第十章船舶舵机电力拖动自动控制系统.docx
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1、第十章 船舶舵机电力拖动自动控制系统舵机是改变船舶航向或维持船舶已设定航向的重要设备。目前,船上广泛地应用电力拖动舵机及自动操舵装置(俗称自动舵装置),船上的舵机从驱动形式上可分为人力舵、电动舵、液压舵和电液驱动舵(俗称电液舵)其应用最广泛的是电液舵。从控制形式上分为手动舵、随动舵、自动舵和自适应舵四种。自动舵和自适应舵是用来自动保持船舶在给定航向上航行的自动控制装置,其实是一种航向自动控制系统,其被控制量是航向。本章分别讲座手动舵、随动舵、自动舵和自适应舵的工作原理,以及操作知识。第一节 操舵系统一、手动操舵系统1. 手动操舵系统方块图近代船舶上都装有手动舵装置。它是一个开环控制系统,系统的
2、主要环节可用方框图表示,见图10-1-1。它主要包括如下环节。执行机构 人 舵叶转动装置置放大器手柄 图10-1-1手动操舵系统方框图1)手柄:发出操舵信号的指令元件;2)放大器:用来放大指令信号供给执行机构。目前多采用半导体放大器,电液放大器,磁放大和电机放大器等;3)执行机构:用来推动舵转动装置。一般用电动机或电动液压装置;4)转动装置:将执行机构的角位移传给舵;5)舵叶。2. 手动操舵的特点手动操舵的特点是:手扳舵转,手放舵停;左舵左扳,回舵右扳;右舵右扳,;回舵左扳。进行手动操舵,操舵人员必须经常观察罗径上航向指示及舵角指示器,再根据操舵要求扳动操舵手柄,发出操舵信号。每转舵一次,扳动
3、操舵手柄两次(一次发出信号使舵偏转,一次消除信号使舵停转)。因此,这种操舵系统虽简单,但操舵人员劳动强度大。二、随动操舵系统1. 随动操舵系统方框图随动操舵系统方框图如图10-1-2所示,它是由指令机构、比较机构、测量机构和调节对象等环节所组成。以此实现被调量的自动调节作用。其系统为闭环系统。在系统中被调量是舵角,调节对象是舵。从系统的方框图可以看出,当系统中的人发出一个操舵指令时,则手轮即转动,发出偏舵信号。输出一个Ui,其Ui和Uf进行比较后产生一个偏差信号e,偏差信号e经放大器环节放大后,发至执行机构,执行机构根据放大的偏差信号,决定调节对象的转动方向。通过测量机构所测得的舵角信号连至比
4、较机构,当e=Ui-Uf=0时,说明系统已完成了该命令的控制过程。2. 随动操舵的特点随动操舵的特点是:操舵手轮向某舷转动发出一个指令舵角,舵叶就跟随手轮的方向转某一舵角。操舵手轮转至零位,舵叶也跟随船舶的艏艉线上停下来。总之,随动操舵时舵叶的偏转角度与操舵手轮的指令角度总是一致的。三、自动操舵系统1. 自动操舵系统基本原理自动操舵系统和自动操舵的基本原理如图10-1-3所示。自动舵的调节对象是船,被调量是航向,自动舵系统包含了随动舵系统(即图10-1.2中的环节)。自动舵是由电罗径传感元器件来代替人工发出操舵信号,使船回到给定航向。图中的控制器是自动舵的主要部件。给定航行与反馈信号之差就是航
5、向偏差信号,此信号经自动舵中PID调节器及放大器至舵机电力系统,其中,ZC、FC是电动舵使电动机正反转的控制环节(或电液舵左右舵电磁阀环节)。自动操舵系统必须具备舵角反馈和航向反馈,两者缺一不可。如果没有舵角反馈,它是一个结构不稳定的系统;如果没有航向反馈,它就不能自动地保持在给定的舵向上。2. 自动舵的分类自动舵的种类是很多,一般可按调节规律,检测元件的类型及放大器的种类来分。表10-1-1是按照调节规律分类的情况。表10-1-1 自动舵按调节规律分类情况种类操舵规律特点比例舵偏舵角与偏航角成比例,结构简单,精度较差,船舶运行不经常。比例一微分舵()加快给舵速度,更好克服船舶回转。比例一微分
6、舵积分舵(+K3)可消除船舶不对称偏航,结构复杂,不易调整。注: -偏舵角; -偏航角;K1-比例系数;K2-微分系数;K3-积分系数;上述的是常用分类方法.除此之外,还有完成特殊使命的自动舵。如利用测深仪进行操纵,使船舶按等深线航行的自动舵(渔船用);使船舶按一定的下潜深度航行的自动舵(潜艇用)。3.自动舵的基本要求1) 自动操舵性能良好(1) 具有一定的灵敏度:当船舶偏离航向达一定角度(一般规定0.20.5)时,自动舵应能立即动作,并能以一定的舵角(即一次偏舵角),使船舶返回到给定航向上。(2) 能够产生二次偏舵角:当一次偏舵不足以使船舶返回正航向时,自动舵应能再次偏舵,一直促使船舶回到给
7、定航向为止。(3) 能产生稳舵角(亦反舵角):船舶在舵的作用下返回给定航向时,由于船舶的惯性可能向另一方向偏航,为了使船舶恰好回到给定航向而不超过,此时舵必须向另一舷转过一个小角度以抵抗船舶的惯性。(4) 能产生压舵角:由于船舶在航行中受到不对称的外界干扰(一舷的风浪,螺旋桨不对称,装载量不对称等)会产生一舷的持续力矩,船将产生不对称偏航。为此,必须使舵偏离首尾线一个舵角来抵消一舷的持续力矩。(5) 能方便地改变航向:在自动操舵时,即能维持在给定的航向上,又能按需要使船在新的航向上航行。2) 具有必要的调节装置(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,它是根据天气,海况进行
8、调节,风平浪静时调高些,大风大浪时调低些。(2) 舵角比例调节:偏舵角与偏航角比例关系为舵角比例.当舵角比例过小,就不能产生足够的转船力矩,回转性能不好;如果舵角比例过大,使船可能回转过头,稳定性能不好。因此,要根据船型、装载、航速等情况调节舵角比例,特别要注意,在大风大浪中航行时舵角比例不宜过大。(3) 反舵角调节:船舶在偏离正航向时,自动舵能使船舶恢复到原来的正航向上。在恢复过程中,作S形衰减振荡航行,为了使船尽快地恢复到正航向,必须具有微分环节,以得到需要的反舵角.其大小根据船型,装载及天气情况调节。(4) 压舵调节(也称偏航调节):为了消除持续干扰力矩而给出一个舵角,此舵角可由人工给定
9、或加积分环节产生。(5) 航向调节.即小角度改变航向调节,目前已可做到随意改变航向。3) 要设有随动和手动操舵设备在船舶进出港或遇到紧急情况以及自动舵失灵时能立即转换为随动操舵或手动操舵。4. 自动舵的控制原理1) 自动舵的比例控制(1) 比例舵角的变化规律所谓比例舵控制就是按船舶偏航角与偏舵角成正比的规律来控制.其比例关系为 (10-1-1)(2) 比例控制的作用由式10-1-1可见,K1是可调的比例系数,一般根据船型,吃水,装载量来决定.但船舶载荷增加(J加大),而且航速变慢,使周期T变长。为了缩短周期使船舶偏航迅速消除,就得加大K1。2) 自动舵的比例微分控制(1) 比例-微分舵角的变化
10、规律这种控制的特点是除了比例舵角1-外,还增加了一个与船舶偏航速度成比例的微分舵角。22 。=1+2() (10-1-2)式中:K2-微分系数 (2).比例-微分舵的控制作用如果船舶偏航速度大,产生的-K2 也大,则舵角就增加.船舶回航时变号,使回舵角增加.船舶回至正航向时,便产生足够大的反舵角,克服船舶由于惯性向另一侧偏航。增加微分环节可使船舶较快的稳定在正航向上.3) 自动舵的比例-微分积分控制(1) 比例-微分积分舵角的变化规律这种控制的特点是除了比例-微分舵角=1+2()外,又增加偏航角积分的舵角。 偏舵角和偏航角之间符合下列规律: (KK+K3) (10-1-3)式中:K3-积分系数
11、。这种类型自动舵属于比例-微分-积分控制系统或PID系统。船舶在航行时,常常由于船体和装载的不对称船受单侧风和流等外力的影响,使船舶发生左、右向不对称的偏航。对称偏航时,S航迹在正航向两侧对称,平均偏航角0。当不对称时,S航迹在正航向一侧的摆幅增大,另一侧的摆幅减小,使S航迹的轴线方向偏离正航向,即平均偏航角0。船舶受单侧力的横向漂移和小的偏航角(在系统灵敏区以内)都不能被检测,因而无偏舵指令,这将使船舶“差之毫厘,失只千里”。但系统加入积分环节将对偏航角进行积分并发出与偏航角相应的恒定偏舵角指令,利用恒定的偏舵角来抵消持续的外力作用,保证船舶的正航向,这种作用还称为自动“压舵”调节。在正常的
12、对称偏航的情况下,积分环节也能提高航向的稳定精度,一此它能检测小的偏航角。由于比例-微分-积分控制系统的综合调节规律,因此它是动态和静态性能指标以及稳定性都比较好的一种自动检测系统。第二节 安休斯(ANSCHUTZ)自动操舵仪简介 “安休斯”自动舵属于“比例-微分-积分”控制系统。有自动、随动两种操舵方式,无应急(手动)操舵方式。为了保证操舵系统的可靠性,自动、随动操舵系统相互独立,各自有独立的控制装置和通道,由操舵方式选择开关予以转换,当一套系统工作时,通过连锁装置保证另一套系统不工作。“安休斯”自动舵的参数调节范围宽阔,可以和各种类型舵机配套,能应用在各种吨位的船舶上。其主要性能为: 最大
13、转舵角:土350; 转舵速度:从一侧满舵转到另一侧满舵不超过15s。 航向选择:在3600范围内任意选择航向,一次改变航向小于80。一、自动操舵系统的工作原理 自动操舵与随动操舵系统电路图如图10-2-3、10-2-4、10-2-5所示。自动操舵系统的原理框图如图10-2-1所示。234591013144111 航向接收机J1;2自动发送器J2;3相敏整流器;4低频滤波器;5灵敏度调节;6微分舵环节;7比例舵环节;8运算放大器;9功率放大器;10执行装置;11舵角反馈发送器;12积分舵环节;13舵叶;14船图10-2-1 自动操舵原理框图1实际航向给定航向86712将操纵方式选择开关K1转到“
14、自动”(AUTO)位置,航向接收机J1与电罗经接通。当船舶偏离给定航向时,如向右偏航角,电罗经通过同步传送,使航向接收机J1转动,带动航向刻度盘指示出偏航角,同时通过差动齿轮带动信号发送机J2转动。J2是一个线性旋转变压器,其线性精度较高,能够符合舵角反馈电位器的精度要求(电位器线性精度为1)。所以由J2产生一个与偏航角成正比的交流电压V(偏航信号),经相敏整流,输出直流信号,经滤波电路将交流成分滤掉,然后再经过灵敏度调节电路送入运算放大器进行比例、微分综合运算。综合后的信号送到功率放大器,推动控制继电器CJ5(或CJ6)动作,接通电磁阀线圈T1(或T2),打开电磁阀使舵机工作,舵叶向左偏转一
15、个角。偏舵时,通过机械传动装置带动舵角反馈电位器R19的滑动键偏转,舵角反馈电桥电路失去平衡并送出直流反馈信号,经过微分电路(其作用是给出积分舵信号)后,送入运算放大器并与偏航信号综合运算。当舵角反馈信号与偏航信号平衡时,放大器输出为零,继电器释放,电磁阀关闭,舵机停止工作。在左偏舵角的作用下,使船舶向原航向返回。这时J1反转,并带动J2反转,航向偏差信号V减小,且小于舵角反馈信号,运算放大器输入端的极性改变,则输出端输出一个极性相反的操舵信号,使继电器CJ6 (或CJ5)动作,接通另一个电磁阀线圈T2(或T1),舵开始回转。当船舶回到给定航向时,舵叶也回到首尾线上。其原理和其他类型自动舵基本
16、相同。具体环节和特点,简述如下: 1相敏整流电路: 由二极管D13D16,电阻R13R16,负载电阻R39,变压器B1的次级绕组组成,其输入交流信号电压来自线性旋转变压器J2。由R39输出的电压是脉动的直流电压,其大小和极性决定于输入交流偏航信号电压的大小和相位。 舵角反馈信号是由电位器R19和电阻组成的电桥电路输出,其电源是直流电+EC1、-EC1(放大反馈式串联稳压电源),因此反馈信号是没有脉动成分的直流电压信号。为了综合航向信号与舵角反馈信号,保证调节航向精度,采用由电阻R60、R61、R62,电容C21、C22、C25、C26组成的低频滤波电路,对航向信号进行滤波。 2灵敏度调节电路
17、由电阻R11R47、整流和隔离二极管D19、滤波电容C24、隔离二极管D17、D18、变压器B1的次级绕组、三层同轴波段开关K灵等组成。通过电阻R40、R41(或R42)与R43R47串联, 利用K灵1、K灵2实现串联电阻分压调节。由二极管D19电容C21、电阻R28R33等组成一个闭锁环节,通过K灵3调节511档,在R11、R12上的闭锁电压大小,使电路形成一定死区。当航向偏差信号克服闭锁电压后,信号才能送到运算放大器进行综合运算。K灵调节时,15档只有电阻串联分压,511档又增加了闭锁电压,R28R32阻值逐渐增大,使闭锁电压逐渐增加,所以向高档调节时,系统灵敏度逐档降低。K灵有11档,使
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