第二篇-10船舶舵机的电力拖动与控制

（a） （b） （c） （d）
偏航时的积分作用
实际：常用“压舵”代替PID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
10.4.1 自动操舵系统基本要求 1）自动操舵性能良好 偏航，则使舵叶偏转一定角度，即一次偏 舵角；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二次偏舵角。 2）具有必要的调节装置
（5）航向调节（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， 使船舶在新的航向上航行。
3）应设有随动、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 操舵方式，保证可靠性。还要有双电源、双机组 等。
自适应舵的基本概念和调节原理
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 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。
以船舶偏航角φ、偏航角速度dφ/ d t和偏航角 的积分∫φd t按比例给出偏舵角β，即
β= －（K1φ+K2dφ/d t + K3∫φd t）
K3是积分系数。
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 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， 自动舵不调节时）
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
1）系统组成：2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：PI＋压舵
2）信号发送电路 信号发送－控制式自 整角机： 自动操舵时，F1在协 调位置，无信号输出； 偏航时分罗经带动F1 转子转动一个角度， 则其绕组S2－S3输出 一个正弦偏航信号。 稳压管：输出钳位
限 位
进 通 行 过 的 转 应 换 急 开 操 关 舵。
单动操舵方框图
掌舵 手柄
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 舵左扳。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。
10.2.2 随动操舵的工作原理
随动操舵方框图
主要环节： 比较环节、放大环节、执行机构 随动操舵的方法： 船舶左偏航操右舵，舵轮操右舵x x 0，舵叶右 偏，并自动停在右舵x x 0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。
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。
船 舶 的 航 迹 曲 线
[第二节要点]：操舵方式(种类、原理)；自动操舵 仪组成原理。
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
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 时间应能持续1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 舵角，也能满足转舵速度。
2）生命力强
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 开关，以防同时操作。
3）操作灵便
第10 章 船舶舵机的电力拖动与控制
§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
内容简介
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 理。
电动 - 机械舵机装置
工作过程：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 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。
10.3.1 自动舵的基本类型 按调节规律分三种基本类型： 比例舵 比例－微分舵 比例－微分舵－积分舵
10.3.2 自动舵的调节规律 1）比例舵
以船舶偏航角φ的大小 按比例给偏舵角β，即
β= － K1φ
K1为比例系数，负号表示 偏舵的方向是消除偏
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。
10.2.3 自动操舵的工作原理
φ—偏航角 β—偏舵角
滚轮1：与航 向接受器机械 相连反应船舶 偏航的角度 （船右偏，滚 轮左偏转） 导电环2、3：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）。 绝缘块4：隔离导电环2和3，并与导电环一同偏转。
Ⅰ：滚轮在绝缘块上－电机 不动－舵叶在艏艉线 Ⅱ：船右偏→滚轮左偏→J1有 电→舵左转→导电环左转β很 小，使φ↑，同时β↑， Ⅲ：β↑时（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。
电动—液压舵机装置
工作过程：当 一油缸注入高 压油而另一油 缸排出低压油 时，推动撞杆 （活塞）移动， 从而带动舵柄， 舵柱和舵叶偏 转
油缸 撞杆
舵柱 舵柄
液压舵机传动机构
§10 -1 舵机电力拖动与控制的基本要求
1）工作可靠
供电要可靠 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 还应该与应急配电盘相连。 电动机的运行要可靠
舵角反馈信号 发送
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
偏航信 号发送
8
随动信 号发送
3）相敏整流电路
来自发送器
Uref>Us，频率相同，同相位时U0正极性，反之负极性
4）信号比较、 压舵环节、直流 放大电路
5）比例调节电路
6）微分调节电路
7）脉冲形成与晶闸管触发电路
8）晶闸管主电 路与应急操舵 电路
9）偏航报警与操舵系统失压报警电路
（1）灵敏度调节（天气调节）：人为设定系统的死 区，以调节系统的灵敏度。
（2）舵角比例调节：根据船舶大小、船型、装载 情况及航速来选择舵角比例系数K1 。 （3）反舵角调节：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 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 K2 （4）压舵调节：偏航积分电路，作用是实现自动压 舵，调节积分系数K3 。
1、当载荷大船速慢， 相对于K1，把K2调 小，则比例效果大， 结果船舶摇摆逐渐衰 减至正航向。
2、反过来，相对于 K1，把K2调大，则 微分效果大，航迹过 阻尼，长时间不能回 到正航向。
-K1φ
d K2 dt
相对于K1，把K2调小，则比例效果大
相对于K1，把K2调大，则微分效果大
3）比例——微分——积分舵
任何舵角均能投入工作，能及时准确 转给定舵角。 操纵系统应装有自动、随动和应急三 种操纵装置。
4）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。 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 注意：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 10.2.1 单动操舵工作原理
2）比例——微分舵
以船舶偏航角φ和偏航角速度dφ/ d t按 比例给出偏舵角β，即
β= －（K1φ+K2dφ/d t ）
K2是微分系数。 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。
K1、K2选择不当， 将影响航行质量。