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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 第1章第2页 概述 舵机装置是保持或改变船舶航向的重要设备 优秀的舵机可以 节省航运成本降低劳动强度 第1章第3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 船和舵 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 结构 第1章第4页 舵的作用原理 偏舵作用 转船使船横移产生航行阻力 v 第1章第5页 舵的作用原理 由舵角b产生的转船力矩 小舵角作用下的船舶回转运动方程 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 第1章第6页 舵机驱动装置 舵叶 舵柄 舵柱 第1章第7页 舵机驱动装置 舵机驱动装置分为两类 电动 机械 电动 液压 电动 机械舵机装置 电动机通过连轴节带动蜗杆蜗轮转动 并通过主动齿轮带动扇形齿轮 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 电动 机械舵机装置 第1章第8页 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 电动 液压舵机装置 系统组成 恒速电动机拖动油泵 提供高压油 驱动液压油缸 舵叶 液压舵机 驱动力大 抗冲击 第1章第9页 10 1舵机电力拖动与控制的基本要求 工作可靠供电 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10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11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 自动操舵 随动操舵 FU 航向控制航迹 航线 控制 第1章第12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13页 单动操舵的舵机控制 a 电动 b 液压舵图10 1单动操舵原理图 电磁阀 第1章第14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15页 闭环跟踪系统 随动操舵方框图 第1章第16页 3自动操舵 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 图10 6自动操舵方框图 给定舵角 第1章第17页 控制系统结构 计划航线 航迹偏差 航迹控制 航向偏差 航向控制 舵角偏差 舵角控制 应急操舵 舵机 舵角检测 船 GPS 电子海图 罗经 测量航向 测量船位 航向 随动操舵 航向设定 自适应 扰动量 扰动量 第1章第18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 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19页 自动舵的基本类型 按操舵的规律分类 三种基本类型 比例舵 比例 微分舵 比例 微分 积分舵 第1章第20页 比例舵 比例舵操舵的规律是 偏舵角 的大小与偏航角 的大小成比例关系 即 K1 其中 K1为比例系数 负号表示与偏航方向相反 第1章第21页 比例舵舵效 正航向 K1 第1章第22页 比例舵 回转运动方程 K1 特点 机构简单 航行保持精度较差 船舶营运经济性较差 会出现S形航迹 比例舵的不足 偏航初期偏舵角较小 不能很快阻止船舶继续偏航 回航过程中船舶具有惯性 偏舵角不能及时减小 容易反向偏航 第1章第23页 比例 微分舵操舵的规律是 偏舵角 的大小与偏航角 的大小成比例 微分关系 即 比例 微分舵 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 第1章第24页 主要特点 具有 超前校正 的控制作用 减小船舶航向的振荡 减轻舵机负担 增加航速 提高系统灵敏度和船舶的营运效益 第1章第25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 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26页 积分作用 图10 10偏航时的积分作用 第1章第27页 比例微分 压舵环节 正航向 航线 单侧风 第1章第28页 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 比例 微分 积分舵 能够产生 自动压舵 调节 克服不对称偏航 操舵定律特点比较 第1章第29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 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30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 系统组成 第1章第31页 航向检测 复示 航向检测方法 磁罗经compass电 陀螺 罗经磁通门罗经光纤陀螺罗经GPS 第1章第32页 航向指示 陀螺 罗盘上看得到 复示 用于控制 第1章第33页 航向复示 自整角发送机 自整角接收机 罗经 航向复示 航向 自整角机原理 i 0 第1章第34页 航向复示 自整角发送机 自整角接收机 罗经 航向复示 航向 i 第1章第35页 航向复示 自整角发送机 自整角接收机 罗经 航向复示 航向 i 0 第1章第36页 信号发送电路 偏航信号发送器 随动信号发送器和舵角反馈信号发送器 航向给定 航向接收机 罗经 航向 us 航向偏差信号发送器 第1章第37页 航向偏差信号发送器 航向给定 航向接收机 罗经 航向复示 航向偏差输出 us us Ucos sinwt 给定航向 实际航向 u Usinwt 第1章第38页 航向偏差信号发送器 航向给定 航向接收机 罗经 航向复示 航向偏差输出 us us Usin sinwt 给定航向 实际航向 u Usinwt 第1章第39页 偏航信号 随动信号 舵角信号发送 图10 12信号发送电路 us Usin sinwt u Usinwt 第1章第40页 相敏整流电路 由偏航信号发送器 随动信号发送器和舵角反馈信号发送器输出的交流信号电压分别送到相敏整流电路中进行整流检相 变换成能够反映偏差角度大小和方向的直流信号 图10 13相敏流电路 us Usin sinwt U0 k us uref u0 uref与us同频 同相或反相 且uref us R11 R10 第1章第42页 信号比较 压舵环节和直流放大电路 HQ 5 系统组成 第1章第43页 运算电路 随动操舵 u01 u k u k R R U01 0时舵叶停止偏转 这时 HQ 5 第1章第44页 自动操舵 u01 u k u k R1 R2 C U01 0时舵叶停止偏转 这时 第1章第45页 脉冲形成与晶闸管触发电路 第1章第46页 晶闸管主电路与应急操舵电路 第1章第47页 HQ 5型自动操舵仪 第1章第48页 新型自动操舵仪简介 计算机 微处理器 控制 数字化结构上模块化 网络化控制上智能化功能上 航线 航迹控制 品牌 Sperry 安修斯 第1章第49页 单SCU 第1章第50页 双SCU 第1章第51页 信号传送 串口RS422 0183通信协议 第1章第52页 自适应舵的基本概念和调节原理 自适应舵 通过计算机将所有检测信号进行处理 可以自动修正内部参数 例如比例系数等 以适应船舶的各种状态或海况 分类 自校正自适应控制系统模型参考自适应控制系统等 传统 PID 控制的缺点 第1章第53页 自校正控制系统 自动校正系统的控制参数 使性能指标接近最优 模型参考控制系统 设计一个理想 最优 的参考模型 计算机根据实际检测 实现接近该理想模型的控制规律 自适应舵说明 第1章第54页 自整定模糊PID控制器 Ki Kp Kd PID控制器 模糊推理系统 被控对象 E e de dt 第1章第55页 应用模糊集合理论建立参数Kp Ki和Kd与系统误差绝对值和误差变化率绝对值之间的二元连续函数关系 模糊推理系统在线自整定PID参数 模糊控制的算法简单 用于计算机实时控制计算量很少 并且自适应模糊控制可以使控制参数和规则在控制过程中自动调整 修改和完善 从而使系统的控制性能不断完善 达到理想的控制效果 第1章第56页 本章小结 第1章第57页 舵机系统 第1章第58页 液压驱动 高压油泵 电动机 转舵电磁阀 油缸 Port Stb 第1章第59页 舵轮 第1章第60页 图10 5自动控制舵原理图 第1章第61页 比例微分舵角 图10 7比例舵 与 随时间变化的曲线 图10 8比例微分舵角及其合成曲线 第1章第62页 系统的组成 第1章第63