船舶舵机的电力拖动与控制课件
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采用双路供电 ，其中一路经应急配电板。
–电动机：
机械特性软（抗冲击），转矩大（从一舷最大舵角转 至另一舷最大舵角的时间应不超过30(28)秒），能承 受1分钟的堵转。
–控制系统：
至少两个操作站（由转换开关切换，防止同时操作）;
有三种操舵方式（手动、随动、自动）。
第1章第9页
➢ 保护和报警装置 – 舵叶偏转限位+35°--- - 35° – 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 – 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
第1章第5页
舵柄 舵叶
舵柱
第1章第6页
舵机驱动装置分为两类： ⑴.电动 - 机械；⑵.电动 - 液压。
电动 —机械舵机装置
电动 - 机械舵机装置： 电动机通过连轴节带动蜗杆蜗 轮转动，并通过主动齿轮扇带形 动
齿轮
扇形齿轮，再经过缓冲弹簧转 动舵柄，从而使舵柱和舵叶偏 转。
缓冲弹簧---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。
第1章第7页
电动 — 液压舵机装置
舵叶
系工统作组过成程：：当一油缸注入高压油而另一油缸排出低压 油时恒，速推电动动撞机杆拖（动活油塞泵），移提动供，高从压而油带，动驱舵动柄液，压舵油柱 缸和。舵叶偏转。
液压舵机：驱动力大、抗冲击
第1章第8页
10.1舵机电力拖动与控制的基本要求
➢ 工作可靠
–供电：
+
舵角
控制
-
测量航向
应急 操舵
舵机
舵角 检测
罗经
扰动量
航向 船
第1章第17页
10.3 自动舵的基本类型及其调节规律
人工操舵的一般规律
正航向
d
d
dt
dt
反舵角
根据船舶偏航的方向、大小、偏航速度有规律地进行操舵
第1章第18页
自动舵的基本类型
按操舵的规律分类 三种基本类型： ⑴.比例舵； ⑵.比例 - 微分舵； ⑶.比例 - 微分 - 积分舵。
船和舵
第1章第3页
舵的作用原理
v
T
航向
P2 T
RP a
P1
R
P
转向
偏舵作用：
▪转船
▪使船横移
▪产生航行阻力
第1章第4页
舵的作用原理
由舵角产生的转船力矩：
M a kFv2 sin 2 2kFv2
小舵角作用下的船舶回转运动 方程：
J
d 2
dt 2
Kv 2
F---舵叶有效面积 v ---船速 K --- 常数，与水密度、 舵叶升力系数有关 ---船舶回转角 J---船舶回转惯量
比例 - 微分 - 积分舵：能够产生“自动压舵” 调节，克服不对称偏航。
第1章第28页
10.4 自动操舵系统工作原理
1 自动操舵系统基本要求
– 1) 自动操舵性能良好
转舵次数少，纠偏速度快
– 2) 具有必要的调节装置
灵敏度调节 舵角比例调节
俗称天气调节，根据天 气状况调节动舵的最小 偏航角，防止频繁动舵
第1章第10页
10.2 操舵方式及基本工作原理
操舵方式一般为三种 ：
单动操舵，应急操舵 （NFU）
随动操舵（FU）
自动操舵
航向控制 航迹（航线）控制
第1章第11页
1 单动操舵
在自动操舵及随动操舵都不能使用的应急情 况下提供的一种操舵方式
方法：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。
第1章第12页
单动操舵的舵机控制
M~
电磁阀
（a）电动
（b）液压舵
图10-1 单动操舵原理图
第1章第13页
2 随动操舵的工作原理
随动操舵，又叫“舵轮操舵”。 随动 —— 舵叶随着舵轮转动 。
图 10-3随动操舵原理图（电桥式）
第1章第14页
闭环跟踪系统
随动操舵方框图
第1章第15页
3 自动操舵
上海海事大学电气系刘以建制作
船舶设备自动控制系统
第十章 船舶舵机的电力拖动 与控制
概述
舵机装置是保持或改变船舶航向的
重要设优备秀的舵机可以：
✓节省航运成本 ✓降低劳动强度 航向
第1章第2页
概述
整个舵机装置主要由操舵装置、舵机控制与 驱动系统、传动机构和舵叶四大部分 组成。
结构
驾驶台：操舵装置, 包括航向指示、舵角指示器 舵机间：舵机控制与驱动系统、传动机构
第1章第23页
第1章第24页
比例-微分-积分舵
组成：是在比例 - 微分舵基础上增加积分环节。
K
1
K2
d
dt
k3
dt
积分环节作用 ——是克服不对称偏航。 不对称偏航的产生：不对称偏航是某舷（侧）的偏航角持续
时间比另一舷（侧）偏航角持续时间长。 原因：装载不对称，斜向风的持续影响，斜向海潮的持续影
比例-微分舵
比例-微分舵操舵的规律是：偏舵角β的大小与偏
航角的大小成比例-微分关系，即：
d
k1
k2
d
dt
dt
反舵角
说明：偏航初期，偏航角变化率大，比例 - 微分舵能及时
给出大偏舵，有效地阻止船舶偏航（最大偏航角较小）；回
航时，偏航角变化率变为负值，能适时给出反舵角，阻止船
舶反向偏航，即能有效阻止反向偏航。
自动航向保持仪Autopilot--按照船舶对航
向的偏离角度来控制船舶的航向
自动舵系统是一个双闭环系统。
给定舵角
图10-6 自动操舵方框图
第1章第16页
控制系统结构
扰动量
计划 航线
航迹偏差 +
航迹 控制 -
GPS/ 电 子海图 测量船位
自适应 航向 设定
航向偏差 ＋
航向 控制
-
随动 操舵
舵角偏差
反舵角调节
压舵调节
航向调节
– 3) 应设有随动、单动等操舵设备；应设有双 电源，双机组及换转装置。
第1章第29页
2 自动操舵系统的工作原理
以国产HQ-5型自动操舵仪为例
系统组成
系统的主要环节： •航向(检测)复示 •信号发送电路 •相敏整流电路 •运算电路 •功率放大电路
响。—— 对于具有双螺旋桨推进的船舶，螺旋桨推进的 不平衡也会产生不对称偏航。
第1章第25页
比例 微分+压舵环节
正航向/航线
航向 航线
单侧风
单侧风
压舵角
第1章第27页
操舵定律特点比较
比例舵：可以克服偏航，但容易形成S形航迹， 航程较长。
比例 - 微分舵：可以减小最大偏航角，克服回 航时的反向偏航。但微分系数不能太大，否则容易 造成不稳定。
第1章第19页
比例舵
比例舵操舵的规律是：偏舵角β的大小与偏航角
的大小成比例关系，即：
β ＝－K1
其中：K1为比例系数，负号表示与偏航方向相反。
第1章第20页
比例舵 舵效 β ＝－K1
正航向
d
dt
ຫໍສະໝຸດ Baidu
d
dt
第1章第21页
比例舵
d
回转运动方程：
dt
J
d 2
dt 2
Kv 2
β ＝－K1
第1章第22页
–电动机：
机械特性软（抗冲击），转矩大（从一舷最大舵角转 至另一舷最大舵角的时间应不超过30(28)秒），能承 受1分钟的堵转。
–控制系统：
至少两个操作站（由转换开关切换，防止同时操作）;
有三种操舵方式（手动、随动、自动）。
第1章第9页
➢ 保护和报警装置 – 舵叶偏转限位+35°--- - 35° – 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 – 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
第1章第5页
舵柄 舵叶
舵柱
第1章第6页
舵机驱动装置分为两类： ⑴.电动 - 机械；⑵.电动 - 液压。
电动 —机械舵机装置
电动 - 机械舵机装置： 电动机通过连轴节带动蜗杆蜗 轮转动，并通过主动齿轮扇带形 动
齿轮
扇形齿轮，再经过缓冲弹簧转 动舵柄，从而使舵柱和舵叶偏 转。
缓冲弹簧---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。
第1章第7页
电动 — 液压舵机装置
舵叶
系工统作组过成程：：当一油缸注入高压油而另一油缸排出低压 油时恒，速推电动动撞机杆拖（动活油塞泵），移提动供，高从压而油带，动驱舵动柄液，压舵油柱 缸和。舵叶偏转。
液压舵机：驱动力大、抗冲击
第1章第8页
10.1舵机电力拖动与控制的基本要求
➢ 工作可靠
–供电：
+
舵角
控制
-
测量航向
应急 操舵
舵机
舵角 检测
罗经
扰动量
航向 船
第1章第17页
10.3 自动舵的基本类型及其调节规律
人工操舵的一般规律
正航向
d
d
dt
dt
反舵角
根据船舶偏航的方向、大小、偏航速度有规律地进行操舵
第1章第18页
自动舵的基本类型
按操舵的规律分类 三种基本类型： ⑴.比例舵； ⑵.比例 - 微分舵； ⑶.比例 - 微分 - 积分舵。
船和舵
第1章第3页
舵的作用原理
v
T
航向
P2 T
RP a
P1
R
P
转向
偏舵作用：
▪转船
▪使船横移
▪产生航行阻力
第1章第4页
舵的作用原理
由舵角产生的转船力矩：
M a kFv2 sin 2 2kFv2
小舵角作用下的船舶回转运动 方程：
J
d 2
dt 2
Kv 2
F---舵叶有效面积 v ---船速 K --- 常数，与水密度、 舵叶升力系数有关 ---船舶回转角 J---船舶回转惯量
比例 - 微分 - 积分舵：能够产生“自动压舵” 调节，克服不对称偏航。
第1章第28页
10.4 自动操舵系统工作原理
1 自动操舵系统基本要求
– 1) 自动操舵性能良好
转舵次数少，纠偏速度快
– 2) 具有必要的调节装置
灵敏度调节 舵角比例调节
俗称天气调节，根据天 气状况调节动舵的最小 偏航角，防止频繁动舵
第1章第10页
10.2 操舵方式及基本工作原理
操舵方式一般为三种 ：
单动操舵，应急操舵 （NFU）
随动操舵（FU）
自动操舵
航向控制 航迹（航线）控制
第1章第11页
1 单动操舵
在自动操舵及随动操舵都不能使用的应急情 况下提供的一种操舵方式
方法：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。
第1章第12页
单动操舵的舵机控制
M~
电磁阀
（a）电动
（b）液压舵
图10-1 单动操舵原理图
第1章第13页
2 随动操舵的工作原理
随动操舵，又叫“舵轮操舵”。 随动 —— 舵叶随着舵轮转动 。
图 10-3随动操舵原理图（电桥式）
第1章第14页
闭环跟踪系统
随动操舵方框图
第1章第15页
3 自动操舵
上海海事大学电气系刘以建制作
船舶设备自动控制系统
第十章 船舶舵机的电力拖动 与控制
概述
舵机装置是保持或改变船舶航向的
重要设优备秀的舵机可以：
✓节省航运成本 ✓降低劳动强度 航向
第1章第2页
概述
整个舵机装置主要由操舵装置、舵机控制与 驱动系统、传动机构和舵叶四大部分 组成。
结构
驾驶台：操舵装置, 包括航向指示、舵角指示器 舵机间：舵机控制与驱动系统、传动机构
第1章第23页
第1章第24页
比例-微分-积分舵
组成：是在比例 - 微分舵基础上增加积分环节。
K
1
K2
d
dt
k3
dt
积分环节作用 ——是克服不对称偏航。 不对称偏航的产生：不对称偏航是某舷（侧）的偏航角持续
时间比另一舷（侧）偏航角持续时间长。 原因：装载不对称，斜向风的持续影响，斜向海潮的持续影
比例-微分舵
比例-微分舵操舵的规律是：偏舵角β的大小与偏
航角的大小成比例-微分关系，即：
d
k1
k2
d
dt
dt
反舵角
说明：偏航初期，偏航角变化率大，比例 - 微分舵能及时
给出大偏舵，有效地阻止船舶偏航（最大偏航角较小）；回
航时，偏航角变化率变为负值，能适时给出反舵角，阻止船
舶反向偏航，即能有效阻止反向偏航。
自动航向保持仪Autopilot--按照船舶对航
向的偏离角度来控制船舶的航向
自动舵系统是一个双闭环系统。
给定舵角
图10-6 自动操舵方框图
第1章第16页
控制系统结构
扰动量
计划 航线
航迹偏差 +
航迹 控制 -
GPS/ 电 子海图 测量船位
自适应 航向 设定
航向偏差 ＋
航向 控制
-
随动 操舵
舵角偏差
反舵角调节
压舵调节
航向调节
– 3) 应设有随动、单动等操舵设备；应设有双 电源，双机组及换转装置。
第1章第29页
2 自动操舵系统的工作原理
以国产HQ-5型自动操舵仪为例
系统组成
系统的主要环节： •航向(检测)复示 •信号发送电路 •相敏整流电路 •运算电路 •功率放大电路
响。—— 对于具有双螺旋桨推进的船舶，螺旋桨推进的 不平衡也会产生不对称偏航。
第1章第25页
比例 微分+压舵环节
正航向/航线
航向 航线
单侧风
单侧风
压舵角
第1章第27页
操舵定律特点比较
比例舵：可以克服偏航，但容易形成S形航迹， 航程较长。
比例 - 微分舵：可以减小最大偏航角，克服回 航时的反向偏航。但微分系数不能太大，否则容易 造成不稳定。
第1章第19页
比例舵
比例舵操舵的规律是：偏舵角β的大小与偏航角
的大小成比例关系，即：
β ＝－K1
其中：K1为比例系数，负号表示与偏航方向相反。
第1章第20页
比例舵 舵效 β ＝－K1
正航向
d
dt
ຫໍສະໝຸດ Baidu
d
dt
第1章第21页
比例舵
d
回转运动方程：
dt
J
d 2
dt 2
Kv 2
β ＝－K1
第1章第22页