ch10船舶舵机的电力拖动与控制

第10章船舶舵机的电力拖动与控制教学目的：掌握舵机电力拖动的特点；操舵方式及原理、性能；自动舵的类型及特点。教学重点：各种操舵的性能，自动舵的特点。教学难点：各种操舵的原理。§10-1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§10-3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概述•舵是船舶的一种十分重要和不可缺少的专用舾装设备。如果船没有舵或舵失灵，在大海里任凭风浪摆布。无主动航向的船不仅不能保证航行的安全，而且是不能到达目的港的。•舵是驾驶人员用来保持或改变船舶在水中运动方向的专用设备。•船舵功能：I.保持船舶预定航向的能力，称为航向稳定性；II.改变船舶运动方向的能力，称回转性。通常把二者统称为船舶的操纵性。§10-1舵机电力拖动与控制的基本要求1.舵机装置舵机装置由操舵装置、舵机、传动机构和舵叶四部分组成。1）电动—机械舵机装置（小船）电动机通过齿轮转动带动舵叶2）电动—液压舵机装置（远洋船）电动机（普通长期工作制）通过液压系统转动带动舵叶。2）舵机电力拖动控制的基本要求（1）工作可靠供电：分左、右舷两路馈电线供电，其中之一应该与应急配电板相连。拖动：要求舵机的驱动电动机采用连续工作制，特性软，过载能力强，能堵转1min以上。操舵：最快航速前进时，能满足最大舵角的要求，且有足够的转舵速度（从一舷最大舵角转至另一舷最大舵角的时间不超过30秒）。（2）生命力强至少有两个控制站（驾驶室和舵机房），控制站之间装有转换开关（防止同时操作），现场控制站具有操作优先级。故障时可进行人力操舵。舵机操纵系统应装有自动操纵系统、随动操纵系统和应急操纵系统三种操纵装置。2）舵机电力拖动控制的基本要求（3）操作灵便要求在任何舵角下均能投入工作，并及时准确地把舵转至给定舵角，具有舵角指示。可实现自动、随动和单动三种操舵方式，能方便地选择切换。（4）舵叶偏转限位保护和失压报警装置当舵叶转至极限位置时，舵机自动停止转舵；当舵机总电源断电时，失压报警；舵机电机只有过载报警而无过载保护装置；当采用自动操舵装置时，应设有航向超过允许偏差的偏航自动报警装置。§10-2操舵方式及基本工作原理操舵方式一般有三种：单动操舵（应急操舵）自动操舵随动操舵航向控制航迹（航线）控制在自动操舵和随动操舵失效情况下应用船舶进出港等备车航行时应用船舶定速航行时应用单动舵原理图1.单动操舵工作原理•单动操舵是在自动操舵和随动操舵都不能使用的应急情况下提供的一种操舵方式。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。•G-M系统电动舵机的单动操舵原理（图a）G—差复励直流发电机，M—执行电动机，J—发电机G的励磁机，控制励磁机的励磁，即可控制舵叶的偏转。K1和K2为操舵手柄或按钮控制的触点,ZD1和ZD2为舵机限位开关。8G-M系统电动舵机的单动操舵原理1当船舶向左偏离航向时，可将操舵手柄右扳，使K1闭合，励磁机J得到某一极性的励磁，G将发出某一极性电压，执行电动机M向某一方向转动，舵叶向右偏转。通过舵角指示器观察舵角大小。当接近所要求的的右偏舵角时，松开手柄，触点K1断开，电机M停转。单动操舵特点：手扳舵转，手放舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左板。G-M系统电动舵机的单动操舵原理系统特点：•手扳舵转，复零舵停•点动控制•人看分罗经compass和舵角指示器操舵。2.随动操舵的工作原理随动操舵是按偏差原则进行调节的操舵自动跟踪系统，被调对象是舵，被调节量是舵角。它具有使舵叶角度与操舵手轮位置自动同步的特点。图10－3是一种电桥平衡式随动操舵原理图。随动操舵原理图（电桥式）2.随动操舵的工作原理随动操舵的基本工作原理框图如图所示。它是一个闭环跟踪系统，以实现舵角的自动追随。图中的比较环节种类很多，如电桥式、电阻式、运算放大器等。执行机构也因舵机形式而异。放大器执行机构船舶舵叶操舵手轮人反馈装置3.自动操舵的工作原理自动操舵的基本工作原理如图所示。M为执行电动机；操舵开关为两半圆环2和3，它们被一绝缘块4分离。两半圆环与舵角反馈装置机械相连，滚动触头（滚轮）1与航向接收器机械相连。航向接收器与陀螺罗经发讯器是同步传递的。3.自动操舵的工作原理当船舶偏离预定航向时，通过陀螺罗经发讯器使航向接收器也转动同一角度，滚轮1与左或右半圆铜环接触，使接触器J1（或J2）动作，电动机正转或反转，拖动舵叶偏转，由于采用舵角反馈，故当舵叶偏转时，半圆环也朝滚轮滚动方向进行跟踪，在船舶偏离航向最大角时，半圆环追上滚轮，使滚轮处在绝缘块上，接触器断电，电动机停转，因而最大偏舵角发生在船舶偏航角最大的时候。船舶在舵的作用下回航时，电动机反转。舵叶向首尾线方向回转，半圆环又开始向滚轮运动方向跟踪。当船舶回到预定航向时，半圆环追上滚轮，使滚轮处在绝缘块上，电动机停转。自动舵校正航向的工作过程φ—偏航角β—偏舵角罗经舵机Ⅰ：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，艏艉线与正航向重合，φ=0，β=0偏航转舵Ⅱ：船右偏→滚轮左偏→J1有电→舵左转→导电环左转β很小(转船力矩小)，偏航φ↑，同时舵角β↑最大舵角Ⅲ：β↑使(φ=φmax)，船停止偏转(dφ/dt=0)。导电环追上滚轮，使绝缘块与滚轮接触，电动机停，舵叶停转β=βmax。回转Ⅳ：在左舵的作用下，船开始回转（φ↓），使滚轮右转，与导电环接3触，使J2有电，电动机反转，回舵（β↓）。导电环右转追随滚轮运动。Ⅴ：船舶回到给定航向K，φ=0，β=0。回航船舶的航迹曲线反馈机构：航向接受器和舵角反馈机构。电罗经是检测元件，也是比较环节。比较(元件)：由两个导电半圆环和滚轮所构成。放大器：直流发电机执行机构：他励直流电动机M。自动操舵系统原理框图小结：（1）自动操舵系统是按船舶对航向的偏离程度来控制船舶的航迹，其操舵系统实际上是在随动操舵的基础上省去手轮，加上航向反馈而形成的。（2）系统的调节对象是船舶，被调节量是航向。（3）自动操舵系统为典型的双闭环控制系统：内环是舵角反馈，实现舵角的自动跟随。外环是航向反馈，实现对船舶偏航的自动调整。§10-3自动舵的基本类型及其调节规律船舶应用的自动舵类型众多，究其调节规律，有三种基本类型：•比例舵：以船舶偏航角的大小和方向进行调节的，•比例-微分舵：以船舶偏航角和偏航角速度的大小和方向调节的。•比例-微分-积分舵：以船舶偏航角、偏航角速度及偏航角积分的大小和方向来调节的。1．比例舵以船舶偏航角φ的大小按比例给偏舵角β，即K1(KP)为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏航。•K1过小，不能产生足够的转船力矩，回转性能不好。•K1过大，使船回转过头，稳定性变坏，还会降低航速。与B随时间变化的曲线1kPkK1是根据船舶载重量、天气状况进行调整，K1=0.5~4；1．比例舵以船舶偏航角φ的大小按比例给偏舵角β，即K1(KP)为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏航。特点：（1）因风浪引起偏航时，比例舵具有纠正偏航的能力。（2）采用比例舵会使船舶沿着航向左右摇摆，船舶航迹呈S型振荡，衰减很慢。（3）控制简单，精度差，系统稳定性差。与B随时间变化的曲线1kPk•比例舵只考虑了偏舵角，而没有考虑偏航角速度。–当偏航角速度较高时，应该适当增加偏舵角，以有效抑制船舶继续偏航。–同时，当船舶回到正航向时，虽然偏航角为零，但由于惯性，船舶仍有一个偏航角速度，会使船舶向另一侧偏航。故造成船舶沿航向作S型航行。2．比例—微分舵以船舶偏航角φ和偏航角速度dφ/dt按比例给出偏舵角β,即K2(KD)是微分系数。dtdkk21加入微分环节后使得系统具有“超前”的校正控制作用。提高系统的灵敏度。通常所说的纠偏舵、稳舵角或反舵角等均指微分舵作用。PDdkkdt比例微分舵角及其合成曲线比例作用微分作用共同作用偏航角偏航角微分12dkkdt控制特点：•当船舶受到风浪影响发生偏航时，偏航角速度较大，产生-K2dφ/dt大，使开始偏航的一段时间内产生较大的舵角。•船舶回航时，由于dφ/dt变号，故增加了回舵，使舵角提前减小。•在舵还未回到正航向之前，由于-K2dφ/dt的作用，舵角已经提前变号，在船舶回到正航向时，已产生了足够大小的反舵角，这对于克服由于船舶惯性向另一侧摆动很有好处，使航向偏摆迅速减小，从而船舶较快稳定在正航向上。比例微分舵角及其合成曲线比例系数K1与微分系数K2选择不当，也将影响航行质量。当载荷增加而船速减慢时，相对于K1，把K2的值调得过小(大比例小微分)，则比例舵的效果就比微分舵的效果大，所以船舶以正航向为中心，左右摇摆，逐渐衰减，最后停止在正船向上，如图所示。偏航比例一微分舵对偏航角的影响12dkkdt反过来，相对K1把K2调得过大(小比例大微分)，则微分舵的效果更明显，因而航向不发生摇摆，航迹呈现过阻尼现象，船舶长时间不能恢复正航向。如图所示。在不同的航行工况下，如何适当选择K1和K2数值，需通过实践，常常是靠经验来调整K1和K2。比例一微分舵对偏航角的影响12dkkdt3．比例—微分—积分舵其调节规律是以船舶偏航角φ、偏航角速度dφ/dt和偏航角的积分∫φdt按比例给出偏舵角β，即K3(KI)是积分系数。dtkdtdKK321积分环节的作用在于消除船舶由于船型不对称、螺旋桨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向移动距离。（不灵敏区是在△φ较小时，自动舵是不调节的）PDIdKKkdtdt如果由于某种原因引起船舶的瞬时偏航，后来立即消失，因为作用时间短，不影响整个航向，所以对其平均航向没有偏移，无需发出校正动舵信号，如图(a)所示。有时候在船舶给定的航向两侧均匀摇摆，经过比较长的时间后，其平均航向仍在正航向上，因此也无需使舵动作，如图(b)所示。只有当船舶在偏航死区内左右摇摆不均匀，平均航向如图(c)所示偏离正航向一侧，且又持续了很长一段时间，于是偏航积分环节发出信号，予以校正。图(d)所示为平均航向发生偏移，积分校正器工作后，船舶返回正航向的情况。自动舵虽能纠偏使船舶返回正航向，但对船舶的横向漂移却无能为力。可利用GPS定位系统来实现航线控制。“比例～微分～积分”调节系统是比较完善的自动舵，但系统构造较复杂。有的自动舵以“压舵”环节了替代上述的积分环节，从而使控制系统得到简化。所谓“压舵”，指的是船舶航行受到持续的单侧横向力的干扰（如风浪、推进器、船舶装载不对称等），使船舶形成向某一侧的小偏航。估计这种情况可能发生，则在自动舵放大环节的输入端加入某一极性的固定信号，这样产生一个相应的固定偏舵角，对船舶形成一个固定的转船力矩，用以平衡单侧横向干扰力。这一固定大小的舵角称之为压舵角。总结：三种控制规律比较比例舵：可以克服偏航，但容易形成S形航迹，调整过程较长。比例-微分舵：可以减小最大偏航角，克服回航时的反向偏航，加快操舵系统响应速度。但微分系数不能太大，否则容易造成不稳定。比例-微分-积分舵：能够产生“自动压舵”调节，克服不对称偏航。§10-4自动操舵系统基本要求和工作原理1.自动操舵系统基本要求（四项）1）自动操舵性能良好初始转舵角（一次偏舵角）的数值要合适自动舵还必须保证有附加舵角（二次偏舵角）。（即合理选择比例舵的比例系数）。2）具有必要的调节装置（1）灵敏度调节（俗称天气调节）（2）舵角比例调节（K1的调节要合适）（3）反舵角调节（K2的调节要合适）（4）压舵调节（积分调节即K3要合适）（5）航向调节（1）灵敏度调节:灵敏度是指系统开始投入工作时的最小偏航角。在风平浪静时要调高些，在大风大浪下应调低些，以减少动舵次数。（2）舵角比例调节:K1的大小直接影响自动舵给出的一次偏舵角和二次偏舵角的数值，因此要根据船型、装载、船速等情况调节舵角比例。（