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1、第10章 船舶舵机的电力拖动与控制,教学目的：掌握舵机电力拖动的特点；操舵方式及原理、性能；自动舵的类型及特点。教学重点：各种操舵的性能，自动舵的特点。教学难点：各种操舵的原理。10-1 舵机电力拖动与控制的基本要求10-2 操舵方式及基本工作原理10-3 自动舵的基本类型及其调节规律10-4 自动操舵系统基本要求和工作原理,概 述,舵是船舶的一种十分重要和不可缺少的专用舾装设备。如果船没有舵或舵失灵，在大海里任凭风浪摆布。无主动航向的船不仅不能保证航行的安全，而且是不能到达目的港的。舵是驾驶人员用来保持或改变船舶在水中运动方向的专用设备。船舵功能：保持船舶预定航向的能力，称为航向稳定性；改变
2、船舶运动方向的能力，称回转性。通常把二者统称为船舶的操纵性。,10-1 舵机电力拖动与控制的基本要求,1.舵机装置 舵机装置由操舵装置、舵机、传动机构和舵叶四部分组成。1）电动机械舵机装置（小船）电动机通过齿轮转动带动舵叶 2）电动液压舵机装置（远洋船）电动机（普通长期工作制）通过液压系统转动带动舵叶。,2）舵机电力拖动控制的基本要求,（1）工作可靠供电：分左、右舷两路馈电线供电，其中之一应该与应急配电板相连。拖动：要求舵机的驱动电动机采用连续工作制，特性软，过载能力强，能堵转1min以上。操舵：最快航速前进时，能满足最大舵角的要求，且有足够的转舵速度（从一舷最大舵角转至另一舷最大舵角的时间不
3、超过30秒）。（2）生命力强至少有两个控制站（驾驶室和舵机房），控制站之间装有转换开关（防止同时操作），现场控制站具有操作优先级。故障时可进行人力操舵。舵机操纵系统应装有自动操纵系统、随动操纵系统和应急操纵系统三种操纵装置。,2）舵机电力拖动控制的基本要求,（3）操作灵便要求在任何舵角下均能投入工作，并及时准确地把舵转至给定舵角，具有舵角指示。可实现自动、随动和单动三种操舵方式，能方便地选择切换。（4）舵叶偏转限位保护和失压报警装置当舵叶转至极限位置时，舵机自动停止转舵；当舵机总电源断电时，失压报警；舵机电机只有过载报警而无过载保护装置；当采用自动操舵装置时，应设有航向超过允许偏差的偏航自动报
4、警装置。,10-2 操舵方式及基本工作原理,操舵方式一般有三种：,单动操舵（应急操舵）,自动操舵,随动操舵,航向控制航迹（航线）控制,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,船舶定速航行时应用,单动舵原理图,1.单动操舵工作原理,单动操舵是在自动操舵和随动操舵都不能使用的应急情况下提供的一种操舵方式。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。G-M系统电动舵机的单动操舵原理（图a）G差复励直流发电机，M执行电动机，J发电机G的励磁机，控制励磁机的励磁，即可控制舵叶的偏转。K1和K2为操舵手柄或按钮控制的触点,ZD1和ZD2为舵机限位开关。,8,G-M系统
5、电动舵机的单动操舵原理,当船舶向左偏离航向时，可将操舵手柄右扳，使K1闭合，励磁机J得到某一极性的励磁，G将发出某一极性电压，执行电动机M向某一方向转动，舵叶向右偏转。,通过舵角指示器观察舵角大小。当接近所要求的的右偏舵角时，松开手柄，触点K1断开，电机M停转。,单动操舵特点：手扳舵转，手放舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左板。,G-M系统电动舵机的单动操舵原理,系统特点：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。,2.随动操舵的工作原理,随动操舵是按偏差原则进行调节的操舵自动跟踪系统，被调对象是舵，被调节量是舵角。它具有使舵叶角度与操舵手轮位置自动同步的特点
6、。图103是一种电桥平衡式随动操舵原理图。,随动操舵原理图（电桥式）,2.随动操舵的工作原理,随动操舵的基本工作原理框图如图所示。它是一个闭环跟踪系统，以实现舵角的自动追随。图中的比较环节种类很多，如电桥式、电阻式、运算放大器等。执行机构也因舵机形式而异。,3.自动操舵的工作原理,自动操舵的基本工作原理如图所示。M为执行电动机；操舵开关为两半圆环2和3，它们被一绝缘块4分离。两半圆环与舵角反馈装置机械相连，滚动触头（滚轮）1与航向接收器机械相连。航向接收器与陀螺罗经发讯器是同步传递的。,3.自动操舵的工作原理,当船舶偏离预定航向时，通过陀螺罗经发讯器使航向接收器也转动同一角度，滚轮1与左或右半
7、圆铜环接触，使接触器J1（或J2）动作，电动机正转或反转，拖动舵叶偏转，由于采用舵角反馈，故当舵叶偏转时，半圆环也朝滚轮滚动方向进行跟踪，在船舶偏离航向最大角时，半圆环追上滚轮，使滚轮处在绝缘块上，接触器断电，电动机停转，因而最大偏舵角发生在船舶偏航角最大的时候。,船舶在舵的作用下回航时，电动机反转。舵叶向首尾线方向回转，半圆环又开始向滚轮运动方向跟踪。当船舶回到预定航向时，半圆环追上滚轮，使滚轮处在绝缘块上，电动机停转。,自动舵校正航向的工作过程,偏航角 偏舵角,罗经,舵机,：船舶沿正航向K航行，滚轮1恰好与绝缘块4接触，电动机不转动，舵叶在艏艉线上，艏艉线与正航向重合，=0，=0,偏航,转
8、舵,：船右偏滚轮左偏J1有电舵左转导电环左转很小(转船力矩小)，偏航，同时舵角,最大舵角,：使(=max)，船停止偏转(d/dt=0)。导电环追上滚轮，使绝缘块与滚轮接触，电动机停，舵叶停转=max。,回转,：在左舵的作用下，船开始回转（），使滚轮右转，与导电环接3触，使J2有电，电动机反转，回舵（）。导电环右转追随滚轮运动。,：船舶回到给定航向K，=0，=0。,回航,船舶的航迹曲线,反馈机构：航向接受器和舵角反馈机构。,电罗经是检测元件，也是比较环节。,比较(元件)：由两个导电半圆环和滚轮所构成。,放大器：直流发电机,执行机构：他励直流电动机M。,自动操舵系统原理框图,小结：（1）自动操舵系
9、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。（3）自动操舵系统为典型的双闭环控制系统：内环是舵角反馈，实现舵角的自动跟随。外环是航向反馈，实现对船舶偏航的自动调整。,10-3 自动舵的基本类型及其调节规律,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,以船舶偏航角的大小按比例给偏舵角，
10、即,K1(KP)为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏航。,K1过小，不能产生足够的转船力矩，回转性能不好。K1过大，使船回转过头，稳定性变坏，还会降低航速。,与B随时间变化的曲线,K1是根据船舶载重量、天气状况进行调整，K1=0.54；,1比例舵,以船舶偏航角的大小按比例给偏舵角，即,K1(KP)为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏航。,特点：（1）因风浪引起偏航时，比例舵具有纠正偏航的能力。（2）采用比例舵会使船舶沿着航向左右摇摆，船舶航迹呈S型振荡，衰减很慢。（3）控制简单，精度差，系统稳定性差。,与B随时间变化的曲线,比例舵只考虑了偏舵角，而没有考虑偏航角速度。当偏航角速度较高时，应
11、该适当增加偏舵角，以有效抑制船舶继续偏航。同时，当船舶回到正航向时，虽然偏航角为零，但由于惯性，船舶仍有一个偏航角速度，会使船舶向另一侧偏航。故造成船舶沿航向作S型航行。,2比例微分舵,以船舶偏航角和偏航角速度d/d t按比例给出偏舵角,即,K2(KD)是微分系数。,加入微分环节后使得系统具有“超前”的校正控制作用。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。,比例微分舵角及其合成曲线,比例作用,微分作用,共同作用,偏航角,偏航角微分,控制特点：当船舶受到风浪影响发生偏航时，偏航角速度较大，产生-K2d/d t大，使开始偏航的一段时间内产生较大的舵角。船舶回航时，由于
12、d/d t变号，故增加了回舵，使舵角提前减小。在舵还未回到正航向之前，由于-K2d/d t的作用，舵角已经提前变号，在船舶回到正航向时，已产生了足够大小的反舵角，这对于克服由于船舶惯性向另一侧摆动很有好处，使航向偏摆迅速减小，从而船舶较快稳定在正航向上。,比例微分舵角及其合成曲线,比例系数K1与微分系数K2选择不当，也将影响航行质量。,当载荷增加而船速减慢时，相对于K1，把K2的值调得过小(大比例小微分)，则比例舵的效果就比微分舵的效果大，所以船舶以正航向为中心，左右摇摆，逐渐衰减，最后停止在正船向上，如图所示。,偏航,比例一微分舵对偏航角的影响,反过来，相对K1把K2调得过大(小比例大微分)
13、，则微分舵的效果更明显，因而航向不发生摇摆，航迹呈现过阻尼现象，船舶长时间不能恢复正航向。如图所示。,在不同的航行工况下，如何适当选择K1和K2数值，需通过实践，常常是靠经验来调整K1和K2。,比例一微分舵对偏航角的影响,3比例微分积分舵,其调节规律是以船舶偏航角、偏航角速度d/d t和偏航角的积分d t按比例给出偏舵角，即,K3(KI)是积分系数。,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在不灵敏区所引起的横向移动距离。（不灵敏区是在较小时，自动舵是不调节的）,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，不影响整个航向，所以
14、对其平均航向没有偏移，无需发出校正动舵信号，如图(a)所示。,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，其平均航向仍在正航向上，因此也无需使舵动作，如图(b)所示。,只有当船舶在偏航死区内左右摇摆不均匀，平均航向如图(c)所示偏离正航向一侧，且又持续了很长一段时间，于是偏航积分环节发出信号，予以校正。,图(d)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况。,自动舵虽能纠偏使船舶返回正航向，但对船舶的横向漂移却无能为力。可利用GPS定位系统来实现航线控制。,“比例微分积分”调节系统是比较完善的自动舵，但系统构造较复杂。有的自动舵以“压舵”环节了替代上述的积分环节，
15、从而使控制系统得到简化。所谓“压舵”，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），使船舶形成向某一侧的小偏航。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压舵角。,总结：三种控制规律比较比例舵：可以克服偏航，但容易形成S形航迹，调整过程较长。比例-微分舵：可以减小最大偏航角，克服回航时的反向偏航，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。比例-微分-积分舵：能够产生“自动压舵”调节，克服不对称偏航。,10-
16、4 自动操舵系统基本要求和工作原理,1.自动操舵系统基本要求（四项）1）自动操舵性能良好 初始转舵角（一次偏舵角）的数值要合适自动舵还必须保证有附加舵角（二次偏舵角）。（即合理选择比例舵的比例系数）。2）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（K1的调节要合适）（3）反舵角调节（K2的调节要合适）（4）压舵调节（积分调节即K3要合适）（5）航向调节,（1）灵敏度调节:灵敏度是指系统开始投入工作时的最小偏航角。在风平浪静时要调高些，在大风大浪下应调低些，以减少动舵次数。（2）舵角比例调节:K1的大小直接影响自动舵给出的一次偏舵角和二次偏舵角的数值，因此要根据船型、装
17、载、船速等情况调节舵角比例。（3）反舵角调节:船舶在恢复航向时，舵叶应先回到首尾线上，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，应根据船型、装载、天气等情况进行调节。（4）压舵调节:为纠正因单侧风浪、水流等因素影响而引起的不对称偏航和单侧偏航，自动舵中应设有自动压舵、人工压舵的调节装置。（5）航向调节:在保证不断开自动舵系统的情况下，通过航向调节装置来改变船舶的给定航向。,1.自动操舵系统基本要求3）应设有随动、单动等操舵设备 在船舶进出港、或紧急情况以及自动操舵失灵时，应能立刻转换为其他操舵方式，保证船舶航向的可靠性。4）自动舵还应设双
18、电源、双机组等转换装置。,2.自动操舵系统的工作原理,以HQ-5型自动操舵仪为例介绍其结构及功能1）系统组成：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。,HQ-5型自动操舵仪原理框图,2）自动操舵系统主要电路功能分析,（1）信号发送电路（2）相敏整流电路（3）信号比较、压舵环节和直流放大电路（4）比例调节电路（5）微分调节电路（6）脉冲形成和晶闸管触发电路（7）晶闸管主电路和应急操舵电路（8）偏航报警与操舵
19、系统失压报警电路,（1）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都是控制式自整角机。它们单机使用，其定子的单相激磁绕组接到110V的单相电源，转子的三相整步绕组只联接其中的两相作出输出绕组，转轴分别由罗经接收机（分罗经）、操舵手轮或舵柱通过机械传动装置带动。自整角机处于协调位置时，无输出。,2）自动操舵系统主要电路功能分析,若偏航，则分罗经带动F1的转子转过相应的一个角度，则F1的输出绕组S2S3输出一个相应的正弦电压偏航信号。电路中两个稳压管WZ31、WZ32其输出信号的钳位作用，防止信号过大堵塞后级放大电路。,（2）相敏整流电路,此电路的工作条件是：元件对称，电桥平
20、衡，参考电压远大于信号电压（UrefUs），且频率相同。,2）自动操舵系统主要电路功能分析,下级输入电阻,29,Us在正半周：,当输入电压Us与参考电压同相位时，,D5,D4,+,_,+,_,+,_,27,29,28,Us在负半周：,相敏电路的输出电压与参考电压无关，其输出电压的大小与输入电压成正比，输出电压的极性取决于输入电压的相位，即船舶偏离航向的方向。,（3）当Us0时且与Uref相位相反时，在正半周，27与S2同电位，输出直流电压U0为负极性；在负半周，29与S2同电位，输出直流电压U0也为负极性。,结论：（1）当Us0时U00；（2）当Us0时且与Uref相位相同时，在正半周，29与S2同电位，输出直流电压U0为正极性；在负半周，27与S2同电位，输出直流电压U0也为正极性。,此电路具有鉴别交流信号相位的功能。,
