動類型的作用和特點三種自動類型的作用和特點 自動舵方框圖自動舵方框圖 自動操舵自動操舵基本類型基本類型 定義：自動舵的基本類型是指按操舵定義：自動舵的基本類型是指按操舵 的規(guī)律分類的（也就是舵的偏轉(zhuǎn)規(guī)律）類的規(guī)律分類的（也就是舵的偏轉(zhuǎn)規(guī)律）類 型，而不是

12、舵機裝置的類型。型，而不是舵機裝置的類型。 三種基本類型：三種基本類型：. .比例舵；比例舵；. .比例比例 - - 微分舵；微分舵；. .比例比例 - - 微分微分 - - 積分舵。積分舵。 說明：不同基本類型的自動舵，對舵說明：不同基本類型的自動舵，對舵 葉的調(diào)節(jié)規(guī)律是不同的。葉的調(diào)節(jié)規(guī)律是不同的。 偏航與操舵偏航與操舵 1 1、比例舵（、比例舵（P P舵）舵） 比例舵操舵的規(guī)律是比例舵操舵的規(guī)律是：偏舵角：偏舵角的大小與偏航的大小與偏航 角角的大小成比例關(guān)系，即：的大小成比例關(guān)系，即： = - K= - K1 1 其中：其中：K K1 1為比例系數(shù)，負(fù)號表示與偏航方向相反。為比例系數(shù)，負(fù)

13、號表示與偏航方向相反。 特點：機構(gòu)簡單，航行保持精度較差，船舶營特點：機構(gòu)簡單，航行保持精度較差，船舶營 運經(jīng)濟(jì)性較差（會出現(xiàn)運經(jīng)濟(jì)性較差（會出現(xiàn)S S形航跡）。形航跡）。 比例舵的不足：偏航初期偏舵角較小，不能很比例舵的不足：偏航初期偏舵角較小，不能很 快阻止船舶繼續(xù)偏航；回航過程中船舶具有慣性，快阻止船舶繼續(xù)偏航；回航過程中船舶具有慣性， 偏舵角不能及時減小，容易反向偏航。偏舵角不能及時減小，容易反向偏航。 比例比例- -微分舵操舵的規(guī)律是：偏舵角微分舵操舵的規(guī)律是：偏舵角的大小與偏航的大小與偏航 角角的大小成比例的大小成比例- -微分關(guān)系，即：微分關(guān)系，即： = - = -（K K1 1

14、+K+K2 2d d/dt/dt） 其中：其中：K K1 1為比例系數(shù)，為比例系數(shù)，K K2 2為微分系數(shù)。為微分系數(shù)。 說明：偏航初期，偏航角變化率大，比例說明：偏航初期，偏航角變化率大，比例 - - 微分舵微分舵 能及時給出大偏舵，有效地阻止船舶偏航（最大偏航角較能及時給出大偏舵，有效地阻止船舶偏航（最大偏航角較 ?。?；回航時，偏航角變化率變?yōu)樨?fù)值，能適時給出反舵小）；回航時，偏航角變化率變?yōu)樨?fù)值，能適時給出反舵 角，阻止船舶反向偏航，即能有效阻止反向偏航。角，阻止船舶反向偏航，即能有效阻止反向偏航。 微分舵又叫糾偏舵、穩(wěn)舵角或反舵角。微分舵又叫糾偏舵、穩(wěn)舵角或反舵角。 2 2、比例、比例

15、- -微分舵微分舵（PDPD舵）舵） 3 3、比例、比例- -積分積分- -微分舵微分舵（PIDPID舵）舵） 組成：是在比例組成：是在比例 - - 微分舵基礎(chǔ)上增加積分環(huán)節(jié)。積分微分舵基礎(chǔ)上增加積分環(huán)節(jié)。積分 環(huán)節(jié)作用是環(huán)節(jié)作用是 克服不對稱偏航?？朔粚ΨQ偏航。K K3 3是積分系數(shù)。是積分系數(shù)。 不對稱偏航的產(chǎn)生：不對稱偏航是某舷（側(cè)）的偏航角不對稱偏航的產(chǎn)生：不對稱偏航是某舷（側(cè)）的偏航角 持續(xù)時間比另一舷（側(cè)）偏航角持續(xù)時間長。持續(xù)時間比另一舷（側(cè)）偏航角持續(xù)時間長。 原因：裝載不對稱，斜向風(fēng)的持續(xù)影響，斜向海潮的持原因：裝載不對稱，斜向風(fēng)的持續(xù)影響，斜向海潮的持 續(xù)影響。續(xù)影響。

16、對于具有雙螺旋槳推進(jìn)的船舶，螺旋槳推進(jìn)對于具有雙螺旋槳推進(jìn)的船舶，螺旋槳推進(jìn) 的不平衡也會產(chǎn)生不對稱偏航。的不平衡也會產(chǎn)生不對稱偏航。 積分環(huán)節(jié)工作原理：積分環(huán)節(jié)可以對偏航持續(xù)時間進(jìn)行積分環(huán)節(jié)工作原理：積分環(huán)節(jié)可以對偏航持續(xù)時間進(jìn)行 累積，當(dāng)某舷（側(cè)）偏航持續(xù)的時間比另一舷（側(cè)）持續(xù)時累積，當(dāng)某舷（側(cè)）偏航持續(xù)的時間比另一舷（側(cè)）持續(xù)時 間長時，通過環(huán)節(jié)輸出的信號（偏舵角）將繼續(xù)保持，這個間長時，通過環(huán)節(jié)輸出的信號（偏舵角）將繼續(xù)保持，這個 信號將通過執(zhí)行機構(gòu)使舵葉維持在一定的偏轉(zhuǎn)角度上，從而信號將通過執(zhí)行機構(gòu)使舵葉維持在一定的偏轉(zhuǎn)角度上，從而 使船舶具有克服單向偏航的能力。使船舶具有克服單向偏航的能力。 也叫壓舵，可提高保持正航向精確度。也叫壓舵，可提高保持正航向精確度。 比例舵：可以克服偏航，但容易形成比例舵：可以克服偏航，但容易形成S S形航跡，形航跡， 航程較長。航程較長。 比例比例 - - 微分舵：可以減小最大偏航角，克服微分舵：可以減小最大偏航角，克服 回航時的反向偏航。但微分系數(shù)不能太大，否則容回航時的反向偏航。但微分系數(shù)不能太大，否則容 易造成不穩(wěn)定。易造成不穩(wěn)定。 比例比例 - - 微分微分 - - 積分舵：能夠產(chǎn)生積分舵：能夠產(chǎn)生“自動壓舵自動壓舵” 調(diào)節(jié)，克服不對稱偏航