船舶電氣設(shè)備CH10

1、船舶設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)第十章第十章 船舶舵機(jī)的電力拖動(dòng)船舶舵機(jī)的電力拖動(dòng)與控制與控制第1章第2頁(yè)概述舵機(jī)裝置是保持或改變船舶航向的重要重要設(shè)備航向 優(yōu)秀的舵機(jī)可以：優(yōu)秀的舵機(jī)可以：節(jié)省航運(yùn)成本節(jié)省航運(yùn)成本降低勞動(dòng)強(qiáng)度降低勞動(dòng)強(qiáng)度第1章第3頁(yè)概述整個(gè)舵機(jī)裝置主要由操舵裝置、舵機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和舵葉四大部分 組成。 船和舵駕駛臺(tái)：操舵裝置, 包括航向指示、舵角指示器舵機(jī)間：舵機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)第1章第4頁(yè)舵的作用原理航向RPTP1P2a轉(zhuǎn)向RPT 偏舵作用：偏舵作用：轉(zhuǎn)船使船橫移產(chǎn)生航行阻力v第1章第5頁(yè)舵的作用原理由舵角由舵角 產(chǎn)生的轉(zhuǎn)船力矩：產(chǎn)生的轉(zhuǎn)船力矩：2222sink

2、FvkFvMa222KvdtdJ小舵角作用下的船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)小舵角作用下的船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程：方程：F-舵葉有效面積舵葉有效面積v -船速船速K - 常數(shù)，與水密度、常數(shù)，與水密度、舵葉升力系數(shù)有關(guān)舵葉升力系數(shù)有關(guān)-船舶回轉(zhuǎn)角船舶回轉(zhuǎn)角J-船舶回轉(zhuǎn)慣量船舶回轉(zhuǎn)慣量第1章第6頁(yè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置舵機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置 舵葉舵葉舵柄舵柄舵柱舵柱第1章第7頁(yè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置舵機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置分為兩類(lèi)：舵機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置分為兩類(lèi)： . .電動(dòng)電動(dòng) - - 機(jī)械；機(jī)械；. .電動(dòng)電動(dòng) - - 液壓。液壓。 電動(dòng)電動(dòng) - - 機(jī)械舵機(jī)裝置機(jī)械舵機(jī)裝置：電動(dòng)機(jī)通過(guò)連軸節(jié)帶動(dòng)蝸桿蝸電動(dòng)機(jī)通過(guò)連軸節(jié)帶動(dòng)蝸桿蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)主動(dòng)齒輪帶

3、動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)主動(dòng)齒輪帶動(dòng)扇形齒輪，再經(jīng)過(guò)扇形齒輪，再經(jīng)過(guò)緩沖彈簧緩沖彈簧轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)舵柄，從而使舵柱和舵葉偏動(dòng)舵柄，從而使舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。緩沖彈簧緩沖彈簧-減輕船舶在航行中波浪對(duì)舵葉的沖擊力，防止減輕船舶在航行中波浪對(duì)舵葉的沖擊力，防止傳動(dòng)裝置受到損傷。傳動(dòng)裝置受到損傷。 電動(dòng)電動(dòng) 機(jī)械舵機(jī)裝置機(jī)械舵機(jī)裝置扇形扇形齒輪齒輪第1章第8頁(yè)工作過(guò)程：工作過(guò)程：當(dāng)一油缸注入高壓油而另一油缸排出低壓油時(shí)，推動(dòng)撞桿（活塞）移動(dòng)，從而帶動(dòng)舵柄，舵柱和舵葉偏轉(zhuǎn)。 電動(dòng)電動(dòng) 液壓舵機(jī)裝置液壓舵機(jī)裝置系統(tǒng)系統(tǒng)組成：組成： 恒速電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)油泵，提供高壓油，驅(qū)動(dòng)液壓油驅(qū)動(dòng)液壓油缸缸。舵葉舵葉液壓舵機(jī)：液壓舵機(jī)：驅(qū)動(dòng)

4、力大、抗沖擊第1章第9頁(yè)10.1舵機(jī)電力拖動(dòng)與控制的基本要求 工作可靠工作可靠 供電：采用雙路供電 ，其中一路經(jīng)應(yīng)急配電板。電動(dòng)機(jī)：機(jī)械特性軟（抗沖擊），轉(zhuǎn)矩大（從一舷最大舵角轉(zhuǎn)至另一舷最大舵角的時(shí)間應(yīng)不超過(guò)30(28)秒），能承受1分鐘的堵轉(zhuǎn)。 控制系統(tǒng)：至少兩個(gè)操作站（由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換，防止同時(shí)操作）;有三種操舵方式（手動(dòng)、隨動(dòng)、自動(dòng)）。第1章第10頁(yè)保護(hù)和報(bào)警裝置保護(hù)和報(bào)警裝置 舵葉偏轉(zhuǎn)限位+35- - 35 舵機(jī)總電源斷電時(shí)，失壓報(bào)警 舵機(jī)電機(jī)只有過(guò)載報(bào)警而無(wú)過(guò)載保護(hù)裝置 自動(dòng)操舵裝置時(shí)，應(yīng)設(shè)有航向超過(guò)允許偏差的偏航自動(dòng)報(bào)警裝置 第1章第11頁(yè)10.2 操舵方式及基本工作原理 操舵方式一

5、般為三種操舵方式一般為三種 ：?jiǎn)蝿?dòng)操舵，應(yīng)急操舵 （NFU）自動(dòng)操舵隨動(dòng)操舵（FU）航向控制航向控制航跡（航線）控制航跡（航線）控制第1章第12頁(yè)1 單動(dòng)操舵 在自動(dòng)操舵及隨動(dòng)操舵都不能使用的應(yīng)急情況下提供的一種操舵方式 方法：方法：手扳舵轉(zhuǎn)，復(fù)零舵停手扳舵轉(zhuǎn)，復(fù)零舵停-點(diǎn)動(dòng)控制點(diǎn)動(dòng)控制 人看分人看分羅經(jīng)羅經(jīng)compass和舵角指示器操舵。和舵角指示器操舵。第1章第13頁(yè)單動(dòng)操舵的舵機(jī)控制（a）電動(dòng) （b）液壓舵圖10-1 單動(dòng)操舵原理圖電磁閥電磁閥M第1章第14頁(yè)2 隨動(dòng)操舵的工作原理 隨動(dòng)隨動(dòng)操舵，又叫操舵，又叫“舵輪舵輪操舵操舵”。隨動(dòng)隨動(dòng) 舵葉隨著舵輪轉(zhuǎn)動(dòng)舵葉隨著舵輪轉(zhuǎn)動(dòng) 。圖 10-

6、3隨動(dòng)操舵原理圖（電橋式）第1章第15頁(yè)閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)隨動(dòng)操舵方框圖第1章第16頁(yè)3 自動(dòng)操舵 自動(dòng)航向保持儀自動(dòng)航向保持儀AutopilotAutopilot-按照船舶對(duì)航向的偏離角度來(lái)控制船舶的航向自動(dòng)舵系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)。 圖10-6 自動(dòng)操舵方框圖 給定舵角第1章第17頁(yè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì) 劃計(jì) 劃航線航線航跡偏差航跡偏差航跡航跡控制控制航向偏差航向偏差航 向航 向控制控制舵角偏差舵角偏差舵角舵角控制控制應(yīng) 急應(yīng) 急操舵操舵舵機(jī)舵機(jī)舵角舵角檢測(cè)檢測(cè)船船GPS/電電子海圖子海圖羅經(jīng)羅經(jīng)測(cè)量航向測(cè)量航向測(cè)量船位測(cè)量船位+-航向航向隨 動(dòng)隨 動(dòng)操舵操舵航 向航 向設(shè)定設(shè)定自適應(yīng)自適應(yīng)擾動(dòng)量擾動(dòng)量

7、擾動(dòng)量擾動(dòng)量第1章第18頁(yè)10.3 自動(dòng)舵的基本類(lèi)型及其調(diào)節(jié)規(guī)律 人工操舵的一般規(guī)律正航向反舵角dtd根據(jù)船舶根據(jù)船舶偏航的方向、大小、偏航速度偏航的方向、大小、偏航速度有規(guī)律有規(guī)律地進(jìn)行操舵地進(jìn)行操舵dtd第1章第19頁(yè)自動(dòng)舵的基本類(lèi)型 按操舵的規(guī)律分類(lèi)按操舵的規(guī)律分類(lèi)三種基本類(lèi)型：三種基本類(lèi)型：. .比例舵；比例舵；. .比例比例 - - 微分舵；微分舵；. .比例比例 - - 微分微分 - - 積分舵。積分舵。第1章第20頁(yè) 比例舵比例舵比例舵操舵的規(guī)律是：比例舵操舵的規(guī)律是：偏舵角偏舵角的大小與偏航角的大小與偏航角 的大小成比例關(guān)系，即：的大小成比例關(guān)系，即： K1 其中：其中：K K

8、1 1為比例系數(shù)，負(fù)號(hào)表示與偏航方向相反。為比例系數(shù)，負(fù)號(hào)表示與偏航方向相反。第1章第21頁(yè)比例舵 舵效正航向dtddtd K1 第1章第22頁(yè)dtd 比例舵比例舵回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程：回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程：222KvdtdJ K1 特點(diǎn)：特點(diǎn)：機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，航行保持精度較差，船機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，航行保持精度較差，船舶營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性較差（會(huì)出現(xiàn)舶營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性較差（會(huì)出現(xiàn)S S形航跡）。形航跡）。比例舵的不足：比例舵的不足：偏航初期偏舵角較小，不偏航初期偏舵角較小，不能很快阻止船舶繼續(xù)偏航；回航過(guò)程中能很快阻止船舶繼續(xù)偏航；回航過(guò)程中船舶具有慣性，偏舵角不能及時(shí)減小，船舶具有慣性，偏舵角不能及時(shí)減小，容易反向偏航。容易反向偏航。

9、第1章第23頁(yè)比例比例- -微分舵操舵的規(guī)律是：微分舵操舵的規(guī)律是：偏舵角偏舵角的大小與偏的大小與偏航角航角 的大小成比例的大小成比例- -微分關(guān)系，即：微分關(guān)系，即： 比例比例- -微分舵微分舵dtdkk21反舵角dtd說(shuō)明說(shuō)明：偏航初期，偏航角變化率大，比例：偏航初期，偏航角變化率大，比例 - - 微分舵能及時(shí)微分舵能及時(shí)給出大偏舵，有效地阻止船舶偏航（最大偏航角較小）；回給出大偏舵，有效地阻止船舶偏航（最大偏航角較?。换睾綍r(shí)，偏航角變化率變?yōu)樨?fù)值，能適時(shí)給出反舵角，阻止船航時(shí)，偏航角變化率變?yōu)樨?fù)值，能適時(shí)給出反舵角，阻止船舶反向偏航，即能有效阻止反向偏航。舶反向偏航，即能有效阻止反向偏

10、航。第1章第24頁(yè)主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)：具有具有“超前校正超前校正”的控制作用，的控制作用，減小船舶航向的振蕩，減輕舵機(jī)負(fù)擔(dān)，增減小船舶航向的振蕩，減輕舵機(jī)負(fù)擔(dān)，增加航速，提高系統(tǒng)靈敏度和船舶的營(yíng)運(yùn)效加航速，提高系統(tǒng)靈敏度和船舶的營(yíng)運(yùn)效益。益。第1章第25頁(yè) 比例比例- -微分微分- -積分舵積分舵組成：組成：是在比例是在比例 - - 微分舵基礎(chǔ)上增加積分環(huán)節(jié)。微分舵基礎(chǔ)上增加積分環(huán)節(jié)。dtkdtdKK321積分環(huán)節(jié)作用積分環(huán)節(jié)作用 是是克服不對(duì)稱(chēng)偏航?？朔粚?duì)稱(chēng)偏航。不對(duì)稱(chēng)偏航的產(chǎn)生：不對(duì)稱(chēng)偏航的產(chǎn)生：不對(duì)稱(chēng)偏航是某舷（側(cè)）的偏航角持續(xù)不對(duì)稱(chēng)偏航是某舷（側(cè)）的偏航角持續(xù)時(shí)間比另一舷（側(cè)）偏航角

11、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。時(shí)間比另一舷（側(cè)）偏航角持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。原因：原因：裝載不對(duì)稱(chēng)，斜向風(fēng)的持續(xù)影響，斜向海潮的持續(xù)影裝載不對(duì)稱(chēng)，斜向風(fēng)的持續(xù)影響，斜向海潮的持續(xù)影響。響。 對(duì)于具有雙螺旋槳推進(jìn)的船舶，螺旋槳推進(jìn)的對(duì)于具有雙螺旋槳推進(jìn)的船舶，螺旋槳推進(jìn)的不平衡也會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)偏航。不平衡也會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)偏航。 第1章第26頁(yè)積分作用圖10-10偏航時(shí)的積分作用第1章第27頁(yè)比例比例 微分微分+壓舵環(huán)節(jié)壓舵環(huán)節(jié)壓舵角正航向/航線單側(cè)風(fēng)航向 航線單側(cè)風(fēng)第1章第28頁(yè) 比例舵：可以克服偏航，但容易形成比例舵：可以克服偏航，但容易形成S S形航跡，形航跡，航程較長(zhǎng)。航程較長(zhǎng)。 比例比例 - - 微分舵：可以減小最大偏

12、航角，克服回微分舵：可以減小最大偏航角，克服回航時(shí)的反向偏航。但微分系數(shù)不能太大，否則容易航時(shí)的反向偏航。但微分系數(shù)不能太大，否則容易造成不穩(wěn)定。造成不穩(wěn)定。 比例比例 - - 微分微分 - - 積分舵：能夠產(chǎn)生積分舵：能夠產(chǎn)生“自動(dòng)壓舵自動(dòng)壓舵”調(diào)節(jié)，克服不對(duì)稱(chēng)偏航。調(diào)節(jié)，克服不對(duì)稱(chēng)偏航。 操舵定律特點(diǎn)比較操舵定律特點(diǎn)比較第1章第29頁(yè)10.4 自動(dòng)操舵系統(tǒng)工作原理 1 自動(dòng)操舵系統(tǒng)基本要求 1) 自動(dòng)操舵性能良好 轉(zhuǎn)舵次數(shù)少，糾偏速度快 2) 具有必要的調(diào)節(jié)裝置靈敏度調(diào)節(jié) 舵角比例調(diào)節(jié) 反舵角調(diào)節(jié) 壓舵調(diào)節(jié) 航向調(diào)節(jié) 3) 應(yīng)設(shè)有隨動(dòng)、單動(dòng)等操舵設(shè)備；應(yīng)設(shè)有雙電源，雙機(jī)組及換轉(zhuǎn)裝置。 俗稱(chēng)

13、天氣調(diào)節(jié)，根據(jù)天俗稱(chēng)天氣調(diào)節(jié)，根據(jù)天氣狀況調(diào)節(jié)動(dòng)舵的最小氣狀況調(diào)節(jié)動(dòng)舵的最小偏航角，防止頻繁動(dòng)舵偏航角，防止頻繁動(dòng)舵第1章第30頁(yè)2 自動(dòng)操舵系統(tǒng)的工作原理 以國(guó)產(chǎn)HQ-5型自動(dòng)操舵儀為例 系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)：航向(檢測(cè))復(fù)示信號(hào)發(fā)送電路 相敏整流電路運(yùn)算電路功率放大電路系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成第1章第31頁(yè)v 航向檢測(cè)、復(fù)示航向檢測(cè)、復(fù)示航向檢測(cè)方法： 磁羅經(jīng)compass 電（陀螺）羅經(jīng) 磁通門(mén)羅經(jīng) 光纖陀螺羅經(jīng) GPS第1章第32頁(yè)N 0航向指示：航向指示：陀螺20羅盤(pán)上看得到??？復(fù)示？用于控制？第1章第33頁(yè)航向復(fù)示自整角發(fā)送機(jī)自整角接收機(jī)羅經(jīng)航向復(fù)示航向自整角機(jī)原理i=0第1章第34頁(yè)航向復(fù)示自

14、整角發(fā)送機(jī)自整角接收機(jī)羅經(jīng)航向復(fù)示航向i第1章第35頁(yè)航向復(fù)示自整角發(fā)送機(jī)自整角接收機(jī)羅經(jīng)航向復(fù)示航向i=0第1章第36頁(yè)v信號(hào)發(fā)送電路信號(hào)發(fā)送電路偏航信號(hào)發(fā)送器，隨動(dòng)信號(hào)發(fā)送器和舵角反饋信號(hào)發(fā)送器 航向給定航向接收機(jī)羅經(jīng)航向us航向偏差信號(hào)發(fā)送器第1章第37頁(yè)航向偏差信號(hào)發(fā)送器航向給定航向接收機(jī)羅經(jīng)航向復(fù)示航向偏差輸出usus=U cossinwt給定航向給定航向?qū)嶋H航向?qū)嶋H航向u=U sinwt第1章第38頁(yè)航向偏差信號(hào)發(fā)送器航向給定航向接收機(jī)羅經(jīng)航向復(fù)示航向偏差輸出usus=U sinsinwt給定航向給定航向?qū)嶋H航向?qū)嶋H航向u=U sinwtU第1章第39頁(yè)偏航信號(hào)/隨動(dòng)信號(hào)/舵角信號(hào)

15、發(fā)送信號(hào)發(fā)送圖圖10-1210-12信號(hào)發(fā)送電信號(hào)發(fā)送電路路 us=U sinsinwtu=U sinwt第1章第40頁(yè)v相敏整流電路由偏航信號(hào)發(fā)送器，隨動(dòng)信號(hào)發(fā)送器和舵角反饋信號(hào)發(fā)送器輸出的交流信號(hào)電壓分別送到相敏整流電路中進(jìn)行整流檢相整流檢相，變換成能夠反映偏差角度大小和方向的直流信號(hào)。 圖10-13相敏流電路us=U sinsinwtU0=k usurefu0usurefu0uourefusrRR10R1127D3D429 S3S2-+uourefusrRR11R1029D2D527+-+S3S2 uref與us同頻、同相或反相，且urefus； R11=R10011sRuuRR010s

16、RuuRR 第1章第42頁(yè)v信號(hào)比較信號(hào)比較、壓舵環(huán)節(jié)和直流放大電路、壓舵環(huán)節(jié)和直流放大電路 HQ-5系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成第1章第43頁(yè)v運(yùn)算電路隨動(dòng)操舵u01u=k*u=kRRU01=0時(shí)舵葉停止偏轉(zhuǎn)，這時(shí)= *HQ-5第1章第44頁(yè)自動(dòng)操舵u01u=ku=kR1R2CU01=0時(shí)舵葉停止偏轉(zhuǎn)，這時(shí)dtdkk21第1章第45頁(yè)v脈沖形成與晶閘管觸發(fā)電路 +-+-第1章第46頁(yè)v晶閘管主電路與應(yīng)急操舵電路 第1章第47頁(yè)HQ-5型自動(dòng)操舵儀第1章第48頁(yè)新型自動(dòng)操舵儀簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)（微處理器）控制：數(shù)字化結(jié)構(gòu)上模塊化、網(wǎng)絡(luò)化控制上智能化功能上：航線/航跡控制品牌:Sperry、安修斯第1章第49頁(yè)單S

17、CU第1章第50頁(yè)雙SCU第1章第51頁(yè)信號(hào)傳送：信號(hào)傳送：串口RS422，0183通信協(xié)議 第1章第52頁(yè)自適應(yīng)舵的基本概念和調(diào)節(jié)原理自適應(yīng)舵的基本概念和調(diào)節(jié)原理自適應(yīng)舵自適應(yīng)舵：通過(guò)計(jì)算機(jī)將所有檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)計(jì)算機(jī)將所有檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，可以自動(dòng)修正內(nèi)部參數(shù)（例如比例系數(shù)等）以適應(yīng)可以自動(dòng)修正內(nèi)部參數(shù)（例如比例系數(shù)等）以適應(yīng)船舶的各種狀態(tài)或海況。船舶的各種狀態(tài)或海況。分類(lèi)：分類(lèi)：自校正自校正自適應(yīng)控制系統(tǒng)自適應(yīng)控制系統(tǒng)模型參考模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)自適應(yīng)控制系統(tǒng)等等傳統(tǒng)（傳統(tǒng)（PID）控制的缺點(diǎn)）控制的缺點(diǎn)第1章第53頁(yè)自校正控制系統(tǒng)：自校正控制系統(tǒng)： 自動(dòng)校正系統(tǒng)的控制參數(shù)，使性

18、能指標(biāo)接近最優(yōu)。自動(dòng)校正系統(tǒng)的控制參數(shù)，使性能指標(biāo)接近最優(yōu)。模型參考控制系統(tǒng)：模型參考控制系統(tǒng)： 設(shè)計(jì)一個(gè)理想（最優(yōu)）的參考模型，計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)際檢設(shè)計(jì)一個(gè)理想（最優(yōu)）的參考模型，計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)際檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)接近該理想模型的控制規(guī)律。測(cè)，實(shí)現(xiàn)接近該理想模型的控制規(guī)律。 自適應(yīng)舵說(shuō)明自適應(yīng)舵說(shuō)明第1章第54頁(yè)自整定模糊PID控制器KiKpKdPID控制器模 糊 推 理系統(tǒng)被控對(duì)象Eede/dt第1章第55頁(yè)應(yīng)用模糊集合理論建立參數(shù)Kp、Ki和Kd與系統(tǒng)誤差絕對(duì)值和誤差變化率絕對(duì)值之間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系，模糊推理系統(tǒng)在線自整定PID參數(shù)。模糊控制的算法簡(jiǎn)單用于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制計(jì)算量很少，并且自適應(yīng)模糊控制可以使控制參數(shù)和規(guī)則在控制過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整、修改和完善，從而使系統(tǒng)的控制性能不斷完善，達(dá)到理想的控制效果 第1章第56頁(yè)本章小結(jié)第1章第57頁(yè)舵機(jī)系統(tǒng)第1章第58頁(yè)液壓驅(qū)動(dòng)高壓油泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)舵電磁閥油