第10章 船舶舵机的电力拖动与控制,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,内容简介,本章主要讨论船舶舵机电力拖动与控制的基本类型和控制原理。,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。 舵有两大功能： 一是保持船舶预定航向的能力，称为航向稳定性； 二是改变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。,F-F1 转船力矩,T - 横向推力,R - 阻力,在船舶重心上加一对大小等于F，方向相反的力F1、F2,FL -升力 FD -阻力,F -水作用力,机翼理论,转舵效应: (1)转向：Ms (2)制动：R (3)漂移：T (4)纵倾、横倾。,水流动压力P对船舶的影响：,最大舵角： 随着舵角的增大，转舵力矩和转船力矩逐渐增大，但转船力矩在某一舵角时达到最大值Msmax。对应最大转船力矩Msmax的舵角称为最大舵角max。,Ms,max,Msmax,拖动舵的设备称为舵机,按规定要求，电动机堵转时间应能持续1分钟以上，仍不致将电动机烧毁。要求电动机具有软的机械特性和足够大的过载能力。,1. 供电要可靠,从主配电盘到舵机应当用两路（左右舷）分离较远的馈电线对舵机电动机供电。其中之一还应该与应急配电盘相连。,2. 电动机的运行要可靠,10.1 舵机电力拖动与控制的基本要求,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。,3. 控制系统要可靠,舵机电力拖动装置至少有两个控制站，驾驶台和舵机舱(房)各一，控制站之间要有转换开关，以防同时操作。,根据规范规定，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警装置。,4. 舵叶偏转限位保护和失压报警装置,电动机械舵机装置,1-电动机、2-蜗杆、3-蜗轮、4-齿轮、 5-舵扇、6-缓冲弹簧、7-舵柄、8-舵杆头,电动舵机多用于内燃机船。由于电动舵机需要具备较大的起动力矩和过载能力，因此一般多采用直流电动机为驱动电机。,10.2 操舵方式及基本工作原理,缓冲弹簧既可带动舵偏转，又可吸收浪流对舵的冲击力，起缓冲作用以保护舵设备。 电动舵机结构简单、占据空间小、运转平稳。但在大型交流电源船上，需配大功率的变流机组，故逐渐被电动液压舵机所代替。,电动液压舵机装置,(1)控制系统(操纵系统)。驾驶室遥控系统、舵机室机旁控制系统。驾驶室操舵仪舵机室接收器。 (2)动力装置。液压泵、液压元件等。 (3)转舵机构。油缸、撞杆、舵柄等。,无论是电动还是液压舵机，其操舵方式一般分为单动操舵，随动操舵和自动操舵三种。,单动操舵也就是通过转换开关进行的应急操舵。 G为差复励发电机,M为执行电动机,J是发电机G的励磁机,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。,10.2.1 单动操舵工作原理,单动舵原理图,G-M (F-D)系统的工作原理,励磁机,电动机,差复励发电机,执行 电动机,单动操舵方框图,单动操舵的操作方法可以归纳为：手板舵动，复零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。,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。,10.2.1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，即操舵手轮转至某一所需角度时，舵叶相应地偏转到同一角度后自行停止。,随动操舵原理图（电桥式）,船舶左偏航操右舵，舵轮操右舵x0，舵叶右偏，并自动停在右舵x0上。为了减少形航迹的振幅，船舶在返回正航向过程中，必须回舵。,随动操舵的方法：,三.自动操舵工作原理,：=0，=0,自动舵校正航向的工作过程,偏航角 偏舵角,罗经,舵机,：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,偏航,转舵,：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。,最大舵角,：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。,回转,：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的部件。,放大器：直流发电机,执行机构：他励直流电动机M。,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：以船舶偏航角的大小和方向进行调节的比例舵，以船舶偏航角和偏航角速度的大小和方向调节的比例一微分舵和以船舶偏航角、偏航角速度及偏航角积分的大小和方向来调节的比例一微分一积分舵。,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,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,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,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) ，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、螺旋浆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，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。,10.4 自动操舵系统基本要求和工作原理,10.4.1 自动操舵系统基本要求,自动操舵性能良好 具有必要的调节装置 灵敏度调节（俗称天气调节） 舵角比例调节 反舵角调节(微分) 压舵调节 航向调节 应设有随动、单动等操舵设备 自动舵还应设有双电源，双机组等换转装置,10.4.1 自动操舵系统的工作原理,以国产HQ-5型自动操舵仪为例介绍自动舵装置的结构功能,1) 系统的组成,HQ5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。它的单动（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。自动操舵采用比例一微分调节，并设有压舵环节。,2) 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的单相电源上，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。,3) 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。,+,+,_,_,+,_,+,_,+,_,+,_,27,28,29,D2,D5,D3,D4,下级输入电阻,D5,D2,+,_,+,_,+,_,29,27,28,正半周,D2,D4,+,_,+,_,+,_,27,29,28,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。,4) 信号比较、压舵环节和直流放大电路,信号比较电路、差分放大电路、灵敏度调节电路、压舵电路,5) 比例调节电路,比例舵调节是通过改变舵角反馈电压的大小来实现的。自动操舵时，比较电路中接入了电阻R44，它和电阻R37、R38、R39构成串联分压电路。,6) 微分调节电路,HQ5型自动操舵仪中，微分调节电路是通过在舵角反馈信号电路中接入RC积分电路来实现主通道的微分调节的。,7) 脉冲形成与晶闸管触发电路,8) 晶闸管主电路与应急操舵电路,9) 偏航报警与操舵系统失压报警电路,船舶艏侧推（有些特种船还安装艉侧推器）是一种横向推进装置，被安装在船艏的侧面，利用推进装置推动水产生的作用力使船舶获得一个侧向力的作用，这样有助于船舶离开或横靠码头，也有助于改善船舶在低速或高速在狭水道行使时的机动性。目前，新造船舶大多安艏侧推器。 艏侧推装置由驱动部分（包括驱动电动机）、通用接头、推进器和推进器螺距控制装置组成。,主要参数 排水量 - 34,000 吨 型深- 9.75米 客舱 - 200 总长 - 200 米 自重- 5500吨 船员 - 60 型宽 - 27.2米 汽车(在上甲板)- 350 辆 船员舱 - 44 设计吃水 - 7.0米 乘客- 1500 航速 - 29节,柴(油机)燃(气轮机)混合、柴(油机)与电(动机)等多种混合方式。,Fix Pitch Propeller定距浆, Controllable Pitch Propeller变距浆,吊舱式推进器,