船舶舵机的电力拖动与控制1323

1、在自动操舵和随动操舵失效情况下应用在自动操舵和随动操舵失效情况下应用船舶进出港等备车航行时应用船舶进出港等备车航行时应用船舶定速航行时应用船舶定速航行时应用单动舵原理图单动舵原理图 这种操舵方式仅适用于内河小型船舶和作为海船的应急操舵方式。8g-m系统电动舵机的单动操舵原理系统电动舵机的单动操舵原理1 当船舶向左偏离航向时，可当船舶向左偏离航向时，可将操舵手柄右扳，使将操舵手柄右扳，使k1闭合，闭合，励磁机励磁机j得到某一极性的励磁，得到某一极性的励磁，g将发出某一极性电压，执行将发出某一极性电压，执行电动机电动机m向某一方向转动，舵向某一方向转动，舵叶向右偏转。叶向右偏转。 通过舵角指示器观

2、察舵角大通过舵角指示器观察舵角大小。当接近所要求的的右偏舵小。当接近所要求的的右偏舵角时，松开手柄，触点角时，松开手柄，触点k1断开断开，电机，电机m停转。停转。g-m系统电动舵机的单动操舵原理系统电动舵机的单动操舵原理随动操舵原理图（电桥式）随动操舵原理图（电桥式） 放大器执行机构船舶舵叶操舵手轮人人反馈装置偏航角偏航角 偏舵角偏舵角罗经罗经舵机舵机：船舶沿正航向：船舶沿正航向k航行，滚轮航行，滚轮1恰好与绝缘恰好与绝缘块块4接触，电动机不转动，舵叶在艏艉线上，接触，电动机不转动，舵叶在艏艉线上，艏艉线与正航向重合，艏艉线与正航向重合， =0，=0偏航偏航转舵转舵最大舵角最大舵角：使使(=m

3、ax)，船停止偏转，船停止偏转(d/ dt = 0)。导电环追上滚轮，使绝缘块。导电环追上滚轮，使绝缘块与滚轮接触，电动机停，舵叶停转与滚轮接触，电动机停，舵叶停转=max。回转回转：在左舵的作用下，船开始回转（：在左舵的作用下，船开始回转（），），使滚轮右转，与导电环接使滚轮右转，与导电环接3触，使触，使j2有电，有电，电动机反转，回舵（电动机反转，回舵（）。导电环右转追随）。导电环右转追随滚轮运动。滚轮运动。：船舶回到给定航向：船舶回到给定航向k，=0，=0。回航回航船舶的航迹曲线船舶的航迹曲线反馈机构：航向接受器和舵角反馈机构。反馈机构：航向接受器和舵角反馈机构。电罗经是检测元件，也是比

4、较环节。电罗经是检测元件，也是比较环节。比较比较(元件元件)：由两个导电半圆环和滚轮所构成。：由两个导电半圆环和滚轮所构成。放大器：直流发电机放大器：直流发电机执行机构：他励直流电动机执行机构：他励直流电动机m。小结：小结：（1）自动操舵系统是按船舶对航向的偏离程度来控）自动操舵系统是按船舶对航向的偏离程度来控制船舶的航迹，其操舵系统实际上是在随动操舵的基制船舶的航迹，其操舵系统实际上是在随动操舵的基础上省去手轮，加上航向反馈而形成的。础上省去手轮，加上航向反馈而形成的。（2）系统的调节对象是船舶，被调节量是航向。）系统的调节对象是船舶，被调节量是航向。（3）自动操舵系统为典型的双闭环控制系统

5、：）自动操舵系统为典型的双闭环控制系统：p 内环是舵角反馈，实现舵角的自动跟随。内环是舵角反馈，实现舵角的自动跟随。p 外环是航向反馈，实现对船舶偏航的自动调整。外环是航向反馈，实现对船舶偏航的自动调整。 船舶应用的自动舵类型众多，究其调节规律，有三种基本类型：比例舵：以船舶偏航角的大小和方向进行调节的，比例-微分舵：以船舶偏航角和偏航角速度的大小和方向调节的。比例-微分-积分舵：以船舶偏航角、偏航角速度及偏航角积分的大小和方向来调节的。 1比例舵比例舵以船舶偏航角以船舶偏航角的大小按比的大小按比例给偏舵角例给偏舵角，即，即k1(kp)为比例系数，负号表为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏航

6、。示偏舵的方向是消除偏航。 k1过小，不能产生足够的转船力过小，不能产生足够的转船力矩，回转性能不好。矩，回转性能不好。 k1过大，使船回转过头，稳定性过大，使船回转过头，稳定性变坏，还会降低航速。变坏，还会降低航速。 与与b随时间变化的曲线随时间变化的曲线 1k pk k1是根据船舶载重量、天气状况进行调整，是根据船舶载重量、天气状况进行调整，k1 =0.54；1比例舵比例舵以船舶偏航角以船舶偏航角的大小按比的大小按比例给偏舵角例给偏舵角，即，即k1(kp)为比例系数，负号表为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏航。示偏舵的方向是消除偏航。特点：特点：（1）因风浪引起偏航时，比例舵具有纠正偏

7、航）因风浪引起偏航时，比例舵具有纠正偏航的能力。的能力。（2）采用比例舵会使船舶沿着航向左右摇摆，）采用比例舵会使船舶沿着航向左右摇摆，船舶航迹呈船舶航迹呈s型振荡，衰减很慢。型振荡，衰减很慢。（3）控制简单，精度差，系统稳定性差。）控制简单，精度差，系统稳定性差。 与与b随时间变化的曲线随时间变化的曲线 1k pk 2比例比例微分舵微分舵以船舶偏航角以船舶偏航角和偏航角速度和偏航角速度d / d t按比例给出偏舵角按比例给出偏舵角,即即k2(kd)是微分系数。是微分系数。dtdkk21加入微分环节后使得系统具有加入微分环节后使得系统具有“超前超前”的校正控制作用。的校正控制作用。提高系统的灵

8、敏度。提高系统的灵敏度。通常所说的纠偏舵、稳舵角或反舵角等均指微分舵作用。通常所说的纠偏舵、稳舵角或反舵角等均指微分舵作用。pddkkd t 比例微分舵角及其合成曲线比例微分舵角及其合成曲线 比例作用比例作用微分作用微分作用共同作用共同作用偏航角偏航角偏航角微分偏航角微分12dkkd t d / dd / d比例微分舵角及其合成曲线比例微分舵角及其合成曲线 比例系数比例系数k1与微分系数与微分系数k2选择不当，也将影响航行质量。选择不当，也将影响航行质量。 当载荷增加而船速减慢时，相当载荷增加而船速减慢时，相对于对于k1，把，把k2的值调得过小的值调得过小(大大比例小微分比例小微分)，则比例舵

9、的效果，则比例舵的效果就比微分舵的效果大，所以船就比微分舵的效果大，所以船舶以正航向为中心，左右摇摆，舶以正航向为中心，左右摇摆，逐渐衰减，最后停止在正船向逐渐衰减，最后停止在正船向上，如图所示。上，如图所示。 偏航偏航比例一微分舵对偏航角的影响比例一微分舵对偏航角的影响 12dkkd t 反过来，相对反过来，相对k1把把k2调得过调得过大大(小比例大微分小比例大微分) ，则微分舵，则微分舵的效果更明显，因而航向不发的效果更明显，因而航向不发生摇摆，航迹呈现过阻尼现象，生摇摆，航迹呈现过阻尼现象，船舶长时间不能恢复正航向。船舶长时间不能恢复正航向。如图所示。如图所示。 在不同的航行工况下，如何

10、适当选择在不同的航行工况下，如何适当选择k1和和k2数值，数值，需通过实践，常常是靠经验来调整需通过实践，常常是靠经验来调整k1和和k2。 比例一微分舵对偏航角的影响比例一微分舵对偏航角的影响 12dkkd t 3比例比例微分微分积分舵积分舵其调节规律是以船舶偏航角其调节规律是以船舶偏航角 、偏航角速度、偏航角速度d / d t和偏航和偏航角的积分角的积分d t按比例给出偏舵角按比例给出偏舵角，即，即k3(ki)是积分系数。是积分系数。dtkdtdkk321积分环节的作用在于消除船舶由于船型不对称、螺旋桨不对积分环节的作用在于消除船舶由于船型不对称、螺旋桨不对称或船舶单侧风、水流的影响使偏航角

11、在不灵敏区所引起的称或船舶单侧风、水流的影响使偏航角在不灵敏区所引起的横向移动距离。（不灵敏区是在横向移动距离。（不灵敏区是在较小时，自动舵是不调节较小时，自动舵是不调节的）的）pdidkkkdtdt 如果由于某种原因引起船舶的瞬时偏如果由于某种原因引起船舶的瞬时偏航，后来立即消失，因为作用时间短，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，没有偏移，无需发出校正动舵信号，如图如图(a)所示。所示。 有时候在船舶给定的航向两侧均匀摇有时候在船舶给定的航向两侧均匀摇摆，经过比较长的时间后，其平均航摆，经过比较长

12、的时间后，其平均航向仍在正航向上，因此也无需使舵动向仍在正航向上，因此也无需使舵动作，如图作，如图(b)所示。所示。 只有当船舶在偏航死区内左右摇摆不只有当船舶在偏航死区内左右摇摆不均匀，平均航向如图均匀，平均航向如图(c)所示偏离正航所示偏离正航向一侧，且又持续了很长一段时间，向一侧，且又持续了很长一段时间，于是偏航积分环节发出信号，予以校于是偏航积分环节发出信号，予以校正。正。 图图(d)所示为平均航向发生偏移，积分所示为平均航向发生偏移，积分校正器工作后，船舶返回正航向的情校正器工作后，船舶返回正航向的情况。况。自动舵虽能纠偏使船舶返回正自动舵虽能纠偏使船舶返回正航向，但对船舶的横向漂移

13、却航向，但对船舶的横向漂移却无能为力。可利用无能为力。可利用gps定位系统定位系统来实现航线控制。来实现航线控制。l“比例微分积分比例微分积分”调节系统是比较完善的自动舵，但调节系统是比较完善的自动舵，但系统构造较复杂。系统构造较复杂。有的自动舵以有的自动舵以“压舵压舵”环节了替代上述环节了替代上述的积分环节，从而使控制系统得到简化。的积分环节，从而使控制系统得到简化。l所谓所谓“压舵压舵”，指的是船舶航行受到持续的单侧横向力的，指的是船舶航行受到持续的单侧横向力的干扰（如风浪、推进器、船舶装载不对称等），使船舶形干扰（如风浪、推进器、船舶装载不对称等），使船舶形成向某一侧的小偏航成向某一侧的

14、小偏航。估计这种情况可能发生，则在自动估计这种情况可能发生，则在自动舵放大环节的输入端加入某一极性的固定信号，这样产生舵放大环节的输入端加入某一极性的固定信号，这样产生一个相应的固定偏舵角，对船舶形成一个固定的转船力矩，一个相应的固定偏舵角，对船舶形成一个固定的转船力矩，用以平衡单侧横向干扰力。这一固定大小的舵角称之为用以平衡单侧横向干扰力。这一固定大小的舵角称之为压压舵角舵角。 总结：三种控制规律比较l 比例舵：可以克服偏航，但容易形成s形航迹，调整过程较长。l 比例 - 微分舵：可以减小最大偏航角，克服回航时的反向偏航，加快操舵系统响应速度。但微分系数不能太大，否则容易造成不稳定。l 比例

15、 - 微分 - 积分舵：能够产生“自动压舵”调节，克服不对称偏航。hq-5型自动舵系统基本上由驾驶室主操舵台、舵机房简易操舵台、伺服机构、反馈装置和电源箱等组成。 它具有单动（应急）操舵、随动操舵和自动操舵三种操舵方式，可根据船舶航行中的具体情况加以择用。 自动操舵采用比例-微分调节，并设有压舵环节。 偏航信号发送器、随动信偏航信号发送器、随动信号发送器和舵角反馈信号发送号发送器和舵角反馈信号发送器都是控制式自整角机。它们器都是控制式自整角机。它们单机使用，其定子的单相激磁单机使用，其定子的单相激磁绕组接到绕组接到110v的单相电源，转的单相电源，转子的三相整步绕组只联接其中子的三相整步绕组只

16、联接其中的两相作出输出绕组，转轴分的两相作出输出绕组，转轴分别由罗经接收机（分罗经）、别由罗经接收机（分罗经）、操舵手轮或舵柱通过机械传动操舵手轮或舵柱通过机械传动装置带动。自整角机处于协调装置带动。自整角机处于协调位置时，无输出。位置时，无输出。 此电路的工作条件是：此电路的工作条件是： uref+uref_+_+_+_+_us0urrr272829rfd2d5d3d4rrr下级输入下级输入电阻电阻2910()0refsfuui ri rr320refsuui ri r03()0fi rri r1032iiiiurefd3urefusd2+_+_+_27281i2irrr0ur3i0irf0

17、3()frriir02()refsfuurriir0010()()frefsfrriuurriiirrus在正半周：在正半周：0000000000000000()()()()0()()()0()22 ()0()()2 ()22 ()(2)2 (frefsfrefsffrefsrefsfffsffffsffrriuurriuuiri rrrrrrriuui ruurrii rrrrrriui ri rrrrrrirrrrrr rrui ri rrirrrrrr ri000)2(2)2 ()2(2)2 ()fsffffsffrrriurrrr rrrrui rurrrr rrurefd5urefu

18、sd4+_+_+_2729281i2irrr0ur3i0irf10()0refsfuui ri rr320refsuui ri r03()0fi rri r1032iiii03()frriir02()refsfuurriir0010()()frefsfrriuurriiirr0000000000000000()()()()0()()()0()22 ()0()()2 ()22 ()(2)frefsfrefsffrefsrefsfffsffffsffrriuurriuuiri rrrrrrriuui ruurrii rrrrrriui ri rrrrrrirrrrrr rrui ri rrirrrrri0002 ()2(2)2 ()2(2)2 ()fsffffsffr rrrriurrrr rrrrui rurrrr rrurefus0u （3 3）当）当u us s00时且与时且与