第二篇-10船舶舵機(jī)的電力拖動(dòng)及控制

1、10 -1 舵機(jī)電力拖動(dòng)與控制的基本要求舵機(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操舵方式及基本工作原理10 -3 自動(dòng)舵的基本類(lèi)型及其調(diào)節(jié)規(guī)律自動(dòng)舵的基本類(lèi)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自動(dòng)操舵系統(tǒng)基本要求和工作原理第第10 章章 船舶舵機(jī)的電力拖動(dòng)與控制船舶舵機(jī)的電力拖動(dòng)與控制內(nèi)容簡(jiǎn)介內(nèi)容簡(jiǎn)介本章主要討論船舶舵機(jī)電力拖本章主要討論船舶舵機(jī)電力拖動(dòng)與控制的基本類(lèi)型和控制原動(dòng)與控制的基本類(lèi)型和控制原理。理。工作過(guò)程：工作過(guò)程：電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)蝸桿蝸輪轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)蝸桿蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)主動(dòng)齒輪帶動(dòng)扇形齒輪，再經(jīng)過(guò)緩動(dòng)，并通過(guò)主動(dòng)齒輪帶動(dòng)扇

2、形齒輪，再經(jīng)過(guò)緩沖彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)舵柄（在扇形齒輪下面，通過(guò)彈簧沖彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)舵柄（在扇形齒輪下面，通過(guò)彈簧推動(dòng)），從而使舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)。推動(dòng)），從而使舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)。電動(dòng)電動(dòng) - - 機(jī)械舵機(jī)裝置機(jī)械舵機(jī)裝置電動(dòng)電動(dòng)液壓舵機(jī)裝置液壓舵機(jī)裝置工作過(guò)程：工作過(guò)程：當(dāng)當(dāng)一油缸注入高一油缸注入高壓油而另一油壓油而另一油缸排出低壓油缸排出低壓油時(shí)，推動(dòng)撞桿時(shí)，推動(dòng)撞桿（活塞）移動(dòng)，（活塞）移動(dòng)，從而帶動(dòng)舵柄，從而帶動(dòng)舵柄，舵柱和舵葉偏舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)液壓舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)舵柱舵柄撞桿油缸 按海規(guī)要求，電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作制；具按海規(guī)要求，電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作制；具有軟的機(jī)械特性和足夠大的過(guò)載能力；堵轉(zhuǎn)有軟的機(jī)械特性和足夠大的過(guò)載能

3、力；堵轉(zhuǎn)時(shí)間應(yīng)能持續(xù)時(shí)間應(yīng)能持續(xù)1分鐘以上，仍不致將電動(dòng)機(jī)燒分鐘以上，仍不致將電動(dòng)機(jī)燒毀。要求電動(dòng)在最快航速下，既能滿足最大毀。要求電動(dòng)在最快航速下，既能滿足最大舵角，也能滿足轉(zhuǎn)舵速度。舵角，也能滿足轉(zhuǎn)舵速度。供電要可靠供電要可靠 從主配電盤(pán)到舵機(jī)應(yīng)當(dāng)用兩路分離較從主配電盤(pán)到舵機(jī)應(yīng)當(dāng)用兩路分離較遠(yuǎn)的饋電線對(duì)舵機(jī)電動(dòng)機(jī)供電。其中之一遠(yuǎn)的饋電線對(duì)舵機(jī)電動(dòng)機(jī)供電。其中之一還應(yīng)該與應(yīng)急配電盤(pán)相連。還應(yīng)該與應(yīng)急配電盤(pán)相連。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行要可靠電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行要可靠10 -1 舵機(jī)電力拖動(dòng)與控制的基本要求舵機(jī)電力拖動(dòng)與控制的基本要求1）工作可靠）工作可靠 任何舵角均能投入工作，能及時(shí)準(zhǔn)確任何舵角均能投入工作，能

4、及時(shí)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)給定舵角。轉(zhuǎn)給定舵角。 操縱系統(tǒng)應(yīng)裝有自動(dòng)、隨動(dòng)和應(yīng)急三操縱系統(tǒng)應(yīng)裝有自動(dòng)、隨動(dòng)和應(yīng)急三種操縱裝置。種操縱裝置。 舵機(jī)電力拖動(dòng)裝置至少有兩個(gè)控制站，舵機(jī)電力拖動(dòng)裝置至少有兩個(gè)控制站，駕駛臺(tái)和舵機(jī)艙各一，控制站之間要有轉(zhuǎn)換駕駛臺(tái)和舵機(jī)艙各一，控制站之間要有轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，以防同時(shí)操作。開(kāi)關(guān)，以防同時(shí)操作。2）生命力強(qiáng)）生命力強(qiáng)3）操作靈便）操作靈便4）舵葉偏轉(zhuǎn)限位保護(hù)和失壓報(bào)警裝置）舵葉偏轉(zhuǎn)限位保護(hù)和失壓報(bào)警裝置限位保護(hù)，防止操舵設(shè)備受損。限位保護(hù)，防止操舵設(shè)備受損。舵機(jī)總電源斷電，聲光報(bào)警。舵機(jī)總電源斷電，聲光報(bào)警。航向超過(guò)允許偏差的偏航自動(dòng)報(bào)警航向超過(guò)允許偏差的偏航自動(dòng)報(bào)警注意：注意：只

5、有過(guò)載報(bào)警而沒(méi)有過(guò)載保護(hù)裝置只有過(guò)載報(bào)警而沒(méi)有過(guò)載保護(hù)裝置10 -2 操舵方式及基本工作原理操舵方式及基本工作原理進(jìn)進(jìn)行行的的應(yīng)應(yīng)急急操操舵。舵。 10.2.1 單動(dòng)操舵工作原理單動(dòng)操舵工作原理限位通通過(guò)過(guò)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)掌舵掌舵手柄手柄 單動(dòng)操舵的操作方法可以歸納為：手板舵動(dòng)，單動(dòng)操舵的操作方法可以歸納為：手板舵動(dòng)，復(fù)零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回復(fù)零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。舵左扳。這種操舵方式僅適用于內(nèi)河小型船舶和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。作為海船的應(yīng)急操舵方式。 單動(dòng)操舵方框圖單動(dòng)操舵方框圖10.2.2 隨動(dòng)操舵的工作原理隨

6、動(dòng)操舵的工作原理 隨動(dòng)操舵方框圖隨動(dòng)操舵方框圖 船舶左偏航操右舵，舵輪操右舵船舶左偏航操右舵，舵輪操右舵x x 0，舵葉右舵葉右偏，并自動(dòng)停在右舵偏，并自動(dòng)停在右舵x x 0上。為了減少形航跡的振上。為了減少形航跡的振幅，船舶在返回正航向過(guò)程中，必須回舵。幅，船舶在返回正航向過(guò)程中，必須回舵。主要環(huán)節(jié)：主要環(huán)節(jié)：比較環(huán)節(jié)、放大環(huán)節(jié)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較環(huán)節(jié)、放大環(huán)節(jié)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)隨動(dòng)操舵的方法：隨動(dòng)操舵的方法：10.2.3 自動(dòng)操舵的工作原理自動(dòng)操舵的工作原理滾輪滾輪1：與航與航向接受器機(jī)械向接受器機(jī)械相連反應(yīng)船舶相連反應(yīng)船舶偏航的角度偏航的角度（船右偏，滾（船右偏，滾輪左偏轉(zhuǎn)）輪左偏轉(zhuǎn)）偏航角偏航角偏舵

7、角偏舵角 絕緣塊絕緣塊4：隔離導(dǎo)電環(huán)隔離導(dǎo)電環(huán)2和和3，并與導(dǎo)電環(huán)一同偏轉(zhuǎn)。，并與導(dǎo)電環(huán)一同偏轉(zhuǎn)。導(dǎo)電環(huán)導(dǎo)電環(huán)2、3：與舵角反饋機(jī)構(gòu)相連，反應(yīng)舵葉的位與舵角反饋機(jī)構(gòu)相連，反應(yīng)舵葉的位置（舵葉左偏，導(dǎo)電環(huán)左偏）。置（舵葉左偏，導(dǎo)電環(huán)左偏）。：船舶回到給定航向：船舶回到給定航向K，=0，=0。：滾輪在絕緣塊上電機(jī)：滾輪在絕緣塊上電機(jī)不動(dòng)舵葉在艏艉線不動(dòng)舵葉在艏艉線：船右偏：船右偏滾輪左偏滾輪左偏J1有有電電舵左轉(zhuǎn)舵左轉(zhuǎn)導(dǎo)電環(huán)左轉(zhuǎn)導(dǎo)電環(huán)左轉(zhuǎn)很很小，使小，使，同時(shí)同時(shí)，：時(shí)（時(shí)（=max），），船停止船停止偏轉(zhuǎn)（偏轉(zhuǎn)（d/ dt = 0）。）。導(dǎo)電環(huán)追導(dǎo)電環(huán)追上滾輪，使絕緣塊與滾輪接觸，上滾輪，使絕緣

8、塊與滾輪接觸，電動(dòng)機(jī)停，舵葉停轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)停，舵葉停轉(zhuǎn)=max。：在左舵的作用下，船開(kāi)始回轉(zhuǎn)（：在左舵的作用下，船開(kāi)始回轉(zhuǎn)（），），使?jié)L輪右轉(zhuǎn)，使?jié)L輪右轉(zhuǎn)，與導(dǎo)電環(huán)接與導(dǎo)電環(huán)接3觸，使觸，使J2有電，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，回舵（有電，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，回舵（）。）。導(dǎo)導(dǎo)電環(huán)右轉(zhuǎn)追隨滾輪運(yùn)動(dòng)。電環(huán)右轉(zhuǎn)追隨滾輪運(yùn)動(dòng)。船船舶舶的的航航跡跡曲曲線線第二節(jié)要點(diǎn)第二節(jié)要點(diǎn)：操舵方式：操舵方式(種類(lèi)、原理種類(lèi)、原理)；自動(dòng)操舵；自動(dòng)操舵儀組成原理。儀組成原理。自動(dòng)操舵系統(tǒng)方框圖自動(dòng)操舵系統(tǒng)方框圖10 -3 自動(dòng)舵的基本類(lèi)型及其調(diào)節(jié)規(guī)律自動(dòng)舵的基本類(lèi)型及其調(diào)節(jié)規(guī)律10.3.1 自動(dòng)舵的基本類(lèi)型自動(dòng)舵的基本類(lèi)型按調(diào)節(jié)規(guī)律分三種基本

9、類(lèi)型：按調(diào)節(jié)規(guī)律分三種基本類(lèi)型：比例舵比例舵比例微分舵比例微分舵比例微分舵積分舵比例微分舵積分舵10.3.2 自動(dòng)舵的調(diào)節(jié)規(guī)律自動(dòng)舵的調(diào)節(jié)規(guī)律 K1過(guò)大，使船回轉(zhuǎn)過(guò)頭，過(guò)大，使船回轉(zhuǎn)過(guò)頭，穩(wěn)定性變壞，還會(huì)降低穩(wěn)定性變壞，還會(huì)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給偏舵角按比例給偏舵角，即即= K1K1為比例系數(shù)，負(fù)號(hào)表示為比例系數(shù)，負(fù)號(hào)表示偏舵的方向是消除偏偏舵的方向是消除偏K1過(guò)小，不能產(chǎn)生足夠的過(guò)小，不能產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)船力矩，回轉(zhuǎn)性能不好。轉(zhuǎn)船力矩，回轉(zhuǎn)性能不好。1）比例舵）比例舵 加入微分環(huán)節(jié)后使得系統(tǒng)具有加入微分環(huán)節(jié)后使得系統(tǒng)具有“超前超前”的校正控制作用。提高系統(tǒng)的

10、靈敏度。的校正控制作用。提高系統(tǒng)的靈敏度。 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按按比例給出偏舵角比例給出偏舵角，即即= （K1+K2d/d t ）K2是微分系數(shù)。是微分系數(shù)。 通常所說(shuō)的糾偏舵、穩(wěn)舵角或反舵角通常所說(shuō)的糾偏舵、穩(wěn)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選擇不當(dāng)，選擇不當(dāng)，將影響航行質(zhì)量。將影響航行質(zhì)量。1、當(dāng)載荷大船速慢，當(dāng)載荷大船速慢，相對(duì)于相對(duì)于K1，把把K2調(diào)小，調(diào)小，則比例效果大，結(jié)果則比例效果大，結(jié)果船舶搖擺逐漸衰減至船舶搖擺逐漸衰減至正航向。正航向。2、反過(guò)來(lái)，相對(duì)于反過(guò)來(lái)，相對(duì)于

11、K1，把把K2調(diào)大，則微調(diào)大，則微分效果大，航跡過(guò)阻分效果大，航跡過(guò)阻尼，長(zhǎng)時(shí)間不能回到尼，長(zhǎng)時(shí)間不能回到正航向。正航向。相對(duì)于相對(duì)于K1，把把K2調(diào)小，則比例效果大調(diào)小，則比例效果大相對(duì)于相對(duì)于K1，把把K2調(diào)大，則微分效果大調(diào)大，則微分效果大 積分環(huán)節(jié)的作用在于消除船舶由于船型積分環(huán)節(jié)的作用在于消除船舶由于船型不對(duì)稱(chēng)、螺旋漿不對(duì)稱(chēng)或船舶單側(cè)風(fēng)、水不對(duì)稱(chēng)、螺旋漿不對(duì)稱(chēng)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。向移動(dòng)距離。（不靈敏區(qū)是在（不靈敏區(qū)是在較小時(shí)，較小時(shí)，自動(dòng)舵不調(diào)節(jié)時(shí)）自動(dòng)舵不調(diào)節(jié)時(shí)）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積分的積分d t按比例給出偏舵角按比例給出偏舵角，即即= （K1+K2d/d t + K3d t）K3是積分系數(shù)。是積分系數(shù)。3）比例）比例微分微分積分舵積分舵（a）（b）（c）（d）偏航時(shí)的積分作用偏航時(shí)的積分作用實(shí)際：常用實(shí)際：常用“壓舵壓舵”代替代替PID中的積分環(huán)節(jié)中的積分環(huán)節(jié)期望值是轉(zhuǎn)舵角越小越好（最好低于5），轉(zhuǎn)舵次數(shù)越小越好（每分鐘小于6次） 10 -4 自動(dòng)操舵系統(tǒng)基本要求和工作原理自動(dòng)操舵系統(tǒng)基本要求和工作原理10.4.1 自動(dòng)操舵系統(tǒng)基本要求自動(dòng)操舵系統(tǒng)基本要求1）自動(dòng)操舵性能良好）自動(dòng)操舵性能良好偏航，則使舵葉偏轉(zhuǎn)一定角度，即偏航，則使

13、舵葉偏轉(zhuǎn)一定角度，即一次偏一次偏舵角舵角；如過(guò)大則使航速降低，過(guò)小則不能；如過(guò)大則使航速降低，過(guò)小則不能回航向，故要給出附加舵角即回航向，故要給出附加舵角即二次偏舵角二次偏舵角。2）具有必要的調(diào)節(jié)裝置）具有必要的調(diào)節(jié)裝置（4）壓舵調(diào)節(jié)壓舵調(diào)節(jié)：偏航積分電路，作用是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)壓：偏航積分電路，作用是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)壓舵，調(diào)節(jié)積分系數(shù)舵，調(diào)節(jié)積分系數(shù)K3 。（1）靈敏度調(diào)節(jié)靈敏度調(diào)節(jié)（天氣調(diào)節(jié)）：人為設(shè)定系統(tǒng)的死（天氣調(diào)節(jié)）：人為設(shè)定系統(tǒng)的死區(qū)，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。區(qū)，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。（2）舵角比例調(diào)節(jié)舵角比例調(diào)節(jié)：根據(jù)船舶大小、船型、裝載：根據(jù)船舶大小、船型、裝載情況及航速來(lái)選擇舵角比例系數(shù)情況及航速

14、來(lái)選擇舵角比例系數(shù)K1 。（3）反舵角調(diào)節(jié)反舵角調(diào)節(jié)：使船舶還未回到給定航向時(shí)，：使船舶還未回到給定航向時(shí)，舵已提前回到首尾線，并反方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，來(lái)舵已提前回到首尾線，并反方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，來(lái)克服船舶的慣性，起到阻尼作用，以使船舶能很快克服船舶的慣性，起到阻尼作用，以使船舶能很快的回到給定航向指微分環(huán)節(jié)的回到給定航向指微分環(huán)節(jié) K2（5）航向調(diào)節(jié)航向調(diào)節(jié)（小航角航向調(diào)節(jié)）：在自動(dòng)操舵（小航角航向調(diào)節(jié)）：在自動(dòng)操舵運(yùn)行中，可以通過(guò)航向調(diào)節(jié)改變船舶的給定航向，運(yùn)行中，可以通過(guò)航向調(diào)節(jié)改變船舶的給定航向，使船舶在新的航向上航行。使船舶在新的航向上航行。3）應(yīng)設(shè)有隨動(dòng)、單動(dòng)等操舵設(shè)備）應(yīng)設(shè)有隨動(dòng)、

15、單動(dòng)等操舵設(shè)備進(jìn)出港、緊急情況、操舵失靈時(shí)，應(yīng)能立刻轉(zhuǎn)換進(jìn)出港、緊急情況、操舵失靈時(shí)，應(yīng)能立刻轉(zhuǎn)換操舵方式，保證可靠性。還要有雙電源、雙機(jī)組操舵方式，保證可靠性。還要有雙電源、雙機(jī)組等。等。 自適應(yīng)自動(dòng)舵是一種具有自適應(yīng)控制功能的自自適應(yīng)自動(dòng)舵是一種具有自適應(yīng)控制功能的自動(dòng)舵裝置?？筛鶕?jù)測(cè)量到的被控制對(duì)象（船）現(xiàn)時(shí)動(dòng)舵裝置?？筛鶕?jù)測(cè)量到的被控制對(duì)象（船）現(xiàn)時(shí)狀態(tài)的外部連續(xù)信息（轉(zhuǎn)舵角、船首向、船速等），狀態(tài)的外部連續(xù)信息（轉(zhuǎn)舵角、船首向、船速等），不斷地實(shí)時(shí)辯識(shí)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)實(shí)施有效的控制。不斷地實(shí)時(shí)辯識(shí)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)實(shí)施有效的控制。自適應(yīng)舵的基本概念和調(diào)節(jié)原理自適應(yīng)舵的基本概念和調(diào)節(jié)原理

16、舵機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)方框圖舵機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)方框圖10.4.2 自動(dòng)操舵系統(tǒng)的工作原理自動(dòng)操舵系統(tǒng)的工作原理1）系統(tǒng)組成：）系統(tǒng)組成：2個(gè)操作臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)反饋裝置、電源箱等個(gè)操作臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)反饋裝置、電源箱等三種操舵方式選擇，自動(dòng)舵：三種操舵方式選擇，自動(dòng)舵：PI壓舵壓舵2）信號(hào)發(fā)送電路）信號(hào)發(fā)送電路偏航信偏航信號(hào)發(fā)送號(hào)發(fā)送隨動(dòng)信隨動(dòng)信號(hào)發(fā)送號(hào)發(fā)送舵角反饋信號(hào)舵角反饋信號(hào)發(fā)送發(fā)送信號(hào)發(fā)送信號(hào)發(fā)送控制式自控制式自整角機(jī)：整角機(jī)：自動(dòng)操舵時(shí)，自動(dòng)操舵時(shí)，F(xiàn)1在協(xié)在協(xié)調(diào)位置，無(wú)信號(hào)輸出；調(diào)位置，無(wú)信號(hào)輸出；偏航時(shí)分羅經(jīng)帶動(dòng)偏航時(shí)分羅經(jīng)帶動(dòng)F1轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，則其繞組則其繞組S2S3輸出輸出一個(gè)正弦偏航