船舶舵机的电力拖动与控制课件
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船舶电气基础—— 船舶舵机的电力拖动与控制
11
12
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
M
M
M
M
பைடு நூலகம்
M
4
2
3
1
K.
K. φ
α
φ K. max
α φ K. max
α
K.
Φ=0
Φ=0
β =0 φβ
β φβ
β =0
13
§3-3 自动舵的基本类型及其调 节规律
一、比例proportion舵（P舵）
β=－K1φ β：偏舵角，K1：比例系数，φ：偏航角， － ：偏舵角方向是消除偏航。
第三章 船舶舵机的电力拖动 与控制
教学目的：使学生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。
重点：各种操舵的性能，自动舵的特点。 难点：各种操舵的原理。 计划课时：4节左右。
§3-1 舵机电力拖动与控制的基本要求 §3-2 操舵方式及基本工作原理 §3-3 自动舵的基本类型及其调节规律 §3-4 自动操舵系统基本工作原理
原理见书
7
M nF
JCS
KCS
G
U0
M
JG
KG J’G
K’G
JM
D1
D2
β
nD 传动 机构
KM 舵叶
左0 右
8
二、随动操舵（实际操作舵轮）系统的工作原理 特点：舵叶角度与舵轮位置自动同步。（自动操舵船进出 港、避碰、通过狭窄航道、遇风浪及冰山等使用随动操 舵） 。 原理
舵轮转动→发送电位器R1触点移动→电桥平衡破坏→产 生电压Uaa′→经放大器放大作直流发电机G励磁→G产生 一定大小和方向的U0→直流电动机M以适当速度和方向转 动带动舵叶（G为重复短时工作制、差复励：并-串，IM 即I串↑→U0↓使M有软的机械特性和强的过载能力， 并为 主、它为零G不发电）→（舵角反馈同步传递机构接收机 ）带动反馈电位器R2触点移动到a′→电桥平衡U aa′为零 →U0为零M停→舵叶停在一定角度（与舵轮转角对应）。
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Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
M
M
M
M
பைடு நூலகம்
M
4
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3
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K.
K. φ
α
φ K. max
α φ K. max
α
K.
Φ=0
Φ=0
β =0 φβ
β φβ
β =0
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§3-3 自动舵的基本类型及其调 节规律
一、比例proportion舵（P舵）
β=－K1φ β：偏舵角，K1：比例系数，φ：偏航角， － ：偏舵角方向是消除偏航。
第三章 船舶舵机的电力拖动 与控制
教学目的：使学生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。
重点：各种操舵的性能，自动舵的特点。 难点：各种操舵的原理。 计划课时：4节左右。
§3-1 舵机电力拖动与控制的基本要求 §3-2 操舵方式及基本工作原理 §3-3 自动舵的基本类型及其调节规律 §3-4 自动操舵系统基本工作原理
原理见书
7
M nF
JCS
KCS
G
U0
M
JG
KG J’G
K’G
JM
D1
D2
β
nD 传动 机构
KM 舵叶
左0 右
8
二、随动操舵（实际操作舵轮）系统的工作原理 特点：舵叶角度与舵轮位置自动同步。（自动操舵船进出 港、避碰、通过狭窄航道、遇风浪及冰山等使用随动操 舵） 。 原理
舵轮转动→发送电位器R1触点移动→电桥平衡破坏→产 生电压Uaa′→经放大器放大作直流发电机G励磁→G产生 一定大小和方向的U0→直流电动机M以适当速度和方向转 动带动舵叶（G为重复短时工作制、差复励：并-串，IM 即I串↑→U0↓使M有软的机械特性和强的过载能力， 并为 主、它为零G不发电）→（舵角反馈同步传递机构接收机 ）带动反馈电位器R2触点移动到a′→电桥平衡U aa′为零 →U0为零M停→舵叶停在一定角度（与舵轮转角对应）。
第二篇-10船舶舵机的电力拖动与控制PPT文档39页
Thank you
第二篇-10船舶舵机的电力拖动与控制
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不成文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理。果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
第二篇-10船舶舵机的电力拖动与控制
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不成文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理。果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
船电设备——第十章舵机电力拖动与控制
比例微分舵ϕ 与时间t的 比例微分舵 ϕ 、 β与时间 的 与时间 关系曲线
20
3）比例-微分 积分舵 ）比例 微分 微分-积分舵 为提高航向调节的精度，减少、甚至消除静态误差， 为提高航向调节的精度，减少、甚至消除静态误差， 在比例-微分舵的基础上，设置积分调节，亦即比例在比例-微分舵的基础上，设置积分调节，亦即比例微分-积分舵： 微分-积分舵：
7
电压分配阀式液压舵机 BQJ1和BQJ2是三位 四通油路电磁阀 四通油路电磁阀。 单动操舵的手柄触 点可直接去控制油路 电磁阀BQJ1、BQJ2的 电磁阀 通断， 通断，来达到转舵的 目的。 目的。
8
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， 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。 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，即操舵手轮转至某一所需角度时， 轮位置自动同步的特点，即操舵手轮转至某一所需角度时，舵 叶相应地偏转到同一角度后自行停止。 叶相应地偏转到同一角度后自行停止。 随动操舵框图
第十章 船舶舵机的电力拖动与控制
本章概述 舵机设备主要由下列几个部分组成： 舵机设备主要由下列几个部分组成： 1．操舵装置 ． 2．控制系统 ． 3．驱动系统 ． 4．传动机构 ． 5．舵叶 ． 目前， 目前，远洋船舶上装备的都是远距离控制自动操舵 简称自动舵，以电动液压舵机为多。 仪，简称自动舵，以电动液压舵机为多。
人
操舵手轮 放大器 执行机构 舵叶 船舶
反馈装置
在单动操舵的基础上加入了舵角反馈环节 是一个闭环跟踪系统，以实现舵角的自动追随。 是一个闭环跟踪系统，以实现舵角的自动追随。
9
第十章船舶舵机的电力拖动与控制
此外，自动舵还应设有双电源，双机组等换转装置。
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第十章船舶舵机的电力拖动与控制
三、自动舵的工作原理 1．电动—机械自动舵
图10-5为电动—机械自动操舵系统的原理简图。
下面分5个阶段（其实是连续的）说明船舶因外界干扰 而偏转离正航向K后是如何通过自动舵的作用又重返正 航向的。
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第十章船舶舵机的电力拖动与控制
2．比例一微分舵 按比例操舵的偏舵角仅考虑了偏航角的大小，没有考虑 偏航角速度。其实，偏航速度高时，应当加大偏舵角， 以有效地抑制船舶继续偏航；另外，该船舶回到正航向 后，虽然偏航角等于零，但由于惯性，船舶仍然有一个 偏航角速度，使船舶又继续朝另一侧偏航。因此比例操 舵会造成船舶沿航向作S形航行。比例一微分舵就是为 解决这个问题而产生的。它的调节规律符合关系式：
置，系统便进入自动工作状态。
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第十章船舶舵机的电力拖动与控制
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第十章船舶舵机的电力拖动与控制
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3．PR-4 系列自动舵
1）PR-4 系列自动舵简介 2）PR-4 系列自动舵的工作原理
见图10-9 PR-4 系列自动舵原理框图。 3）PR-4 系列自动舵的操作
（1）速率调节器调节方法 （2）舵角调节器调节方法 （3）天气调节器调节方法 （4）舵机偏差警报调节器 （5）舵角限位调节器
我国《钢质海船入级与建造规范》根据《国际海上人 命安全公约》（SOLAS公约）的规定，对于从事于 国际航行的大于500 总吨的货船或仅从事于非国际 沿海航行的大于1600总吨的货船的舵机提出了明确 的要求，基本技术要求如下：
1．每艘船舶均应设置1 套主操舵装置和1 套辅助操 舵装置。主操舵装置和辅助操舵装置的布置，应满足 当其中一套发生故障时不致引起另一套也失效；如主 操舵装置具有2台或2台以上相同的动力设备则在下 列条件下可不设置辅助操舵装置：
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第十章船舶舵机的电力拖动与控制
三、自动舵的工作原理 1．电动—机械自动舵
图10-5为电动—机械自动操舵系统的原理简图。
下面分5个阶段（其实是连续的）说明船舶因外界干扰 而偏转离正航向K后是如何通过自动舵的作用又重返正 航向的。
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第十章船舶舵机的电力拖动与控制
2．比例一微分舵 按比例操舵的偏舵角仅考虑了偏航角的大小，没有考虑 偏航角速度。其实，偏航速度高时，应当加大偏舵角， 以有效地抑制船舶继续偏航；另外，该船舶回到正航向 后，虽然偏航角等于零，但由于惯性，船舶仍然有一个 偏航角速度，使船舶又继续朝另一侧偏航。因此比例操 舵会造成船舶沿航向作S形航行。比例一微分舵就是为 解决这个问题而产生的。它的调节规律符合关系式：
置，系统便进入自动工作状态。
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第十章船舶舵机的电力拖动与控制
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第十章船舶舵机的电力拖动与控制
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3．PR-4 系列自动舵
1）PR-4 系列自动舵简介 2）PR-4 系列自动舵的工作原理
见图10-9 PR-4 系列自动舵原理框图。 3）PR-4 系列自动舵的操作
（1）速率调节器调节方法 （2）舵角调节器调节方法 （3）天气调节器调节方法 （4）舵机偏差警报调节器 （5）舵角限位调节器
我国《钢质海船入级与建造规范》根据《国际海上人 命安全公约》（SOLAS公约）的规定，对于从事于 国际航行的大于500 总吨的货船或仅从事于非国际 沿海航行的大于1600总吨的货船的舵机提出了明确 的要求，基本技术要求如下：
1．每艘船舶均应设置1 套主操舵装置和1 套辅助操 舵装置。主操舵装置和辅助操舵装置的布置，应满足 当其中一套发生故障时不致引起另一套也失效；如主 操舵装置具有2台或2台以上相同的动力设备则在下 列条件下可不设置辅助操舵装置：
船舶舵机的电力拖动与控制(1)幻灯片PPT
二、随动操舵工作方式
随动操舵的方法：
电力拖动
随动控制已经广泛应用于船舶舵机电力拖动中， 它可以简化操舵工作，操舵人员不必不断扳动操舵 手柄并连续查看舵角指示器。随动是自动的根底。
船舶左偏航操右舵，舵轮操右舵，舵叶右偏， 并自动停在右舵上。为了减少航迹的振幅，船舶在 返回正航向过程中，必须回舵。
舵又称为舵叶，安装于推进螺旋桨后侧，承 受水流作用而产生转船力矩。
舵机提供转舵的动力，都配备驱动电动机， 其直接经传动机构或液压设备带动转舵机构，以转 动舵叶。
传动机构将舵机发出的功率传递给舵柱的设 备。
在驾驶台设有操舵控制台，其上有操舵手轮，操舵方式
转换开关、单动操舵用的手柄及自动舵设备。
电力拖动
电力拖动
船舶舵机的电力拖动与控 制(1)幻灯片PPT
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第10章 船舶舵机的电力拖动与控制电力拖动
〔2〕检查电磁阀、伺服马达、限位开关等动作是 否可靠； 〔3〕观察各仪表读数、机组运行指示、舵角指示 等装置的工作是否正常；
10.2 操舵方式及其根本工作原理 电力拖动
一、单动操舵工作原理
单动操舵也就是通过转换开关进展的应急操舵。
人 手柄
放大器
执行机构
传动装置
Байду номын сангаас
舵叶
手动操舵系统框图
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。
电力拖动
• 进展单动操舵，操舵人员必须经常观察罗 径上航向指示及舵角指示器，再根据操舵 要求扳动操舵手柄，发出操舵信号。每转 舵一次，扳动操舵手柄两次〔一次发出信 号使舵偏转，一次消除信号使舵停转〕。 因此，这种操舵系统虽简单，但操舵人员 劳动强度大。
船舶舵机的电力拖动与控制1323
• 百分比舵只考虑了偏舵角，而没有考虑偏航角速 度。
– 当偏航角速度较高时，应该合适增长偏舵角，以有效 克制船舶继续偏航。
– 同步，当船舶回到正航向时，虽然偏航角为零，但因 为惯性，船舶仍有一种偏航角速度，会使船舶向另一 侧偏航。故造成船舶沿航向作S型航行。
2．百分比—微分舵
以船舶偏航角φ和偏航角速度d φ / d t按百分比给出偏舵角β,即
所谓“压舵”，指旳是船舶航行受到连续旳单侧横向力旳 干扰（如风浪、推动器、船舶装载不对称等），使船舶形 成向某一侧旳小偏航。估计这种情况可能发生，则在自动 舵放大环节旳输入端加入某一极性旳固定信号，这么产生 一种相应旳固定偏舵角，对船舶形成一种固定旳转船力矩， 用以平衡单侧横向干扰力。这一固定大小旳舵角称之为压 舵角。
经过舵角指示器观察舵角大 小。当接近所要求旳旳右偏舵 角时，松开手柄，触点K1断开 ，电机M停转。
8
系统特点：
G-M系统电动舵机旳单动操舵原理•手扳•点舵动转控，制复零舵停
•人看分罗经compass和舵角指示器操舵。
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。
2.随动操舵旳工作原理
假如因为某种原因引起船舶旳瞬时偏 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。
有时候在船舶给定旳航向两侧均匀摇 晃，经过比较长旳时间后，其平均航 向仍在正航向上，所以也无需使舵动 作，如图(b)所示。
只有当船舶在偏航死区内左右摇晃不 均匀，平均航向如图(c)所示偏离正航 向一侧，且又连续了很长一段时间， 于是偏航积分环节发出信号，予以校 正。
连。航向接受器与陀螺罗经发讯器是同步传递旳。
第二篇-10船舶舵机的电力拖动与控制
1、当载荷大船速慢， 相关于K1，把K2调 小，那么比例效果大， 结果船舶摇晃逐渐衰 减至正航向。
2、反过去，相关于 K1，把K2调大，那 么微分效果大，航迹 过阻尼，长时间不能 回到正航向。
-K1φ
K 2 d
dt
相关于K1，把K2调小，那么比例效果大 相关于K1，把K2调大，那么微分效果大
3〕比例——微分——积分舵
第二篇-10船舶舵机的电 力拖动与控制
2021年7月25日星期日
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
任务进程：电动机经过联轴节带动蜗杆蜗轮转 动，并经过自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，经过弹簧 推进〕，从而使舵柱和舵叶偏转。
〔1〕灵敏度调理〔天气调理〕：人为设定系统的死 区，以调理系统的灵敏度。
〔2〕舵角比例调理：依据船舶大小、船型、装载 状况及航速来选择舵角比例系数K1 。
〔3〕反舵角调理：使船舶还未回到给定航向时， 舵已提早回到首尾线，并反方向转过一个角度，来 克制船舶的惯性，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
（a）
（b）
（c）
（d） 偏航时的积分作用
实践：常用〝压舵〞替代PID中的积分环节
希冀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任务 原理
10.4.1 自动操舵系统基本要求
1〕自动操舵功用良好
偏航，那么使舵叶偏转一定角度，即一次 偏舵角；如过大那么使航速降低，过小那 么不能回航向，故要给出附加舵角即二次 偏舵角。 2〕具有必要的调理装置
Ⅳ：在左舵的作用下，船末尾回转〔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 电环右转跟随滚轮运动。
2、反过去，相关于 K1，把K2调大，那 么微分效果大，航迹 过阻尼，长时间不能 回到正航向。
-K1φ
K 2 d
dt
相关于K1，把K2调小，那么比例效果大 相关于K1，把K2调大，那么微分效果大
3〕比例——微分——积分舵
第二篇-10船舶舵机的电 力拖动与控制
2021年7月25日星期日
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
任务进程：电动机经过联轴节带动蜗杆蜗轮转 动，并经过自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，经过弹簧 推进〕，从而使舵柱和舵叶偏转。
〔1〕灵敏度调理〔天气调理〕：人为设定系统的死 区，以调理系统的灵敏度。
〔2〕舵角比例调理：依据船舶大小、船型、装载 状况及航速来选择舵角比例系数K1 。
〔3〕反舵角调理：使船舶还未回到给定航向时， 舵已提早回到首尾线，并反方向转过一个角度，来 克制船舶的惯性，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
（a）
（b）
（c）
（d） 偏航时的积分作用
实践：常用〝压舵〞替代PID中的积分环节
希冀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任务 原理
10.4.1 自动操舵系统基本要求
1〕自动操舵功用良好
偏航，那么使舵叶偏转一定角度，即一次 偏舵角；如过大那么使航速降低，过小那 么不能回航向，故要给出附加舵角即二次 偏舵角。 2〕具有必要的调理装置
Ⅳ：在左舵的作用下，船末尾回转〔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 电环右转跟随滚轮运动。
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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。
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 - 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
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
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
+
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。
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。
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。
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
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
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：
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
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
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
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。
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 - 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
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
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
+
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。
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。
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。
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
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
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：
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。
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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
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
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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
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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
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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）
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闭环跟踪系统
随动操舵方框图
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3 自动操舵