（轮机工程专业论文）基于pc机的船舶舵机系统动态仿真研究.pdf

中文摘要 摘要 随着电子技术及信息技术的飞速发展及计算机技术的广泛应用，计算机仿真技 术的越来越引起关注。轮机仿真训练器是计算机仿真技术在航海领域的典型应用 之一，目前己成为培训、考核广大船员的重要手段。轮机模拟器主要模拟主推进 装置、集控室、船舶电站等设备的性能，船舶舵机系统仿真是其中重要的组成部 分。基于上述事实，对船舶舵机系统进行建模与仿真研究和设计一套能满足学生 操作实习、学员培训等功能的船舶舵机软件仿真系统是很有必要的。 本文以大连远洋公司“连运湖”号大型远洋油轮的拨叉式液压舵机为仿真对象， 根据拨叉式液压舵机的结构特点、工作过程以及操作要求，分析了转舵机构的转 动原理和液压系统的特性，采用模块化和集中参数建模方法，通过机理分析，在 一定简化条件下。建立了船舶液压舵机系统的动态数学模型。另外，为建立船舶 一自动操舵系统的模型，在m m g 船舶运动模型的基础上，根据实船操纵性指数x 、 丁，建立了船舶运动模型的一阶模型。 。 在已建立的动态数学模型基础上，通过采用m a t l a b s i m u l i n k 实时仿真工具对船 舶舵机系统进行了仿真，建立了相应的动态仿真模型，采用了模块化建模方法， 详细地介绍了搭建各个子模块的实时仿真模型的方法和过程；将各个子模块连接 起来构成整个舵机仿真模型，将仿真结果与s o l a s 公约对舵机的相关要求相比较， 可知所建舵机数学模型符合s o l a s 公约要求。另外，通过回转实验和“z ”型操 纵实验，证明了建立的一阶船舶运动模型正确性和适用性。 在数学模型较为正确的基础上，根据m a t l a b 仿真实验结果，提出了整个仿真 系统的设计思想和方法，叙述了其结构组成和各个部分的功能。利用m i c r o s o f t v i s u a lc 捍n e t 编程语言完成了船舶舵机仿真软件的设计。该仿真软件由三部分组 成：人机交互界面、仿真模型和数据库。人机交互界面友好，通过界面显示操作 过程和实时数据，通过仿真模型对舵机运动过程进行动态仿真，为界面提供需要 实时显示的数据，响应界面做出的各种操作，并将计算出的数据和界面进行的操 作送入数据库记录下来，以完成对舵机操作和故障报警的记录。 关键词：液压舵机；数学模型；仿真系统；建模：界面设计 英文摘要 d y n a m i cs i m u l a t i o ni n v e s t i g a t i o no fs t e e f i n gg e a rs y s t e mo fs h i p b a s e do np e r s o n a lc o m p u t e r a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e 、i d eu s eo f c o m p u t e r ，t h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni si n c r e a s i n g l yp o p u l a r t h ee n g i n e r o o ms i m u l a t o ri so n eo ft h et y p i c a le x a m p l e so fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni nt h ef i e l do f n a v i g a t i o n , a n dh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tw a yt ot r a i na n de x a m i n em o s ts a i l o r s t h e e n g i n er o o ms i m u l a t o rm a i n l ys i m u l a t e st h ep e r f o r m a n c eo f t h em a i np r o p u l s i o n , e n g i n e r o o m , s h i pp o w e rs t a t i o na n ds oo n p a r tc o n t e n t sa ma b o u tt h es t e e r i n gg e a rs y s t e m s i m u l a t i o ni ne n g i n er o o ms i m u l a t o r t h e r e f o r e ，i ti se s s e n t i a lt oc a l t yr e s e a r c ho nt h e m o d e l i n ga n dt h es i m u l a t i o nt ot h e 鼬e e r i f 培g e a rs y s t e m i ti sa l s on e c e s s a r i l yt 0b u i l d o r w a ma b o u tt h es t e e r i n gg e a rs y s t e mf o rs t u d e n t sp r a c t i c ea n de v a l u a t i o n ：t h es i m u l a t i o mo b j e c ti nt h i sp a p e ri st h ef o r kt y p er u d d e rh y d r a u l i ca c t u a t o ro f t h e 1 s h i p l i a n y u n h u b e l o n g i n gt ot h ed a l i a no c e a ns h i p p i n gc o m p a n y a c c o r d i n gt o ；i t sc h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r e 、w o r kp r o c e s sa n dt h er e q u i r e m e n t so fo p e r a t i o n ，t h e t t t m i n gt h e o r yo fa c t u a t o ra n dh y d r a u l i cs y s t e ma r ca n a l y z e d t h e nu s i n gt h em e t h o d o fm o d u l a rm o d e l i n ga n dl u m p e dp a r a m e t e rm o d e l i n g ，t h ea u t h o re s t a b l i s h e st h e d y n a m i cm a t hm o d e lo fs t e e r i n gg e a rs y s t e m i na d d i t i o n , i no r d e rt ob u i l dt h em a t h jm o d e lo fa u t o p i l o ta n db a s e do nt h em m g s h i pm o t i o nm o d e l ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo f t h el i n e a re q u a t i o no f t h es h i pm a n e u v e r i n gm o t i o ni se s t a b l i s h e d 1 o nt l l eb a s i so fe s t a b l i s h e dd y n a m i cm a t hm o d e l t h ea u t h o re s t a b l i s h e st h e s i m u l a t i o nm o d e lo fs t e e r i n gg e a rs y s t e ma p p l y i n gt h et o o lo fm a t l a b s i m u l i n ka n d i n t r o d u c e st h em e t h o da n dp r o c e s so fb u i l d i n gr e a l - t i m es i m u l a t i o nm o d e lf o re a c h s u b - m o d u l ed e t a i l t h r o u g hs e t t i n gr e a s o n a b l es i m u l a t i o np a r a m e t e r sa n da l g o r i t h m ，t h e h t h o re a i t i e st h er e a l - t i m es i m u l a t i o ne x p e r i m e n to nt h ec o m p u t e r t h er e s u l ti n d i c a t e s t h a te a c hd y n a m i cp r o c e s sc o n f o r m st od ”a m i cr e s p o n s ep r o f e s so ft h es h i ps t e e r i n g 英文摘要 g e a rs y s t e m c o m p a r e dw i 山d e m a n do fs p e e do fr u d d e rm o v e m e n ti n s o l a s r e g u l a t i o n , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs t e e r i n gg e a ri sr i g h ta n de f f e c t i v e i na d d i t i o n , a c c o r d i n g t ot h er e s u l to f t u r n i n gc i r c l e ”o p e r a t i o na n d z ”o p e r a t i o n , t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo f s h i pm o t i o ni sr i g h ta n da p p r o p r i a t e a tl a s t , t h ea u t h o rh a sd e s i g n e dar e a l - t i m es i m u l a t i o ns y s t e mo fs t e e r i n gg e a r s y s t e mb a s e do nt h eo o h p , c tm a t hm o d e la n da p p r o p r i a t es i m u l a t i o nr e s u l ti nm a t l a b 砸o p o s e dt h ed e s i g n i n gt h o u g h ta n dm e t h o do ft h ew h o l es i m u l a t i o ns y s t e ma n d i n t r o d u c e dt h es o f t w a r e ss t r u c t u r ea n df u n c t i o no fe a c hp a r t u s i n gt h ep r o g r a m m i n g l a n g u a g ev i s u a lc 拌t h ea u t h o rh a sc o m p l e t e dt h ed e s i g no ft h es o f t w a r ea b o u tt h e s t e e r i n gg e a rs y s t e m t l l i s s o f t w a r ei s c o m p o s e d o fm a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o n ；n t e r f a c e 、s i m u l a t i o nm o d e la n dd a t a b a s e 1 1 地m a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o ni sa l lr i g h t a n di ti su s e dt od i s p l a yt h er e a lt i m ed a t u ma n dt h ep r o c e s so fo p e r a t i o n 1 1 1 em o d e li s o s e dt os i m u l a t et h ea c t u a ls y s t e mo fr u d d e ra n dc a l c u l a t et h ed a t u mf o rt h ei n t e r f a c e w h e nt h ei n t e r f a c ei so p e r a t i n g , t h em o d e lw i l lr e s p o n d 1 1 1 ed a t a b a s ei su s e dt on o t e s ed a t u ma n dt h eo p e r a t i o n s 1 1 峙u s 盯c a nc h e c kt h ed a t u ma n do p e r a t i o n se x p e d i e n t l y _ k e yw o r d s ：h y d r a u l i cs t e e r i n gg e a r ：m a t hm o d e l ：s i m u l a t i o ns y s t e m ：m o d e l i n g ： i n t e r f a c ed e s i g n i n g 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：基王扭的墅舶艟担丕缍动盔鱼真婴宜：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：磊蕾警茏劲订年1 月倡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保密出请在以上方框内打“一) 杉 、峻 勺阳 轹旧 签i 师年 拈川 譬肌灌日 名签者作文沦 基于p c 机的船舶舵机系统动态仿真与研究 第1 章绪论 船舶舵机系统是操纵船舶航向、保证安全航行的重要设备。驾驶人员用它来 保持或改变船舶在水中运动方向。如果船舶舵机系统出现故障或者操纵失去控 制，船舶将无法控制航行方向，会导致船舶重大事故发生。s t c w 7 8 9 5 公约强 调了船舶管理人员实际工作能力的教学和培训。由于履约的需要，国家海事局明 确规定，海运院校的海上专业的教学与船员培训必须按公约的要求进行。船员技 术证书的发放严格按中华人民共和国海船船员适任考试、评估和发证规则进 行。应用计算机仿真技术进行教学是一种既能满足公约要求，又具有高效率的教 学方式。对轮机员进行技术专业知识的培训尤为重要。因此，对船舶舵机系统仿 真软件的研究显得更加重要。同时，船舶舵机系统的动态过程仿真模拟对轮机模 拟器的建立和教学也都有重要的作用和意义。 1 1 选题背景及意义 轮机仿真训练器( m a r i n ee n g i n es i m u l a t o r ) 是计算机实时仿真技术在航海 领域的典型应用，目前己成为广大船员培训、考核的重要手段。我国是一个航 运大国，每年有大量的高等院校的轮机学员走向航海工作岗位，需要岗前训练， 还有大批社会上的在职船员要求技能提高培训，具有很大的船员培训市场。然而 传统的实船培训高级船员的方法不仅周期长、耗资巨大，而且风险也很大。现代 船舶轮机仿真训练器可以在很大程度上替代实船设备，使被培训人员能在与实船 很相似的场所下，进行各项轮机管理、操作以及排除故障的训练。国际海事组织 i m 0 在1 9 9 5 年7 月7 日全面修订的海员培训、发证和值班标准国际公约中，明 确规定：航海、轮机部门的人员必须经过轮机仿真训练器的培训才能上岗。 要培养出具备较强能力的船舶管理人才，单靠学习理论知识是远远不够的， 还必须加强实践环节。显然采用真实的船舶舵机系统设备训练需大量投资，且存 在污染环境，维修保养困难等诸多问题，万一误操作，还可能导致系统设备损坏。 船舶舵机系统模拟器作为一种经济、安全、高效的培训手段，成为船员训练中心 和航海类院校教育训练现代远洋轮机人员的必备设施。 事实上。运用船舶舵机系统仿真器来经济、高效、灵活地培训船员早已成为 国内外航海教育界的共识。i m o ( i n t e m a t i o n a lm a r i n eo r g a n i z a t i o n ，国际海事组织) 第l 章绪论 在1 9 9 5 年新修订的s t c w ( s t a n d a r d so ft r a i n i n g ，c e r t i f i c a t i o na n dw 撕h - k e c p i i l g f o rs e a f a r e r s ) 公约已明确提出了将船舶机舱仿真培训系统( 航海界通常称为轮机 模拟器) 应用于机舱管理级、操作级轮机人员培训的要求，并且对轮机模拟器的 功能作了具体的规定【2 1 。因此，作为轮机模拟器的一个重要组成部分一船舶舵 机系统仿真系统已成为必不可少的教学和轮机员培训设施。 因此，开展对包括船舶舵机系统在内的轮机模拟器的建模研究，研制适合市 场需要的新一代轮机模拟器是必要的。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 模拟器类型 船舶模拟器仿真技术在三十年的发展过程中，其系统的实现方法依据模型选 取类型的不同分为三大类d l ： 1 实物仿真：按照真实系统的物理性质来构造系统的物理模型，对实际行 为和过程进行仿真。早期的仿真大多属这一类。 2 混合仿真：又称数学一物理仿真，是将系统的部分模型用数学模型描述， 并在计算机上运算，而其它的模型直接使用实物，然后将它们连接成系统。这种 仿真系统主要用于大型船舶操作人员的培训、设备的分析和研究、运行特性分析 和控制系统研究等。这种仿真系统接入的实物部分则必须是实时的。 3 数字仿真：按照真实系统的数学关系构造系统的数学模型，也就是将实 际系统的运动规律用数学形式表达出来，以再现系统的特性并在数学模型上进行 试验。数字仿真可在实时、超实时和欠实时环境下运行。计算机为数学模型的建 立，运算和试验提供了有力的工具。 随着计算机软、硬件的发展，船舶模拟器仿真系统的研发工作也经历了三个 不同的发展阶段，它们分别是： 1 基于u n i x 或v m s 操作系统的仿真技术： 2 基于u n i x 或v m s 操作系统的图形化仿真技术； 3 基于w i n d o w s 操作系统的图形化仿真技术。 将虚拟现实技术引用到船舶模拟器仿真系统中，动态仿真得以实现，仿真系 统可以提供虚拟现实的能力，船舶模拟器系统可以用三维的虚拟世界加以描述。 随着国际航运业的发展和科学技术的不断提高。大型船舶及全自动操纵船舶 2 基于p c 机的船舶舵机系统动态仿真与研究 的操作难度不断增加，对船舶管理人员的技术要求也越来越高；世界海事组织 ( 订0 ) 以及国家海事局对船舶管理人员的培训要求也越来越高。目前，我国已 加入了世界海事组织的“s t c w 7 8 9 5 ”公约( ( 1 9 7 8 年海员培训、发证和值班标 准国际公约( 1 9 9 5 年修正) ) ，公约强调了加强对船舶管理人员的实际工作能力 的教学与培训。采用先进的仿真系统来培训是一种非常理想的方法，可以保证船 员在培训中掌握要求的技能。 研发实物仿真或混合仿真类型的船舶模拟器仿真系统成本高，可扩展性差， 开发基于软件的船舶模拟器仿真系统势在必行1 4 。采用基于软件的虚拟设备代替 实际设备，则增强了系统的灵活性和可扩展性，能够在保证较好的逼真度的前提 下大幅度地提高仿真训练的辅助教学功能。软件仿真系统能够适合有实船操作经 验和无实船操作经验的轮机管理人员的培训需要。这类仿真系统成本低、升级快， 目前大多数仿真器均属此类 s l 。 1 2 2 国际现状 二十世纪七十年代以来，挪威的挪控公司( n o r c o n t r 0 1 ) 、英国船商公司 ( n u n s a s ) 、德国西门子公司( s i e m e n s ) 、波兰g o l y n i a 航海学院、日本三菱公 司( m i t s u b i s h i ) 、美国a v a t o r 技术公司等大公司和院校均开始研制和生产轮机 仿真模拟器。其中以n o r c o n t r o l 公司最为著名，产品居世界领先水平，已有近 5 0 0 套模拟仿真器交付全世界的商船公司、海军及航海院校、研究所和职业培训 中心使用，约占整个市场份额的8 0 。下面着重介绍n o r c o n t r o l 公司的二十世 纪九十年代最新产品p p t 2 0 0 0 及t r a n s a s 公司的1 9 9 7 年产品t e r s 2 0 0 0 。 p p t - 2 0 0 0 型轮机模拟器( 含船舶模拟器模拟器) 是f u l lm i s s i o np r o p u l s i o n p l a n t t r a i n e r 的简称。由教练员室、模拟机舱( 无模拟主机) 、学员练习室( 包括若 干学员练习终端) 等组成。p p t - 2 0 0 0 由集中式计算机网络系统构成，网络为以太 网，网络有h p 工作站2 台、微处理器若干。该系统运行于u n i x 操作系统之上， 使用二维流程图来显示系统流程结构，基本上为字符界面，人机界面不友好。不 配置示教板系统，只有一个c r t 对整个动力装置系统进行集中监控。t e r s 2 0 0 0 型轮机仿真模拟器( 含船舶模拟器模拟器) 是t r a n s a se n g i n er o o ms i m u l a t o r 的简 称【6 j 。该产品具有多级别。模块化、通用性、开放性、组合性等腰三角形独特风 格，具有较高的性能价格比。t e r s - 2 0 0 0 保留了机舱集中控制室的全部硬件， 第1 章绪论 取消了模拟机舱，模拟主机以及大型式教板等硬件设施，代之以软件型点触式屏 幕控制面板，多台学员练习终端以及大屏幕投影仪。全部使用微机，运行于 w n d o w s 9 5 n t 环境之上，使用伪三维流程图和软控制面板，人机界面友好。 其主机模型和船舶模拟器模型可根据用户要求进行定制，并可与该公司生产的航 海模拟器相互连接。t e r s - 2 0 0 0 中的s t a n d a l o n gp c 型属于纯软件模拟器。 n o r c o n t r o l 公司r t a - i i i 型轮机模拟器中的船舶舵机系统如图1 1 所示。 其特点是被仿真的轮机对象齐全，逼真度高，计算速度快，模型的运算精度高。 但人机界面不太友好，界面过于简单，使培训人员不易入门，一些设备的操作起 来与实际情况不符合。 图1 1n o r c o n t r o lr t a i i i 轮机模拟器舵机系统界面 f i g 1 1d i s p l a y o f s t e e r i n g g e a rs y s t e m o f n o r c o n t r o l r t a i i le n g i n e l o o ms i m u l a t o r 总之，进口模拟器虽然性能优良，但价格昂贵，维修不便，可升级性差，加 上外国公司对我国用户技术保密，且不能满足海事局的“轮机员训练要求”，使 得进口模拟器在我国难以普及发展。 4 基于p c 机的船舶舵机系统动态仿真与研究 1 2 3 国内现状 我国的轮机模拟器研究工作起步较晚，总体技术正在赶超发达国家。在上世 纪7 0 年代末，大连海运学院率先从n o r c o n t r o l 公司引进了轮机模拟器。上世 纪8 0 年代中期，青岛远洋船员学院也从该公司进口了同类产品。这些产品目前 己显得陈旧落后。 1 9 9 4 年，武汉理工大学研制了以杂货船舶为仿真对象的国产轮机模拟器。国 产第一台全任务式轮机仿真训练器“咖s 一型轮机仿真训练器”投入实际运行后 效果良好。与n o r c o n t r o l 公司的产品p p t 2 0 0 0 相似。“w m s l 型轮机仿真训练 器”采用了与真实系统相似的控制设备，对仿真母型船的主机控制系统、集中监 视系统、工况计算机检测系统等进行了软件仿真，而且比p v l 2 0 0 0 的人机界面友 好。 自从武汉理工大学轮机仿真训练器研制成功后，国内纷纷开始进行轮机仿真 训练器的研制，上海海运学院研制完成了以大型集装箱船机舱系统为仿真对象的 国产轮机模拟器“s m s c 一2 0 0 0 型轮机仿真训练器”。上世纪9 0 年代末大连海事大 学也开始了轮机模拟器的研制，并且其产品也应用到了青岛船员学院学员的培训 上。此外，上海宏皓科技有限公司、上海船舶科学研究所、上海船舶科学设计院 等均在从事船舶轮机系统的建模和数字仿真工作。 1 3 本文的主要工作 本研究工作的目的在于通过对“川崎”式船舶舵机系统的结构和机理分析 采用模块化建模方式和集中参数建模方法，建立合理的适用于实时仿真计算的船 舶舵机系统模块化的数学模型；使用m a t l a b s i m u l i n k t 具箱，根据已经建立的数 学模型搭建相应的s i m u l i n k 仿真模型，然后进行计算机仿真，对仿真结果进行分 析；最后设计船舶舵机系统的实时仿真系统软件。 本文的主要工作有以下几点： ( 1 ) 建立船舶舵机系统动态过程的数学模型 本文以大连远洋公司“连运湖”号油轮的拨叉式液压舵机为仿真对象，根据 拨叉式液压舵机的结构特点和工作过程，运用液压学的相关理论，运用集中参数 和模块化建模方法，建立了船舶舵机系统的动态数学模型。包括液压舵机系统模 型、自动舵控制系统数学模型、船舶运动模型等。其中液压舵机系统模型又包括 第1 章绪论 斜盘式轴向柱塞泵和转舵机构等数学模型。 ( 2 ) 舵机动态特性的计算机仿真 在船舶液压舵机数学模型的基础上，通过采用m a t l a b 语言的s i m u l i n k 软件包 对船舶舵机系统进行动态仿真，建立了船舶舵机系统的动态模型，采用了模块化 建模方法，根据反馈控制系统原理划分各子模块，将仿真结果与s o l a s 公约对 舵机的相关要求相比较，可知所建舵机数学模型符合公约要求，验证了仿真模型 的正确性以及利用s i m u l i n k 对船舶舵机系统进行建模与仿真的有效性。 ( 3 ) 实时仿真系统软件的设计与实现 本课题是新一代基于p c 机的轮机模拟器研制工作的一部分，承担的主要任 务是建立船舶舵机系统模块的仿真软件。本文以大连远洋公司的“连运湖”号大 型油轮作为母型船，对仿真母型船的船舶舵机系统进行了较详细的分析研究，并 结合当前国外先进船舶的特点及海事局的培训大纲【1 要求，对其进行简化及优化 设计，确定了仿真船舶舵机应达到的功能。 结合所建立的船舶舵机系统数学模型，利用高级仿真支撑软件，开发了一套 船舶舵机系统仿真训练软件。该套仿真软件完成后将实现以下功能： 操作训练功能。仿真船舶舵机软件具有现代自动化船舶舵机系统基本功 能，学员可对其进行各种正常的手动或自动操作，尽快掌握自动化船舶舵机的基 本原理及工作过程。 特性测试功能。在仿真软件的特性测试工作区内，可以得到舵机在不同 工况下的工作曲线。 操作评估功能。仿真软件可实时跟踪记录学员的每一步操作，操作结束 后可自动评分，并打印报表。 该软件在m i c r o s o i tv i s u a lc 拌n e t 的编译环境中，利用各种图像制作和处理 工具，实现了船舶舵机系统实时仿真的仿真界面和仿真模型程序的编写，能够仿 真船舶舵机的系统基本工作原理及操作过程，并能模拟多种故障，达到了较真实 地模拟船舶舵机的要求。 6 基于p c 机的船舶舵机系统动态仿真与研究 第2 章船舶舵机系统概述 船舶舵机主要由舵叶、舵杆、舵机等部分组成。驾驶人员用它来保持或改变 船舶在水中运动方向。船舶若没有舵机就像汽车没有方向盘一样，将无法航行， 也就失去了安全保障。舵机主要有两大功能，一是具有保持船舶航行方向的能力， 称为航向控制稳定性；二是有改变船舶航行方向的能力，称为回转性，通常把二 者统称为船舶的操纵性。 2 1 船舶舵机系统简介 2 1 1 船舶舵机设备的工作原理和组成 船舶舵机按驱动动力分为蒸汽舵机、电动舵机与电动液压舵机( 简称液压舵 机) m 。液压舵机具有重量轻、尺寸小、灵敏度高，工作平稳安全可靠，能缓冲 风浪对舵叶的冲击，运转噪音低、振动小，而且可实现无级变速，功率的范围广。 所以现代化的大中型船舶，广泛采用液压舵机。故本文以液压舵机作为分析对象。 液压舵机一般采用电动机带动油泵，因而又称电动液压舵机。液压舵机用油 液作为传递能量的介质，利用油液的不可压缩性及流量、压力和流向的可控性来 实现转舵。舵机通过油泵把机械能转化为油液的压力能，然后通过转舵机构把压 力能又转化为机械能，来实现舵的左、右转向。 液压舵机由三大部分组成：转舵机构、液压系统与操舵控制系统。转舵机构 的作用是将液压能转换成机械能，推动舵叶偏转。液压系统的作用是向舵机提供 足够的液压能。并设置所需的保护与控制装置。操舵控制系统的作用有二，一是 传递舵令，二是控制操舵精度。 2 1 2 液压舵机系统的工作原理 大型船舶几乎全部采用液压舵机。液压舵机是利用液体的不可压缩性及流量、 流向的可控性来达到操舵目的的。根据液压油流向变换方法的不同，液压舵机可 分为两类：( 1 ) 泵控型；( 2 ) 阀控型。 2 1 2 1 泵控型液压舵机原理 泵控型液压舵机原理：双向变量油泵2 设于舵机室内，由电动机l 驱动作单 向回转。油泵的流量和吸排方向，则通过与浮动杆5 的c 相连接的控制杆4 控制。 第2 章船舶舵机系统概述 即依靠油泵控制c 偏离中位的方向和距离，来决定泵的吸排方向和流量。舵机采 用往复式转舵机构。由油缸1 4 ( 固定在机座上) 和撞杆9 ( 可在缸中往复运动) 等组 成。当油泵按图示吸排方向工作时，泵就会通过油管从右侧油缸吸油，排向左侧 油缸，撞杆9 在油压作用下向右运动( 油液可压缩性极小) 。撞杆通过中央的滑 动接头与舵柄7 联接，舵柄7 的一端又用键固定在舵杆1 0 的上端。撞杆9 的往 复运动就可转变为舵叶的偏转。改变油泵的吸排方向，则撞杆和舵叶的运动方向 也就随之而变”1 。如图2 1 所示。 尾楼操纵 图2 ，1 泵控型舵机原理图 f i g 2 1t h et h e o r yo f r u d d e re n g i n ec o n t r o l l e db y t h ep u m p 接电反馈 发讯嚣 l 一电动机，2 一双向变量泵，3 一放气阀，4 变量泵控制杆，5 一浮动杆，6 一 储能弹簧，7 舵柄，8 一反馈杆，9 一撞杆，1 0 舵杆，1 1 一舵角指示器的发送 器，1 2 一旁通阀，1 3 一安全阀，1 4 一转舵油缸，1 5 一调节螺母，1 6 一液压遥控 受动器，1 7 - - 电气遥控伺服油缸 舵机追随机构多采用浮动杆式追随机构，又称三点浮动杆式追随机构。浮动杆 的控制点a 系由驾驶台通过遥控系统控制。如把x 孔的插销转插到y 孔之中， 也可在舵机室用手轮来控制。浮动杆上的控泵点c 与变量泵的控制杆4 相连， 反馈点b 经反馈杆8 与舵柄相连。当舵叶和驾驶台上的舵轮都处于中位时，浮 8 基于p c 机的船舶舵机系统动态仿真与研究 动杆即处在用点划线a c b 所表示的位置。c 点恰使变量机构居于中位，油泵空 转，舵保持中位不动。 驾驶台给出某一舵角指令，通过遥控系统，会使a 点移至a l 。由于b 点在 舵叶转动以前并不移动，所以c 点将移到c l 。于是，油泵按图示方向吸排，舵 叶开始偏转，通过反馈杆带动b 点向b i 方向移动。当舵叶转到与aj 给出指令舵 角相符时，b 移到b 1 ，c 点重回中位，油泵停止排油，舵就停止在所要求的舵角 上。浮动杆的位置如图中的实线a l c b i 所示。实际上，浮动杆动作并不分步进 行( c 点偏离中位后，泵就排油) 。 当驾驶台发出回舵指令时，a 点又会从a ，移回中位a 。c 点偏离中位向左， 油泵反向吸排。舵叶也就向中位偏转，使b 点从b l 位置向中位移动。直到舵叶 转到由a 点位置所确定的指令舵角时，c 点重新回中，油泵停止排油，舵叶也 就停转。 2 1 2 2 闯控型液压舵机原理 泵控型和阀控型舵机，尽管工作原理不尽相同，都是由转舵机构、液压系统 和操纵系统等组成。阀控型舵机由电动机驱动单向定量油泵输出压力油，通过操 纵驾驶室内的驾控台旋钮操纵三位四通电磁换向阀来控制液压油进出油缸的方 向，实现左、右操舵功能。工作时。当舵叶在一定位置保持不动时，电磁换向阀 断电换向，滑阀处于中间位置，工作油经换向阀流回油箱，转舵油缸油路锁闭而 稳定；操舵时，换向阀一端线圈通电使滑阀移动，压力油经换向阀进入一推舵油 缸无杆腔及另一油缸有杆腔，并相应从该两油缸的有杆腔及无杆腔回油至油箱； 活塞杆推拉舵柄并使其转动，实现舵叶向左或向右转动。 阀控型液压舵机系统特点：油泵和系统比较简单，造价相对较低；换向阀换 向，液压冲击较大，可靠性也相对较差：阀控型舵机在停止转舵时，泵以最大流 量排油，油液发热较多，经济性差；阀控型舵机适用功率范围比泵控型小。 2 2 液压舵机转舵机构简介 在液压舵机中，转舵机构将油泵供给的液压能转变为舵杆的机械能，以推动 舵叶偏转。根据动作的方式的不同，转舵机构可分为往复式和回转式两大类。由 于结构不同各自有各自的特点。往复式转舵机构较常见的又分滑式、滚轮式、和 9 第2 章船舶舵机系统概述 摆缸式，而回转式主要还是指的是转叶式。1 。如图2 2 所示。 一，复式掣= 、- 回转式一叶片式 图2 2 转舵机构的分类 f i g 2 2v a r i e t yo f r u d d e rh y d r a u l i ca g t u a t o r ( 1 ) 十字头式转舵机构由转舵油缸、插入油缸中的撞杆以及与舵柄相连接的 十字形滑动接头等所组成。如图2 3 为十字头式转舵机构。 图2 3 十字头式转舵机构 f i g 2 3t h et y p ec r o s s h e a dr u d d e rh y d r a u l i ca c t u a t o r 十字头式转舵机构特点：扭矩特性良好，撞杆和油缸间的密封采用v 型密封 圈，油缸内壁不与撞杆接触，但尺寸大、占空间大，安装、检修比较麻烦。 ( 2 ) 拨叉式转舵机构是由转舵油缸和整根撞杆组成，撞杆中部有圆柱销，销 外套有方形滑块。撞杆移动时，滑块一面绕圆柱销转动，一面在舵柄的叉形端部 中滑动。如图2 4 为拨叉式转舵机构。 1 0 基于p c 机的船舶舵机系统动态仿真与研究 图2 4 拨叉式转舵机构 r i g 2 4t h et y p ef o r kr u d d e rh y d r a u l i ca c t u a t o r 拨叉式转舵机构特点：侧推力由撞杆承受，无需导板，结构简单，加工和拆 装比较方便。 ( 3 ) 滚轮式转舵机构用装在舵柄端部的滚轮代替滑式机构中的十字头或拨 叉，工作时受油压推动的撞杆，以其顶部直接顶动滚轮，迫使舵柄转动。如图2 5 为滚轮式转舵机构。 图2 5 滚轮式转舵机构 f i g 2 5t h et y p ei d l e rw h e e lr u d d e rh y d r a u l i ca c “i a t o r 滚轮式转舵机构特点是撞杆与舵柄之间没有约束，无侧推力；结构简单，加 工容易，安装、拆修都较方便；每个油缸均与其撞杆自成一组布置灵活。 ( 4 ) 摆缸式转舵机构采用两个摆动式油缸和双作用的活塞( 也可单作用) 。转 第2 章船舶舵机系统概述 舵时，活塞在油压下往复运动，两油缸相应摆动。通过与活塞杆铰接的舵柄，推 动舵叶偏转。如图2 6 为摆缸式转舵机构。 图2 6 摆缸式转舵机构 f i g 2 6t h et y p es w i n gc y l i n d e rr u d d e rh y d r a u l i ca c t u a t o r 摆缸式转舵机构特点是用双作用活塞代替了单作用的撞杆，提高了油缸的利 用率；结构简单，安装也较方便；对油缸内表面的加工精度、活塞杆与油缸的同 轴度、以及活塞与油缸间的密封等都有较高的要求。 ( 5 ) 转叶式转舵机构通常在油缸内部装有三个定叶，通过橡皮缓冲器安装在 船体上，三个转叶与舵杆相固接，油缸内部分隔成为六个小室。当经油管从三个 小室吸油，并向另外三个小室排油，转叶就会在液压作用下通过轮毂带动舵杆和 舵叶偏转。如图2 7 为叶片式转舵机构。 1 2 基于p c 机的船舶舵机系统动态仿真与研究 图2 r 7 叶片式转舵机构 f 培2 7t h et y p ev 蛳cr u d d e rh y d r a u l i ca c t = l l a t o r 转叶式转舵机构的特点是占地面积小，重量轻，安装方便：无须外部润滑，管 理简便：内泄漏部位较多：容积效率低，内部密封问题是其薄弱环节。 2 3 操舵方式及舵机工作工况 2 3 1 船舶操舵方式 船舶操舵方式有三种，分别为随动操舵、自动操舵和单动操舵( 应急操舵) 。 三种操舵方式适用于不同的航行状况，随动操舵适用于船舶进出港或狭窄水道航 行。自动舵操舵方式适用于宽广的海面上定航向航行，单动操舵即应急操舵适用 于随动和自动操舵方式出现故障时，应急使用的一种操舵方式m 。 ( 1 ) 随动操舵 随动操舵，又叫“舵轮操舵”。即舵叶随着舵轮转动，利用操舵台上的舵轮 进行手动操舵。通常，舵轮向左或右转动一圈相当于发出的舵令1 0 。，当实际 舵角到达舵令值时，舵机停转。随动操舵方式是负反馈调节系统，它以舵角和舵 轮的偏差控制舵机。这种方式适用于船舶进出港或狭水道航行。 ( 2 ) 自动操舵 船舶自动地按设定的航向航行，需要改变航向时，可用航向设定旋钮更改设 第2 章船舶舵机系统概述 定航向，船舶自动地改变航向并按设定的新航向自动航行。这种方式适用于宽广 的海域航行。自动操舵实际上是利用自动航向保持仪操纵船舶的航行。它利用电 罗经检测船舶实际航向，然后与给定航向进行比较，其差值作为操舵装置的输入 信号，使操舵装置动作，改变偏舵角在舵角的作用下，船舶逐渐回到正航向上。 船舶回到正航向后，舵叶不再偏转。自动舵适用于宽广的海面上定航向航行，减 少了驾驶员的工作强度。 ( 3 ) 单动操舵 这种方式适用于手动和自动方式的电路或机械发生故障时，由手柄即自复式 形状或按钮( 左、右舵各) 直接控制舵机的动作而产生舵角，所以操舵时要特别 小心，时刻注意舵角指示器和适时放开手柄。在海船上称为应急操舵。操舵方法： 手扳舵转，复零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。人看分罗经 和舵角指示器操舵。 2 3 2 船舶舵机工作工况 舵机工作的三种工况的选择： ( 1 ) 单泵四缸：适于开阔水面正常航行。其最大扭矩等于公称转舵扭矩， 绝大多数时间能满足规范要求。 ( 2 ) 双泵四缸：适于进出港，窄水道航行或其他要求转舵速度较快的场合。 其最大扭矩等于公称转舵扭矩，转舵时间较单泵四缸工况提高一倍。 ( 3 ) 单泵双缸：在某缸出现故障时采用，这时转舵速度约较单泵四缸工作 时提高一倍，转舵扭矩则比单泵四缸时大约减小一半。 2 3 3 舵机操舵方式的应急转换和机组的选择 舵机应急转换程序如图2 8 所示，当自动舵出现故障时转为随动操舵，随 动操舵也出现故障时，转为单动操舵，也就是在舵机房应急操舵，通过旋转扭矩 马达旋钮来控制转舵角度。当单机组运行出现故障时，自动转换为另一机组：机 组i 由应急配电板供电，机组i i 由主配电板供电，当主配电板失电时，只能使用 机组i 。 1 4 基于p c 机的船舶舵机系统动态仿真与研究 图2 8 三种操舵方式之间的应急转换 f i g 2 8e m e r g e n c ys w i t c ho f a m o n gt h em e t h o d so f c o n t r o l l i n gr u d d e r 船舶舵机的操作程序如表2 1 所示。 表2 1 舵机操作程序 t a b 2 1p r o c e c l u r eo f c o n l r o l l i n gr e d d e r 操舵方式操作程序 i 合上舵机报警电源； 2 通过起动器起动电机； 遥控操舵 3 操作模式选择“m a n ”6 转动舵轮与实际舵角相近处将选择开关 于“f u i 或f u - 2 ”转动舵轮即可操舵( 随动操作) ； ( 驾驶台) 4 选择开关选择。