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1、上海海事大学电气系刘以建制作上海海事大学电气系刘以建制作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航向优秀的舵机可以：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页舵的作用原理航向RPTP1P2a转向RPT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
2、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。电动机械舵机装置扇形齿轮第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
3、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
4、（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M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
5、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反舵角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
6、：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-微分舵反舵角说明：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
7、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+压舵环节压舵角正航向航线单侧风航向航线单侧风第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
8、。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v航向检测、复示航向检测方法：磁罗经compass电（
9、陀螺）罗经磁通门罗经光纤陀螺罗经GPS第1章第32页N0航向指示：陀螺20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v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usus=Ucossinwt给定航向实际航向u=Usinwt第1章第38页航向偏差
10、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usus=Usinsinwt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=Usinsinwtu=Usinwt第1章第40页v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=UsinsinwtU0=kusurefu0usurefu0uourefusrRR10R1127D3D429S3S2-+uourefusrRR11R1029D2D527+-+S3
11、S2uref与us同频、同相或反相，且urefus；R11=R10第1章第42页v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v运算电路随动操舵u01u=ku=kRRU01=0时舵叶停止偏转，这时=HQ-5第1章第44页自动操舵u01u=ku=kR1R2CU01=0时舵叶停止偏转，这时第1章第45页v脉冲形成与晶闸管触发电路+-+-第1章第46页v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5
12、0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KiKpKdPID控制器模糊推理系统被控对象Eededt第1章第55页应用模糊集合理
13、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PortStb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页船体驾驶台舵机间第1章第64页HQ5第1章第65页HQ5分解+-+-第1章第66页HQ5-1第1章第67页HQ-5-1第1章第68页HQ5-2第1章第69页罗经第1章第70页自动操舵仪第1章第71页自动操舵系统第1章第72页面板第1章第73页液压舵机第1章第74页液压第1章第75页罗经1第1章第76页自整角机第1章第77页第1章第78页结构第1章第79页陀螺
