“向阳-3”型自动操舵仪控制电路的研究论文.doc

毕业论文（设计）“向阳-3”型自动操舵仪控制电路的研究学 生 姓 名： 康明雨 指导教师： 丛吉远 专业名称： 自动化 所在学院： 信息工程学院 2015 年 6 月目 录摘要IAbstractII第一章 引 言11.1 研究的意义和目的11.2 国内外发展的现状11.3 研究的内容和方法2第二章 舵机概述32.1 舵机装置32.2 舵机装置对电力拖动的要求32.3 自动舵的分类42.4 舵机的操舵方式和基本原理62.5 向阳-3自动操舵仪综述8第三章 系统中的主要环节93.1航向复示和电罗经操舵93.2 自动操舵信号发送器103.3 跟踪操舵信号发送器和舵角反馈信号发送器123.4 相敏整流电路133.5 “向阳-3”中的运算放大器163.6 开关放大器203.7 极限报警电路223.8 跟踪操舵及跟踪灵敏度调节233.9 应急操舵系统233.10 低压直流电源243.11 航向给定，航向改变和压舵调节243.12 “向阳-3”型自动操舵仪的通电与调试25总 结27致 谢28参考文献29附 录30大连海洋大学本科毕业论文（设计）摘要摘要船舰上的重要设备包括自动舵机，它是船舰上不可缺少的一部分，它是控制船的行驶方向，能够自动的、高精度的、改变和保持船的航行方向，因此此设备一旦发生故障或者损坏时，都会给船只和人员造成很大的损失和伤害，这是我们很难承受的。因为自动舵机是人与机电一体化的精密的设备，它的电路结构，机械结构是相当复杂的。所以一旦设备出现故障时产生的问题也是复杂性、不确定性等特点。我研究的是向阳-3的自动舵机，它是运用运算放大电路、开关放大电路和相敏整流电路等模块来实现舵机的自动控制的。关键词：自动舵机的控制，报警，船舶偏航- I -大连海洋大学本科毕业论文（设计）AbstractAbstractAutomatic steering gear is an important equipment on the ships . It is an indispensable part of the ship. It is to control the direction of travel of the ship. It can be automatic, high-precision, change direction and keep the sailing ship. Therefore, the equipment is failured or damaged. He will be a huge lossed and damaged. It is difficult for us to bear. Because the automatic steering is electromechanical integration of people with sophisticated equipment. They structure is very compled . When it appears some questions .it is very trouble . The “XiangYang -3” automatic steering is researched by me. It is the use of the operational amplifier circuit, the switching amplifier and phase-sensitive rectifier circuit for automatic control.Key Words： Automatic steering control，limit alarm，Ship yaw- II -大连海洋大学本科毕业论文（设计）附 录第一章 引 言1.1 研究的意义和目的海域的发展中船舶担当了非常重要的角色。因此对船舶运动控制的研究逐渐成为一个重要的研究领域，所以船舶上的设备也是重要的研究对象，那么操舵仪就是重要的研究对象。他是用来改变船舶的航行方向和保证船舶的机动，或者让船舶能够按预计好的航线去行进。如果舵机损坏或者发生故障会导致船舶在一定的条件下发生失事沉没的状况。舵机不仅在一般船舶上起着决定性的作用在军舰上也有着至关重要的作用，如果军舰上的舵机损坏，也会丧失机动性，这样只会被动挨打，因此舵机是船舶上最重要的机械设备之一，是无可替代是去不了的。伴随着科技的不停发展，人们对海域的探索越来越多，想对海域的了解也想更深一成，因此船舶业随之快速的发展起来。因此在船舶发展的竞争上也是相当激烈的，对船舶的研究主要是为了提高两点：安全性和经济性。因此自动舵的研发在这当中也是占了很重要的位置，现在各国都在努力的研发更好的舵机。1.2 国内外发展的现状第一次用于实际的自动操舵仪由德国的安许茨公司于研制成功。在这之后又产生了四代成品，分别是机械式自动操舵仪、接着出现的是机电式自动操舵仪、然后出现的是自适应自动操舵仪、最后产生的是智能自动舵，从这也能看出来自动操舵仪对于船舶的重要性，因此也导致自动操舵仪越来越好的发展。自建国起，国家认识到了海域的重要性，因此也促使我国船舶的快速发展，自动操舵仪也就引起了国家的重视，所以国家的一些科研所和一部分高校都对自动舵进行了深入的研究，相应的也取得了不错的成果，然后一些航海厂家也与一些部门进入一些实验，通过理论与实际的结合，我国因此也产生了一些西产品，在这其中主要的产品就是模拟PID 舵为主，虽然我国现在对于自适应舵研究效果取得并不是很明显，但是我相信我国一定会克服这个问题，取得好的成果的，毕竟我国研究的时间还是很短的。总有一天我国在舵机这方面也会站在世界巅峰的队伍里。相对于我国的发展状况来说，国外的发展还是领先我国的，走在了我国的前面，现在国外实际应用的自动操舵仪有许多种成熟的航向舵、航迹舵产品，其操纵方法大多都是很成熟的自适应控制，其中包括德国研发NAU TO CONTROL 综合系统中的自动舵、日本研发的PR - 8000 系列自适应自动舵、美国研发的VISIONTECHNOLOGY系统中的自适应自动舵等。由于智能控制是最近几年发展起来的，因此应用在自动舵上还不是很成熟，是在进一步研究，得通过诸多的可行方案和实验仿真来进一步完美，最后应用在现实的船舶航行中来。1.3 研究的内容和方法我所选的课题是“向阳-3”自动舵机控制电路的研究，通过“向阳-3”的电路图研究，搞明白各个电路模块的工作原理，其中有：航向复示和电罗经操舵、自动操舵信号发送器、跟踪操舵信号发送器和舵角反馈信号发送器、相敏整流电路、运算放大电路、开关放大器电路、偏航极限报警电路、跟踪操舵及跟踪灵敏度调节、应急操舵系统、低压直流电源和航向给定，航向改变和压舵调节，通过以上内容来了解“向阳-3”自动操舵的工作原理，以上诸多的内容我主要研究的是电罗经操舵、相敏整流电路、运算放大电路、开关放大电路和极限报警的工作原理，除此之外一些其他的电路和模块也有些研究，但不是很详细，只是涉及，除了“向阳-3”自动舵机其他一些的自动舵机这里也有些涉及。在研究的过程中需要我逐个研究每个电路图，要循序渐进不能同时进行，否者会乱的，我相信我会做好“向阳-3”自动舵机控制电路研究的这个课题。第二章 舵机概述2.1 舵机装置“向阳-3”型自动操舵仪是属于电动机械传动舵机，如果舵机要是按着拖动的方式来分别的话，是有两种的：电动机机械传动舵机和电动液压传动舵机。电动一机械舵机装置主要分为扇形齿轮传动和蜗杆传动。蜗杆传动方式较广泛的用于，特别是军舰。他所占面积较小，适用于船舰较狭长的船舶。在蜗杆上只有正反螺纹，能使二块滑块沿着螺杆作相对或相反移动，从而推动舵杆转动，其舵杆力矩较大，工作可靠。缺点是舵杆尺寸大，传动效率低。为提高舵机生命力，这种机构可接入两台电动机，由于差动装置的作用，可由任一台电动机单独拖动舵机，也可由两台电动机同时拖动舵机。扇形齿轮传动方式应用最为广泛，适用于舰部较宽的船舶.他结构简单，效率高，但占地面积大。大多数民用船舶都选用这种形式。为了预防波浪对传动机构冲击产生作用力，扇形齿轮空套在舵杆上，通过缓冲弹簧与舵杆相连。涡轮蜗杆一般是自制动式的，使舵杆上的力矩不能反方向传递到电动机轴上。此外，还设有人力操舵手轮等应急装置，当电动机不能工作时，直接带动扇形齿轮和舵柄来转动舵叶。舵杆上的机械制动装置是船舶停航时用来固定舵叶的。他们也是有一些共同的特点的，例如：都是应用传动机构，通过高的减速比把电动机的快速转动直接送到舵柱的低速偏转。像这样的电力拖动系统一般情况下都是应用直流的G-M控制系统。电动一液压舵机装置其中有双向变量油泵，电动机工作时要是恒速的，提供的高压油还要可逆流向，它与同样的起货机的传动装置是非常类似的，不过起货机卷筒的油马达是能够连续来转动的，而转舵的液压油缸设备只能够左、右来移动的，舵柄铰链的撞杆两头要分别放入左右高压油缸内，油缸都要与油泵进行相连，当两个油泵分别注入高压油和低压油时，然后促使撞杆(与活塞运动想像)向低压端移动，相应的舵柄、舵柱和舵叶就要有一定的偏转。操舵系统控制能改变高压油泵的消耗和流动方向。电动一液压舵机装置普遍都是应用在远洋的船舶上。2.2 舵机装置对电力拖动的要求1.工作可靠，生命力强，能不间断的工作。(1)要有两路供电，可从主配电板分别由两弦向舵机装置设供电线路，亦叫以从主配电板与应急配电板分别向其供电。(2) 能在几个地方远距离操舵，并能迅速转换到应急操舵。 (3)舵机电动机及控制设备以设置两套为宜，其中一套备用。如只有一套，应有足够的备，以便及时更换损坏的零部件。2.能频繁且可靠的工作船舶维持在稳定的直线航行(定向航行)时，舵叶经常以小角度偏转，约为4口6。，以保证船舶航向。此时舵机工作十分频繁，每小时接通次数高达400-600次。内河船舶(如长江上游)接通次数可达1200次，且偏舵角也大，约为10-20，因此整套设备应能在高操作频率下可靠的工作，即满足重复短时工作制要求3.具有足够的过载能力和机械特性船舶做复杂机动航行时偏舵角度较大，致使舵杆力矩范围内变动，甚至可能是电动机堵转，因此，要求系统有足够的过载能力和很好的机械特性，电机能满足堵转一分钟，并切堵转转矩限制在一定范围内的技术要求。堵转消除后，电动机应能自动回到原机械特性上工作4.能保证给定的转舵时间当船舶以最大航速前进时，舵叶从左满舵(或相反)所需时间应不超过28秒;船舶机动性要求越高，转舵时间要求越短。如在长江上游滩多水急的航道内，转舵时间要求为12-18秒。5.能正反转和调速除液压舵机的变量泵电动机外，均要求能方向和调速。在偏转小角度时用低速，在转舵时用高速。6.能保证舵叶准确的停止在规定的位置，以及所有电动机操舵装置都应该设有限制开关，能自动限制最大偏舵角(除电动液压舵机外)。7.船舶以最大速度后退时(一般为最高航速的一半)，舵机应能使舵自一弦满舵转至另一弦满舵，转舵时间不加限制。8.舵机装置的电器保护，应根据能保证舵机连续工作不影响船舶正常航行和防止舵机损坏的综合要求，采取：1.不设欠压保护，使舵机在电网电压下降时让能继续工作。2.不设过载保护，可设置过载声光报警装置。这样在负载过大时，仍不中断对电动机及其控制系统的供电，以确保航行安全，而报警信号则起到通知值班人员采取必要措施的作用。在液压舵机的电力拖动中如果设有过电流保护装置，则该装置的动作整定值调整在不小于200%额定电流，且允许通过电动机的起动电流。3.允许设置短路保护，使舵机馈电线和电动机免于受损2.3 自动舵的分类1. 机械式自动操舵仪机械式自动操舵仪 他的偏航信号是通过机械系统来加以处理的，进而来完成操舵的。但是他有很多缺点，例如：反应慢、质量差，因此使用的也是很少的，只在个别的船上有过使用。 这种机械式自动操舵仪只能进行简单的比例控制为了避免震荡，需选择低的增益，它只允许在航向要求不是很精确的船舶来使用。2. 机电式自动操舵仪机电式自动操舵仪 自动操舵仪使用的是PID控制器，这种控制器是比例-积分-微分控制器的简称，它的偏航信号是通过电子线路来进行处理分析的，从而实现操舵。舵机的控制信号能够分为三种：偏舵角信号与偏航角能够成一定比例的偏舵角信号，能够使船首返回到原航向来，要是重载船型的话尽量取比例小一些的。与偏航角对时间的积分成比例的信号，来消除不对称偏航这种情况，简称它为压舵，他是按照风浪的实际情况来情况调整的。与偏航角对时间的微分成比例的信号，如果是由惯性引起的偏航它就可以起到作用，又称为反舵角，它对重载船的微分作用很明显的，操舵还非常快的。 PID控制器研发的成功使操舵性能有了很大争强，PID控制器的出现满足了诸多船舶的要求。现在的各种船舶大部分都是使用PID控制器的自动操舵仪，但是他有两个缺点：当船舶自身的状态发生改变时或外界诸多因素发生变化时，船舶的操纵性能也随之发生了改变时，但是自动操舵仪的控制特性却是没有同时做出相应的变化。要是为了保持自动操舵仪的良好性能，就是考验驾驶员的判断是否正确了，这样操舵仪的诸多控制参数就需要人为来进行准确的调节。这样很难达到最佳状态、操作起来还很不方便。为了船舶能够一直正确的航行，他又对偏舵信号很是敏感，这样操舵频率快、幅度摆动的还大，进而导致舵的磨损和能源消耗过大，水的阻力也伴随着变大，进而航行速度慢，经济效率降低。3. 自适应自动操舵仪自适应自动操舵仪 伴随着科技的发展和人们对自动操舵仪不断的研究，有了自适应自动操舵仪产生。它是在机电式自动操舵仪的基础上，把自适应操舵程序的模块镶入其中而成的。自适应自动操舵仪能够船舶在船舶的自身条件改变时或者外界因素改变时船舶的操纵性能也伴随这改变，它的控制参数能够随着检测到的变化按先前设计的性能指标进行自动的调节，使自动操舵仪一直处在最好的状态。所以自适应操舵仪比机电式自动操舵仪更加完美，不仅能减少人力、提高安全性还能节约能源，相应的经济效益也就能够随之提高。自适应自动操舵仪也是有优缺点的，适应法还是处在发展阶段中的。采用自适应自动操舵仪时，虽然控制参数可以自动守到调节、性能也得到了很大的提高。但是物理实现的成本对我我们现在来说还是很高的。但是它也有一些缺点的：她也有非线性环节例如死去、舵机速率等，不稳定容易收到影响，航速、装载、吃水也会影响动态特性，然而在设计建模时就会有很大的不确定性，控制效果难以保证，最坏的时候都能够影响系统的稳定性。4. 智能操舵仪为了产生更好的自动操舵仪，科研人员对“人工智能操舵系统”的研究做了很大付出。现在为止研发出的智能控制的方法有三种： （1）专家级智能系统；（2）模拟逻辑控制器；（3）神经网络控制器。2.4 舵机的操舵方式和基本原理舵机的操舵方式有三种：单动操舵、随动操舵和自动操舵，在目前情况大部分船舶采用的是自动操舵。单动操舵：单动操舵就是通过按钮或手柄进行的应急操舵。总的来说操舵方法就是手按舵转、手放舵停；左舵左按，回舵右按；右舵右按，回舵左按。图1单动操舵方框图随动操舵：随动操舵的方法是船舶左偏航操右舵，舵轮操右舵多少度，舵叶就右偏，并停在多少度，为减少S型航迹的振幅，船舶在回正航向过程中，必须操回舵。图2 随动操舵方框图自动操舵：自动操舵有五个阶段第一阶段 船舶在给定航向上航行时，电罗经与船舶无相对运动，即由电罗经带动的滚动触头A总在绝缘块B上，电动机D不动，舵叶在舶舰面上.第二阶段 假设船舶受外界干扰向右偏离给定航向，电罗经与船舶有相对运动，带动滚动触头A向左转动，与左半环C1接触，接通电动机，带动舵叶向左偏转；经过延时反馈机构E带动滑环开始向滚动触头方向转动。第三阶段 船舶偏航角达到基本一角度后，在偏舵角的作用下，停止偏航，此偏航角为最大偏航角。电罗经带动滚动触头也达到最大值而停止。电动机带动圆环赶上滚动触头，使他处于绝缘块上，电动机停止转动，舵叶所处的偏舵角也为最大。第四阶段 船舶在左舵作用下想给定航向回转滚动触头离开绝缘块向右转动，与右环C2接触，电动机反转，航向脂舰线回转，圆环跟随滚动触头转动。第五阶段 船舶回到给定航向上，圆环又追上滚动触头，使触头再次位于绝缘块上，电动机停止转动，舵叶也回到脆舰线上。以上是随动操舵的主要内容，也是现在船舶主要的操舵方式。图3自动操舵方框图2.5 向阳-3自动操舵仪综述“向阳-3”型自动操舵仪与“航海-1”型电罗经配套使用，具有自动、跟踪和应急三种操舵方式。该自动舵属于“比例微分”调节的自动保持航向的操舵系统，他能够比较精确的自动操纵船舶在给定航向上航行。这种自动操舵系统的输出是两个继电器的开关量，以此控制液压舵机伺服油泵的两个电磁阀按开关动作，并由伺服油泵的柱塞拉动变量泵的滑环，向液压舵机油泵供油，使舵柱和舵叶偏转。当偏舵角达到要求时，一方面通过机械反馈机构将变量泵滑环恢复到中央位置，舵叶停；另一方面，通过舵角反馈机构，时操纵系统中的开关放大器输出为零，继电器线圈断电。向阳-3型自动操舵仪的自动操舵灵敏度为0.2，并允许在0.22.5范围内进行连续调节，在轻浪情况下，自动操舵的平均偏航角不大于0.4；在使用自动操舵时，若船舶偏航角大于6，系统能够自动报警。跟踪操舵灵敏度为1，并允许在12.5范围内进行连续调节；跟踪操舵的准确度，即偏航角跟随指令航角的误差不大于1。第三章 系统中的主要环节3.1航向复示和电罗经操舵3.1.1电罗经概述电罗经它是一种航向检测的原件，又可以叫它陀螺罗经，由主罗经、分罗经电源变换器等结构组成的，它不受磁场的影响，定向精准，使用广泛。3.1.2电罗经的工作原理电罗经是利用陀螺仪的定轴性和进动性，与地球的自转和重力矢量相结合，真北基准仪器是由控制设备和阻尼设备组合成的。陀螺不转动时轴线能随便改变，当没有外力干扰时告诉旋转它就不会改变轴线方向，空间指向就不会有错误，这称为陀螺的定轴性。当有外力干扰到旋转的陀螺时，然后轴线的指向按照一定的规律连续的变化，这就叫作陀螺的进动性。当船舶受到某种因素干扰，与预定轨道偏离时，电罗经上的伺服电动机会带着自整角发送机转动，然后通过同步传送系统，使操舵仪上的分罗经接收机夜随着转动，并经过齿轮传动装备，使实际航向在分罗经的刻度盘上显示出来。电罗经能够自动、不间断的为船舶的航行方向提供正确的信号，它被称为船舶的眼睛。 图1“向阳-3”型自动操舵仪框图3.2 自动操舵信号发送器自动信号发生器就是图一中的偏航信号发送器，自动操舵仪就是一个航向自动调节的I系统，唯一变量就是船舶行驶的方向，它是通过船舶的实际航向与给定航向K的偏差而进行工作的。因此需要一个给定航向与实际航向的比较环节，简单的来说这个比较环节就是偏航信号发送器，而且通过他将偏航角变换成幅值与之成正比例的正弦电压信号。偏航信号发送器的原理电路如图2所示。图2偏航信号发送器原理电路自整角机ZF1的激磁绕组R1R2接到单相交流电源上，ZF2的激磁绕组R1R2不能接电源，而作为信号输出用。ZF1的转子与分罗经机械相连，并装有60（航向）刻度盘h。ZF2的转子通常被机械卡死的。但旋转“航向给定”钮可以使之转动，转轴指针也装有60（航向）刻度盘d。由于ZF2与ZF1的转子位置已经相差90，因此当实际航向与给定航向K一致，即偏航角为零时，输出信号电压Uzf为零，若不等于K，根据自整机原理有Uzf=Umsin，=-K如果偏航角在/6(30)之内，则输出信号电压的幅值与偏航角成正比，则既有Uzf（）=Um，输出信号的相位取决于偏航的方向，当两台自整机相连接的整步绕组在空间处于相同位置时即，Um为=90时的最大输出电压。Uzf的数量和相位关系如图3所示。由此可知，偏航信号发送器一方面起到了给定航向K与实际航向进行比较的作用，即将给定航向信号通过“航向给定”钮以角度输入到ZF2的转子，船舶实际航向有电罗经检测出来，通过分罗经以角度输入到ZF1的转子，由两个转子间的相对转角反映出船舶偏离角；另一方面它也起到了信号变换的作用，即将偏航角变换为幅值与之成正比例的正弦电压信号，送戏一级相敏电路进行整流。图3 Uzf的大小和相位与偏航角的大小和方向的关系3.3 跟踪操舵信号发送器和舵角反馈信号发送器 它们均使用自整角机变压器将指令舵角或舵叶偏转角变换为幅值与之成止比例的正弦电压信号。为便于分析，设连接成星形的二相整步绕组（S1S2S3）在定子上，通单相交流电的激磁绕组（R1R2）在转子上。如果激磁绕组的轴线与整步绕组S1S2的轴线重合则S1S2间的输出信号电压为零如图4 (a)所示，因为这一情况卜的Us2=Us3,而且在星形连接的回路中方向相反.所以输出信号U2 3为零。若将转子在此基础上逆时针方向转过角度，磁通方向就从4 (a)的水平位置也逆时针转过角度，如图4 (c)所示。与的夹角是（60+），所以Us2= Umcos（60+）Us3=Umcos（60+）U2 3=Us2-Us3=3Umsin在/6（30）以内，U2 33Umsin，可见使用自整角机变压器能够把指令舵角或舵叶偏转角变换为幅值与之成正比例的正弦信号电压，其相位则取决于操舵手轮或舵叶偏转的方向。自整角机是利用自整步特性将转角变为交流电压或由转角变为转角的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。自整角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。两台或多台电机通过电路的联系，使机械上互不相连的两根或多根转轴自动地保持相同的转角变化，或同步旋转3。电机的这种性能称为自整步特性。自整角机广泛应用于冶金、航海等位置和方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统中。图4 跟踪操舵信号发送器3.4 相敏整流电路3.4.1 向阳-3的相敏整流“向阳-3”自动操舵仪具有两组相敏整流电路，一组供给偏航输出信号（由船舶偏航角或指令舵角变换来的交流信号电压Uzf或Ugf）作用相敏整流用，另一组供给舵角反馈信号（由偏舵角变换来的交流信号电压Ufq）作用敏整流用，两组电路的工作原理完全一样。3.4.2相敏整流的工作原理现已偏航输出信号相敏整流电路为例，说明其工作原理，其电路图如图5（a）所示，实际上是一个二极管环形调节器，调节电压Ut由变压器1B供给，在自动操舵时，输入信号Usb就是由偏航信号发送器ZF2定子绕组R1-R2输送来的交流信号电压Uzf，在跟踪操舵时,也就是跟踪信号发送器GF转子绕组S2- S3输送来交流信号电压Ugf。在电阻R3,4,5,6阻值相同(以r表示)，二极管D3,4,5,6特性相同，R1 1=R1 2(以R表示)，1B副绕组的6点为准确中心抽头，即6点上、下两半电压的有效值相等的条件下，相敏整流电路的输出与输入关系如下1、当输入交流信号Us为零时，输出的直流电压也为零；2、当有一定相位的交流信号us.输入时，输出的直流电压具有相应的极性，输出的大小随输入大小而改变；3、当输入交流信号电压的相位改变180,输出的直流电压的极性改变。图5 相敏整流电路如果以偏航信号发送器的输出信号作为相敏整流电路的输入信号，在偏航角的范围内，相敏电路的输出直流电压的大小与偏航角成正比，相敏电路输出的直流电压的极性决定于偏航方向。对于跟踪操舵和舵角反馈也完全一样，即Usc的大小与指令舵角或舵叶偏转角成正比。下面分析相敏整流电路输出与输入的关系。如图5 (a) 所示的是相敏电路工作于正半周的情况，且认为UzfUt，于是二极管D4、 D5、导通，D3、D6截止，个支路电流如图5 （a）中箭头所示。正半周等效电路图如图5(b)所示的、回路和节点8可列出如下方程所示出的是相敏电路工作D3 DE截止，各支路电流ut+us r- if （R12+Rf）-i1R4=0Ut-i2R5+i3R11-Us r=0if(R12+Rf) i3R11=0i1=if+i3+i2设R3,4,5,6相等，以r表示R1 1=R1 2,以R表示，解此方程可得直流输出电压Us c为 Us c=ifRf=Usr在负半周工作时，只要将Ut，Us r极性反过来，D3，D6导通，D4.，D5截止，同样可得到上式结果。上式中Us r是直流输出脉动电压的瞬时值，相当于全波整流，如图6所示。如过us r用有效值Us r表示Us r用平均值Us c表示，全波整流系数为0.9, 则有Us c=Us r从以上两式可以看出，相敏电路的输出电压与解调压器Ut无关，解调电压仅起使二极管导通或截止的作用，从而实现相敏整流。在电路参数确定的情况下，输出电压的大小与输入的电压的大小成正比，输入电压的相位能够决定输出电压的极性，即船舶偏离正确的航向的方向。如果船舶向左偏离正航向，偏航信号发送器的输出电压(就是相敏整流电路的输入电压)Us r与调制解调器电压Ut同相位，相敏整流电路输出的直流电压Us c为正，其波形如图6(b)所示，那么当船舶向右偏航时，Us r与Ut就反向180， Us r的正方向如图6 (b)括号中十)、(一)极性所示，分析得，这时相敏电路输出的直流电压Us r为负，其波形如图6 (c)所示。图6相敏整流输入输出波形3.5 “向阳-3”中的运算放大器3.5.1 运算放大器的概述运算方大器也可以称为“运放”)是方大的电路单元。在现实中，一般与反馈网络一起来实现某种功能。由于很早用在.模拟计算机中，来完成数学运算，所以叫它被叫作“运算放大器”。运放是一个从功能的角度来命名的电路单元、可以由分立的器件实现，在半导体芯片当中也可以来使用它。随着科技越来越快的发展，很多都是一单芯片的方式存在的。运放放大器的种类非常多，在电子行业的应用中是非常广泛的，其示意图如下: 运放放大器如图有两个输入端a(反相输入端) ，b(同相输入端)和一个输出端O.也分别被叫作倒向输入端非倒向输入端和输出端。当电压U一加在a端和公共端(公共端是电压为零的点，它类似于电路中的参考结点。)之间，且其实际方向从a端高于公共端时，输出电压U实际方向则自公共端指向O端，即两者的方向正好相反。当输入电压U十加在b端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。为了区别起见，a端和b端分别用“一”和“+”号标出，但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性4。电压的正负极性应另外标出或用箭头表示，反转放大器和非反转放大器如下图:一般可将运放放大器简单地视为:具有一个信号输出端口 ( Out)和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。运放放大器的可分为双和单电源供电的两种方式，对双电源供电，其输出允许在零电压两侧变化，在差动输入电压等于零时候其输出也可以为零。使用单电源供电，输出在电源与地之间的一定范围内变化着的。运放的输入电位一般都要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放的能够允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也是被认可的。这种运放称为轨到轨(rail-to-rail)输入运算放大器6。3.5.2 运放的种类集成运算放大器如果通过参数来分的话，运算放大器可以有七类：通用型运算放大器通用型运算放大器就如它的叫法一样其设计出来的目的就是能为了性能指标能满足众多的集成运算放大器。因此这也导致了他的使用范围广、销量大，可以说它就是物美价廉，经济使用性的。高阻型运算放大器这种集成运算放大器的特点就是差模输入阻抗相当的高，输入偏置电流很小，一般rid 1 GW1 TW，IB为几皮安到几十皮安。场效应管高输入阻抗的特点能帮助完成这些指标的，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，有着诸多好处：输入电流低、阻抗高、高速和低噪声等等，缺点就是输入失调电压是很大的。低温漂型运算放大器总是希望运算放大器的失调电压要很小且不能够随温度的变化而变化的，低温漂型放大器的目的是想要运放的失调电压很小，而且也不能够随着温度的改变而改变的。高速型运算放大器现在有很多集成运放大器要求转换速率SR要高到一定程度的，单位增益带宽BWG一定要足够大，像通用型集成运放是是达不到要求的。高速型运算放大器就是为此而设计的，来满足高的转换速率和宽的频率响应要求特点。常见的运放有LM318、A715等，其SR=50-70V/us， BWG20MHz低功耗型运算放大器由于电路集成化的最大的优点就是能够复杂的电路变得更简化，因此伴随着便携式仪器使用范围的变广，必须使用低电源供电、低功率消耗的运放相使用，因此低功耗型运算放大器就是为此而设计的。常用的运放有很多，例如：有TL-022C、TL-060C等放大器，工作电压为2V到8V，消耗的电流为50到250mA。高压大功率型运算放大器由于供电电源的电压对运算放大器的输出电压有着很大的影响，而供电电源的电压作为输入电压一般都不大，因此运算放大器的输出电压最大也就几十伏，输出电流也就几十毫伏，无法满足高功率的要求，要想达到要求，就得在外面加辅助电路，而高压大功率型运算放大器就不需要了，就能满足输出电压和电流的要求了。可编程控制运算放大器在仪器仪表得测量中都会有关于到到量程得问题，为了要得到一个输出电压的定值，就得使运算放大器得放大倍数要再一次的进行放大的，就是相当于把原来的10倍放大改变成100倍，可编程控制运算就是来完成这个要求的。3.5.3“向阳-3”自动操舵仪中的运算放大电路在“向阳一3”型操舵仪中，应用了固体组件5G23运算放大器，组成运算电路，对偏航信号进行“比例一微分”运算，对偏航角和偏舵角进行比较，提高了船舶自动保持航向的准确性和航向的稳定性。图7为运算放大电路原理及其与输入、输出的连接关系以及主要的调节环节。图中，U1=n，为船舶偏航信号经发送器相敏电路输送到“运放”反相输入端的直流信号电压：U2=m为偏航信号经舵角反馈相敏电路而输送到“运放”反相输入端的直流信号电压。m，n为信号发送器和相敏电路两极的角度/电压变换系数;Usc为“运放”输出信号电压，送到开关放大电路输入端。对于图7，根据“运放”反相输入端A点为“虚地”的基本知识在暂不考虑“比例调节”的情况下，认为U2=U2，可列出下列方程组 I1= I2= I f= I c=CC If=Ic+I1+I2通常R2 4+R2 2,用R 表示，解此方程组便可获得运算电路的输出与输入关系 Usc=(U1+U2+RC)式中如果假定偏航信号电压U1为正，因为舵角反馈属于负反馈，则舵角反馈信号电压U2为负。在船舶偏离正航向的过程中，不断增大，U1也不断增大，为正，而在回航过程中，为负当自动舵处于平衡状态时，即当舵角反馈信号抵消了偏航信号时，运算放大电路的输出信号为零。即Usc=(U1+U2+RC)=0将U1=n，U2=m，并令=K 带入上式得 =K1（+RC）该式说明偏舵角不仅与偏航角w成正比，而且还与偏航速度成正比，所以这一系统属于“比例一微分”操舵系统，括号前的负号表示偏航的方向是为了消除偏航，即当船舶因故离开正航向而向右(或左)偏航时，应自动给出左(或右)舵，使船舶回到原来的舵向。 图7运算放大电路及其调节环节下面围绕运算放大电路说明几个调节装置的原理: (1)微分调节:改变图七中电容C即可实现微分调节，微分调节分五档，第一档没有电容，即没有微分效果，第五档电容最大，微分效果最强。 (2)灵敏度调节:利用连接于运算放大器输出端、反相输入端的双联变阻器Rwo和Rw1, 可实现自动操舵灵敏度调节，其调节规律是滑动臂越往左端移动，灵敏也越高，自动舵的偏航角越小，而且校正偏航所需要的偏舵角也越小，这是因为滑动点越往左端移动，Rwo和Rw1阻值越小，对信号的衰减作用越小,在较小的偏航角时，就可产生足够的输出使开关放大电路动作，而抵消这一较小偏航信号所需要的偏舵信号自然也较小。自动灵敏度调节也分为五档，第一档的串联电阻最小，所以灵敏度最高.第五档最低。 (3)舵角反馈调节:这里的反馈调节就是比例调节。它通过连接于“运放”反同输入端的接地电阻器Rwb，可实现舵角比例调节，其调节规律是滑动臂越往左端(地电位)移动，比例系数K1也越大,这是因为在Rw1不动的情况下，滑动臂越接近地电位，进入放大器用以抵消偏航信号的偏舵信号越小，因此只有在较大的偏舵角情况下，方可抵消一的偏航角。比例调节也分五档，而且由于R48R49R50R51R52,因此从第一档到第五档，舵角比例系数K1.逐档增加。3.6 开关放大器“向阳-3”型自动操舵仪的开关放大器可控制主电路及其触发电路，放大电路组成，其原理电路图如图八所示。图中可控硅SCR1、SCR2作开关用，可分别控制左、右舵继电器1J、2J线圈的通断，其常开触点控制私服油泵电磁阀1DF、2DF线圈的通断。只要SCR1或SCR2被触发导通，就可以使继电器1J或2J线圈通电，从而得到左舵或右舵。为了使可控硅在操舵信号消除后能自行关断，所以采用了平均值为27伏的全波脉动直流电源与继电器线圈并联的二极管D21, D22起续流作用。放大电路晶体管TD1、TD2等元件组成。R55、R56、R57、R58构成这一级的电流负反馈偏置电路，有+6伏电源供电，静态，即前级“运放”无输出时，调整Rs的阻值使TD1、TD2处于放大状态，且使流过R60、R62的静态电流在其Ico在其上产生的电压降越6. 6伏左右，于是D17、 D18正向导通，TD3、TD4均因发射结作用有约0.6伏的反向电压而截止，其集电极均为高电位，于是晶体管T13和T24，也都处于截止状态，SCR1和SCR2都不导通，,继电器1J. 2J都不动作，舵叶不偏转。触发电路由TD3、T1,3和TD4 T2,4等元件组成。前以述及，静态时，他们全都处于截止状态如果在输入端有一定极性的信号输入，例如下端为正，上端为负，则TD1集极电流减小，R60上电压降减小，例如从静态时的6. 6V减小到5. 4V，即Vb3从静态时的5. 4V上升到6. 6V，于是TD3因发射结有约0. 6V正向电压而由截止转化为放大状态，集电极电位下降，T1、T3也进入放大状态，T1集电极电位升高，通过R56的正反馈作用，使TD3、T1、T3立即进入饱和和导通状态，T3集电极电位升高，稳压管DW3被反相击穿，SCR1被触发导通，1J线圈通电动作，接通左舵电磁阀1DF,舵叶向左偏转。与此同时，TD2集电极电流增加，R61电压降增加，使TD4、T2、T4变为截止。如果输入信号极性变为上端为正、下端为负，根据同样的分析，这时SCR2被触发导通，2J线圈通电动作，接通右舵电磁阀2DF，是舵叶向右偏转。图中输入信号端口的两只反相并联的二极管D15、D16起到限限幅作用，防止由于输入线号的幅度过大而烧坏晶体管TD1、 TD2的发射结7。图83.7 极限报警电路在“向阳-3”自动操舵仪中，设有偏航极限报警装置，用以检测当船舶处于自动操舵状态下由于操舵系统失灵而使之偏离正确航向的最大允许航向偏差，并发出报警，告知值班室驾驶员作应急处理。图九为它的原理控制电路，由检测级和输入级和开关电路等组成。检测级把与偏航角w成正比的交流信号电压Ui经桥式整流电路变为直流电压，再经R115和R116分压后加入T11基极，并从他T11射极输出；开关电路有射极耦合双稳态电路（施密特电路）、开放大电和继电器ZJ 组成。如果偏航角W达到极限值(通常为士6)，由T11射极输出的信号使双稳态翻转成T12导通，T13截止，T14也截止，继电器ZJ线圈断电，其常闭恢复闭合，于是喇叭(原理图中未画出)发出响声。在正常情况下，由于自动舵灵敏度较高（即使调到最低，也可以在偏航2.5时，动舵予以校正)，T11射极输出信号很小，双稳态电路处于常态，即T12截止，T13也导通，继电器ZJ线圈通电，喇叭不响8。图9中R11为极限偏航角调节电阻。自动操舵仪出场时己调好，通常稳定在偏航角达到6时，施密特电路翻转，喇叭发出音响，一般不必再作调整，如有必要还可以通过R115调节，使偏航角在4（减小R115阻值)到8(增加R115)间任意角度下发出报警。图93.8 跟踪操舵及跟踪灵敏度调节参看原理图（见附录），将各处转换开关由自动位置A投到跟踪位置B，即可进行跟踪操舵跟踪操舵系统如图十所示，这时不使用自动偏航信号发送器。运算放大器及其所附属的各调节装置，而改变两个相敏整流电路输入端口按反极串联的回路作为比较环节，当反馈舵角与指令舵角相等时，开关放大器输入U1为零，舵机停转，舵叶位于指令舵角上。图10跟踪操舵灵敏度（既能够使得舵叶偏转的最小指令舵角min），可通过变阻器Rwg进行连续调节，当Rwg最小时，min到达1就可动舵，min到达2.5才能动9。3.9 应急操舵系统参看原理电路图(见附录)右下角部分，把转换开关1K投于“应急”位置，2K投于“驾驶室”或“舵机室”位置，即可在驾驶室或舵机室用按钮代替继电器2J、 1J触点来控制伺服油泵电磁阀2DF.、1DF的通断，从而实现操左舵或右舵。3.10 低压直流电源它是能提供稳定直流电源的电子装置。为了就是让直流输出的电压要能够一直保持稳定不会有太大波动当有一些物理量发生变化时。它提供的电源一般大都是交流电源。直流稳压电源的发展方向就是高精度、提高稳定性和争强可靠性。“向阳一3”型自动操舵仪的“运放”电路，开关放大电路和偏航极限报警电路需要低压直流电源。其中+27V为SCR主回路电源，因要在触发信号消除后，SCR能够立即关断，所以27V为全波脉动电压，其他电源都采用全波整流电容滤波电路。3.11 航向给定，航向改变和压舵调节参看原理电路图(见附录)左上角部分或图2, “向阳一3”型自动操舵仪中，“航向给定”旋钮有三种作用10。（1）在进行自动操舵时调整给定航向。在大角度调整给定航向时，一般先用跟踪操舵方式，将船舶首尾线调整在给定航向上，然后旋转“航向给定”钮，使被分罗经LJ带动的ZF1转子指针在h刻度盘上所指的刻度与受“航向给定”钮旋转的ZF2转子指针在d刻度盘上所指的刻度一致。此时，偏航信号发生器输出的信号为零，于是可将操舵仪投入自动工作状态。在自动工作方式下，当船舶收到外界干扰而向左或向右偏离给定航向时，分罗经LJ便带动ZF2转子，在ZF2定子绕组R1 R2上产生输出信号Uzf，系统投入工作，使船舶返回到给定航向。 (2)在自动操舵过程中，小角度改变航向，使船舶在新的航向上航行。如果只在5 (最大不超过15 )之内改变航向，可不比换位跟踪操舵方式，而直接用“航向给定”钮改变航向。例如，航向从现在起需要向右偏航5 ，只要将“航向给定”钮向右旋转。使指针在d刻度盘上同右增加5 (请注意:因为航向刻度盘一周是60 。所以指针偏转5 意味着ZF2转子在空间转过了30 )，船舶将自动从原航向转到新的航向上。这是因为向右改变航向时，人工使ZF2转子向右转过30 机械角(ZF1尚未转动)，在R1R2上产生的输出信号Uzf，与船舶因干扰向右偏离正航向时，分罗经LJ使ZF1转子向右转过30 机械角(ZF2转子尚未转动)在R1R2上产生的输出信号Uzf的相位相反，即Uzf= Uzf，经相敏电路后，如果后者(指分罗经的输出)的电压为正，给出左舵以校正船舶向右偏航的话，那么前者(指航向给定旋钮)的电压则为负，就应该给出右舵，使船舶首尾线向右转动而进行到新的航向上为什么小角度改变航向一次不能超过5 (最大不超过15 )呢?因为超过5 ，转子转角超过30 ，离开了信号发送器的线性区，而超过15 ，则转子转角就超过90 ，将导致自动操舵的紊乱。(3)在自动操舵时用来压舵，假如船舶受到单侧风、流的冲击而想右单侧偏航，可以将“航向给定”钮向左偏转少许，许予以校正，压左舵予以校正;反之若向左单侧偏航，可压右舵少许予以校正。3.12 “向阳-3”型自动操舵仪的通电与调试自动舵的通电调试，可分为手柄、随动、自动操舵三个阶段，准备工作和通电调试步骤原则上与其它类型的舵机相似，特别是手柄操舵，因它设计很是复杂的精管电路，手柄开关能够直接的控制电磁阀的通断，所以要先单独进行调试，只有确认无误后，才能进行接下来的随动操舵。要先小角度进行随动操舵，接着在大角度。通电时如发现了系统停止或者跟踪角度不对时的一些静态故障，能把舵角反馈发送器直接与操舵台相连，可控硅的输出端用引线改接二手便于观察的临时负载（如白炽灯）。这样在排除故障时，舵机就能够不再工作了，可以方便简单的进行调试了，检查时先手轮操舵一个偏角，假设操右10，此时刚点亮的白炽灯应灭。然后其它度数也接着做上诉的实验，紧接着反向操舵，如果系统正常，说明故障不在操舵台的随动控制部分，而在其他的一些地方。如果临时负载（白炽灯）不正常，这问题就在随动系统里面。“向阳-3”自动舵的半导体按在三块印刷电路板上，害的有三个备件。加入确认问题出在操舵台内，能先用备件替换，若没问题了，就进行下不调试。还有的话就要到操作台其他地方及连线问题。随动操舵通电完成以后，可进行自动操舵调试。系统试验期间，可人为改变航向进行预调。预调的程序是：用随动操舵方式将舵位置于