船舶电机与拖动 第2版 课件 11 船舶舵机控制系统

第十一章船舶舵机控制系统

主要内容1船舶舵机控制系统的基本要求2舵机的操纵方式3舵机控制系统的结构组成4舵机控制系统的工作原理第一节舵机电力拖动与控制的基本要求

舵机的组成与分类：

舵机装置由操舵装置、舵机拖动与控制系统、机械传动机构和舵叶等四大部分组成。

操舵装置是由安装在驾驶室的发送装置和位于舵机房的接收装置组成，远洋船舶上装备的都是远距离控制自动操舵仪，简称自动舵。

控制系统和机械传动机构两部合称舵机，是根据操舵装置发出的操舵信号，使舵柱带动舵叶偏转的装置。根据拖动方式的不同，舵机主要分为电动机械传动舵机（简称电动舵机）和电动液压传动舵机（简称电动液压舵机）索引

电动舵机：

电动舵机通过机械传动机构，以很高减速比把电机高速转动直接传送到舵柱的低速偏转。为适应舵机承受冲击负荷的要求，电动舵机的电力拖动系统常采用直流G-M控制系统。为减小波浪冲击影响，设有缓冲弹簧。

舵机装置及对其基本要求

电动液压舵机：

目前远洋船舶的舵机几乎全部都采用电动液压舵机，电动液压舵机采用双向变量油泵，由恒速电动机拖动，提供可逆流向的高压油。

当一油缸注入高压油而另一油缸排出低压油时，推动撞杆(类似于活塞)向低压端移动，从而带动舵柄、舵柱和舵叶偏转。

舵机装置及对其基本要求查看结构图To：对舵机的要求返回1．主操舵装置应在驾驶室和舵机室两处都设有控制器；2．主操舵装置应按《钢质海船入级规范》的规定，设置两套独立的控制系统，且每套系统均应能在驾驶室控制。3．对于辅助操舵装置应在舵机室进行控制，若辅助操舵装置是用动力操纵，则也应能在驾驶室进行控制，并应独立于主操舵装置的控制系统。4．在舵机舱应设有能将驾驶室操纵的任何控制系统从正在运转的操舵装置上断开的设施，且此控制系统应能在驾驶室某一位置被投入工作；操舵装置控制系统的基本技术要求5．若主操舵装置为动力操舵，则舵角位置应在驾驶室进行显示。舵角的显示装置应独立于操舵装置的控制系统，且在舵机室内能看到舵角的指示；6．驾驶室和舵机室应固定展示带有原理框图的适当操作说明。此说明应表明操舵装置控制系统和动力转舵系统的转换程序；7．对于电动和电力液压操舵装置，应在驾驶室和合适的主要机械控制位置装设指示其电动机正在运转的设备；8．由一台或几台动力设备组成的每一电动或电动液压操舵装置至少应由主配电板设两路独立馈电线直接供电。但其中的一路可以由应急配电板供电；操舵装置控制系统的基本技术要求9．电动或电动液压主操舵装置中的每一动力设备，应由主配电板设一路独立馈电线直接供电，上述馈电线中的一路可以由应急配电板供电。10．小于1600总吨的船舶，属动力操作的辅助操舵装置如果它不是电动的或由主要用于其他用途的电动机来驱动的则主操舵装置可由主配电板以一路馈电线供电；11．在驾驶室操纵的每一主操舵装置及辅助操舵装置的电控制系统，应由位于舵机室内某处且与相应的操舵装置动力线路联用的独立线路供电。操舵装置控制系统的基本技术要求12．操舵装置发生故障时，应在驾驶室内进行报警并应符合报警系统的相应规定；

13．主操舵装置须具有足够的强度并能在船舶最大航海吃水和最大营运前进航速时进行操舵，使舵自任一舷的35°，转至另一舷的35°，并且于相同条件下自一舷的350转至另一舷的30°所需时间不超过28s。14．辅助操舵装置应能在应急情况下迅速投入工作，且应能在船舶最大航海吃水和以最大营运前进航速的一半但不小于7kn时进行操舵，使舵自一舷的15°，转至另一舷的15°，且所需时间不超过60s。操舵装置控制系统的基本技术要求三、液压舵机的结构型式

泵控型液压舵机

泵控型液压舵机的液压泵通常为双向变量泵，通过泵控制杆改变变量泵的偏心距(径向柱塞泵)或斜盘倾角（轴向柱塞泵）的方向和大小来改变液压油流动的方向和排量大小，从而改变液压舵机的转动方向和转动速度。索引三、液压舵机的结构型式

泵控制杆液压调节器

系统为双位置闭环控制系统，内环为液压伺服调节器先导阀阀芯位移闭环控制，反馈元件为差动位移传感器。索引三、液压舵机的结构型式

2、阀控型液压舵机

阀控型液压舵机的液压泵通常为单向定量泵。定量泵的排油方向和排量是不变的，通过三位四通阀控制液压舵机的转向。索引三、液压舵机的结构型式

3、变频调速泵控型转叶舵机

变频调速泵控型转叶舵机液压原理如11-5图所示。图中，液压泵为双向变量系泵。其原理与前述的变向变量泵不同，该液压泵的吸排油方向和排量由变频电机的转向和转速决定。索引第二节舵机的操纵方式

舵机的操纵方式

无论是电动还是液压舵机，其操舵方式一般分为应急操舵，随动操舵和自动操舵三种。自动操舵方式是设备自动检测，并根据事先人为设定的航向和规律进行的自动方式；

随动操舵方式则是根据人的实时指令进行的操作，是手动操作方式；

单动操舵方式则是应急时的操作，是更为简易的手动操作方式。索引1.应急操舵

单动操舵又称为香蕉柄操舵，其实质是一个香蕉形手柄与一个转换开关，通过机械联动机构连接的手动控制开关。香蕉柄右转，1-3接通时，舵叶右偏；香蕉柄左转，2-3接通时，舵叶左偏；香蕉柄在中间位置，0-3接通，舵叶保持不动。

操作特点可归纳为：手扳舵转，复零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左板。

舵机的操纵方式

电动液压舵机原理图在电动液压舵机原理框图中，单动操舵仅仅是一个接通电磁阀DCF1、DCF2的转换开关3WH。

电磁液压阀DCF1、DCF2分别用来接通液压舵机的油路，实现对舵叶的偏转。该图还表示随动和自动操舵。

舵机的操纵方式

电动舵机原理图：在电动舵机原理框图中，单动操舵也仅仅是一个接通G-M机组中直流发电机励磁回路的转换开关SA。SA左扳，发电机励磁绕组左正右负，其电枢电压上正下负，G-M机组中直流电动机带动舵叶左偏。反之，SA右扳，电动机则带动舵叶右偏。

舵机的操纵方式

单动操舵原理框图由单动操舵的原理框图可知，人是单动操舵的控制者，舵叶是被控制对象。

除此之外，单动操舵装置主要由于手柄(发令元件)、放大器(电磁阀或G-M机组中的发电机)、执行机构(液压油缸或G-M机组中的电动机)和传动机构(拨叉与撞块或扇形齿轮)等四部分组成。

单动操舵属于开环控制，控制精度较低。

舵机的操纵方式2.随动操舵：对于电动液压舵机，随动操舵可自动操舵仪分别控制KA1、KA2，并分别接通YV1、YV2实现。

对于电动舵机，则是通过放大器将舵轮的转向及其偏转位置大小放大为直流发电机的励磁方向和大小，从而随动操作舵机。

舵机的操纵方式查看电动液压舵机原理图

随动操舵：所谓随动，就是舵叶随舵轮动。舵轮在0位，舵叶也在0位；舵轮左转××度，舵叶也向左偏转××度；舵轮右转××度，舵叶也向右偏转××度。随动操舵比单动操舵简单，但设备相对复杂。

随动操舵是闭环(负反馈)控制系统，为舵角闭环负反馈控制，调节装置根据舵角偏差调节。

舵机的操纵方式

自动操舵：对于电动舵机，电罗经检测航向与给定航向比较并通过航向调节器调节后，得到的舵令信号β将通过航向传送元件送到比较环节，与舵角检测环节通过舵角传送元件送来的实际舵角信号比较。舵令与实际舵角不相等时，即通过继电器接通过G-M系统发电机的励磁，使电动机带动舵叶偏转。

舵机的工作原理

自动操舵：若航向调节器仅起放大作用，偏航时电动机、比较环节和舵叶偏转的变化过程可由下图说明。偏航增大，偏舵和舵叶偏转都增大。达到最大时，船开始回航，舵叶也开始回舵。船回正航向，舵叶处于正舵位置。

舵机的工作原理第三节自动舵的调节规律

说明：自动操舵的工作是自动检测船舶航向，并与给定航向比较，再经航向调节器调节，发出偏舵命令给执行机构。由于实际船舶具有惯性，航向调节器应采取一定的计算方法来确定如何给出偏舵命令。航向调节器给出舵令的规律就是自动舵的调节规律。换言之，自动舵的调节规律就是偏舵角与偏航角之间的关系。自动舵的类型很多，但最常见的是所谓PID舵，即偏舵角与偏航角之间存在比例、微分、积分关系。索引

（1）比例舵：

偏舵角β正比于偏航角φ大小的调节规律称为比例舵，可用下式表示：

β=-K1φ

比例舵是PID自动操舵仪的基本调节规律，其优点是机构简单，但保持航向的精度较差，船舶营运的经济性较差，因此通常还应与其他调节规律一起配合使用。船舶的航迹呈“S”形振荡，衰减很慢。

自动舵的调节规律

（2）比例-微分舵：

比例-微分舵不仅包含有比例的成分，还包含微分的成分。即以船舶偏航角的大小及偏航角的变化量的大小进行偏舵，其调节规律可表示为：

β=-(K1φ+K2dφ/dt)

微分环节具有提前控制的作用，开始偏航时提前给出大的偏舵角，回航时又提前减小偏舵角，在反向偏航之前提前给出反向偏舵角。即具有“超前校正”控制作用。纠偏舵、稳舵角和反舵角等都是指微分舵作用，但微分舵不能单独使用。

自动舵的调节规律

（3）比例-微分-积分舵：

比例-微分-积分舵的调节规律可由下式表示：

β=-(K1φ+K2dφ/dt+K3∫φdt)

积分环节将对偏航角进行累计，只要平均偏航角φ≠0，积分环节都将给出一定的偏舵角(俗称为自动“压舵”调节)，从而克服不对称偏航造成的后果。与微分环节类似，积分环节也不能作为一种单独使用的调节规律。一般而言，包含微分环节的PID控制系统，是无差系统，即被控制量与给定量相等(无差)。

自动舵的调节规律第四节自动舵的控制系统1．自动操舵系统基本要求（1）自动操舵性能良好

当船舶偏离给定航向一定角度（超过系统灵敏度所整定的角度）时，系统应立即工作，使舵叶偏转一定的角度，这个初始转舵角叫做一次偏舵角。初始舵角应有适当的数值，如果过大会降低船舶航行速度，过小则产生的转船力矩不足以使船舶回到正航向来。如果给出初始偏航舵角后船舶仍然偏离预定航向，自动舵必须保证有附加舵角（二次偏舵角）。（2）应设有随动、单动等操舵设备（3）具有必要的调节装置①灵敏度调节（俗称天气调节）②舵角比例调节③反舵角调节：偏航中的船舶在自动舵的作用下回复到正航向时，舵叶应先回到艏艉线上，然后再向另一舷偏过一个小角度，以防止船舶因惯性力而继续向另一侧偏航，这个预先的偏舵角称之为反舵角（又称制动舵角，稳舵角，纠偏舵角），应根据船型、装载、天气等情况进行调节。④压舵调节：为了纠正船舶由于受到单侧风浪、水流等因素影响而引起的不对称偏航单侧偏航⑤航向调节

自动舵组成框图：

自动操舵仪的类型很多，通常所说的自动舵主要指PID舵，它实际是自动航向保持仪，其组成框图如下。其中，灵敏度调节是根据海况天气对不灵敏区(又称为死区)进行调节，避免频繁动舵。2.自动操舵系统的工作原理

自动舵原理框图：自动舵的原理框图中，电罗经实际就是一个航向比较环节。变换器是将实际的信号变成系统工作时的标准信号。自动舵是双闭环控制系统。

自动舵的工作原理索引

自动操舵：自动操舵是通过“自动舵”完成的，其工作原理可通过如下简化原理框图进行说明。工作时，电罗经实时检测船舶航向α，并与给定航向比较，得到偏航角φ。经过航向调节器的计算调节，得到对舵机装置的偏舵调节信号β，然后再经放大器放大，并调整舵角。

舵机的工作原理

自动操舵过程演示：

舵机的工作原理接通电源，船舶处于正航向。船舶右偏航，舵叶左偏。船舶右偏航最大，舵叶左偏最大。船舶开始回航，舵叶回偏(回舵)。船未回正航向，舵叶提早正舵。船回正航向，舵叶回到正舵位置。索引

1.角度检测与转换环节

二、自动舵主要环节及元器件索引

（2）自整角机

二、自动舵主要环节及元器件索引

2.相敏整流电路

二、自动舵主要环节及元器件索引

3.天气调节电路

二、自动舵主要环节及元器件索引

4.伺服放大器

二、自动舵主要环节及元器件索引第五节自适应自动舵操舵仪

目前船舶有多种成熟的航向舵、航迹舵产品。其控制方法大多为比较成熟的自适应