船舶舵机的电力拖动与控制.ppt

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1、第10章船舶舵机的电力拖动与控制教教学学目目的的：掌掌握握舵舵机机电电力力拖拖动动的的特特点点；操操舵舵方方式式及及原原理理、性性能能；自动舵的类型及特点。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。教学难点：各种操舵的原理。10-1 10-1 舵机电力拖动与控制的基本要求舵机电力拖动与控制的基本要求10-2 10-2 操舵方式及基本工作原理操舵方式及基本工作原理10-3 10-3 自动舵的基本类型及其调节规律自动舵的基本类型及其调节规律10-4 10-4 自动操舵系统基本要求和工作原理自动操舵系统基本要求和工作

2、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。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。设备。船舵功能：船舵功能：I.I.保持船舶预定航向的能力，称为航向稳定性；保持船舶预定航向的能力，称为航向稳定性；II.II.改变船舶运动方向的能力，称回转性改变船舶运动方向的

3、能力，称回转性。通常把二者统称为船舶的操纵性。通常把二者统称为船舶的操纵性。10-1 10-1 舵机电力拖动与控制的基本要求1.1.舵机装置舵机装置 舵机装置由操舵装置、舵机、传动机构和舵叶四部分组成舵机装置由操舵装置、舵机、传动机构和舵叶四部分组成。1 1）电动）电动机械舵机装置（小船）机械舵机装置（小船）电动机通过齿轮转动带动舵叶电动机通过齿轮转动带动舵叶 2 2）电动）电动液压舵机装置（远洋船）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。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 1）工作可靠）工作可靠uu供电：分左、

4、右舷两路馈电线供电，其中之一应该与应急配电板相连。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。uu拖动：要求舵机的驱动电动机采用拖动：要求舵机的驱动电动机采用连续工作制连续工作制，特性软，过载能力强，特性软，过载能力强，能堵转能堵转1min1min以上。以上。uu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超过（从一舷最大舵角转至另一舷最大舵角的时间不超过3030秒）。秒）。（2 2）生命力强生命力强uu至少有两个控制站（驾驶室和舵机房），控制站之间装有转

5、换开关（防至少有两个控制站（驾驶室和舵机房），控制站之间装有转换开关（防止同时操作），止同时操作），现场控制站具有操作优先级。现场控制站具有操作优先级。故障时可进行人力操舵。故障时可进行人力操舵。uu舵机操纵系统应舵机操纵系统应装有装有自动操纵系统自动操纵系统、随动操纵系统随动操纵系统和和应急操纵系统应急操纵系统三种三种操纵装置。操纵装置。2）舵机电力拖动控制的基本要求（3 3）操作灵便操作灵便uu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，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，具有具有舵角指示舵角指示。可实现。可实现自动、随动和单动自动、随动和单动三种操

6、舵方式，能方便地三种操舵方式，能方便地选择切换。选择切换。（4 4）舵叶偏转限位保护和失压报警装置）舵叶偏转限位保护和失压报警装置uu当舵叶转至极限位置时，舵机自动停止转舵；当舵叶转至极限位置时，舵机自动停止转舵；uu当舵机总电源断电时，失压报警；当舵机总电源断电时，失压报警；uu舵机电机只有过载报警而无过载保护装置；舵机电机只有过载报警而无过载保护装置；uu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。装置。10-2操舵方式及基本工作原理操舵方式操舵方式一般一般有三种：有三种：单动操舵（应急操舵）单动操舵（应急操舵）

7、单动操舵（应急操舵）单动操舵（应急操舵）自动操舵自动操舵自动操舵自动操舵随动操舵随动操舵随动操舵随动操舵航向控制航向控制航向控制航向控制航迹（航线）控制航迹（航线）控制航迹（航线）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进出港等备车航行时应用船舶定速航行时应用船舶定速航行时应用单动舵原理图单动舵原理图 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都不能使用的应急情况下提供的一种操舵方式。种操舵方式。这种操舵方式仅适这种操舵方式仅适用于内河小型船舶和作

8、为海船的用于内河小型船舶和作为海船的应急操舵方式。应急操舵方式。G-MG-M系统电动舵机的单动操舵原理系统电动舵机的单动操舵原理（图（图a a）GG差复励直流发电机，差复励直流发电机，MM执行电动机，执行电动机，JJ发电机发电机GG的励磁机，控制励磁机的励磁机，控制励磁机的励磁，即可控制舵叶的偏转。的励磁，即可控制舵叶的偏转。K K1 1和和K K2 2为操舵手柄或按钮控制的触为操舵手柄或按钮控制的触点点,ZD,ZD1 1和和ZDZD2 2为舵机限位开关。为舵机限位开关。8G-M系统电动舵机的单动操舵原理系统电动舵机的单动操舵原理 当船舶向左偏离航向时，可当船舶向左偏离航向时，可将操舵手柄右扳

9、，使将操舵手柄右扳，使K1闭合，闭合，励磁机励磁机J得到某一极性的励磁，得到某一极性的励磁，G将发出某一极性电压，执行将发出某一极性电压，执行电动机电动机M向某一方向转动，舵向某一方向转动，舵叶向右偏转。叶向右偏转。通过舵角指示器观察舵角大通过舵角指示器观察舵角大小。当接近所要求的的右偏舵小。当接近所要求的的右偏舵角时，松开手柄，触点角时，松开手柄，触点K1断开，断开，电机电机M停转。停转。单动单动单动单动操舵特点：操舵特点：操舵特点：操舵特点：手扳舵转，手放舵停；手扳舵转，手放舵停；左舵左扳，回舵右扳；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左板右舵右扳，回舵左板。G-M系统电动舵机的单动操舵原理

10、系统电动舵机的单动操舵原理系统特点：系统特点：系统特点：系统特点：手扳舵转，复零舵停手扳舵转，复零舵停手扳舵转，复零舵停手扳舵转，复零舵停 点动控制点动控制点动控制点动控制 人看分罗经人看分罗经人看分罗经人看分罗经compasscompasscompasscompass和舵角指示器操舵。和舵角指示器操舵。和舵角指示器操舵。和舵角指示器操舵。2.2.随动操舵的工作原理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随动操舵是按偏差原则进行调节的操舵自动跟踪随动操舵是按偏差原则进行调节的操舵自动跟踪随动操舵是按偏差原则进行调节的操舵自动跟踪系统，系统，系统，系统，被调对象是舵，被调节量

11、是舵角被调对象是舵，被调节量是舵角被调对象是舵，被调节量是舵角被调对象是舵，被调节量是舵角。它具有使。它具有使。它具有使。它具有使舵叶角度与操舵手轮位置自动同步的特点。舵叶角度与操舵手轮位置自动同步的特点。舵叶角度与操舵手轮位置自动同步的特点。舵叶角度与操舵手轮位置自动同步的特点。图图10103 3是一种是一种电桥平衡式随动操舵电桥平衡式随动操舵电桥平衡式随动操舵电桥平衡式随动操舵原理图原理图。随动操舵原理图（电桥式）随动操舵原理图（电桥式）2.2.随动操舵的工作原理随动操舵的工作原理 随动操舵的基本工作原理随动操舵的基本工作原理框图如图所示。框图如图所示。它是一个它是一个闭环跟踪系统，以实现

12、舵角的自动追随。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。等。执行机构也因舵机形式而异。放大器执行机构船舶舵叶操舵手轮人人反馈装置3.3.自动操舵的工作原理自动操舵的工作原理 自动操舵的基本工作原理如图所示。自动操舵的基本工作原理如图所示。自动操舵的基本工作原理如图所示。自动操舵的基本工作原理如图所示。M M M M为执行电动机；操舵为执行电动机；操舵为执行电动机；操舵为执行电动机；操舵开关为两半圆环开关为两半圆环开关为两半圆环开关为两半圆环2 2 2 2和和和和3

13、3 3 3，它们被一绝缘块，它们被一绝缘块，它们被一绝缘块，它们被一绝缘块4 4 4 4分离。两半圆环与舵角分离。两半圆环与舵角分离。两半圆环与舵角分离。两半圆环与舵角反馈装置机械相连，滚动触头（滚轮）反馈装置机械相连，滚动触头（滚轮）反馈装置机械相连，滚动触头（滚轮）反馈装置机械相连，滚动触头（滚轮）1 1 1 1与航向接收器机械相连。与航向接收器机械相连。与航向接收器机械相连。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航向接收器与陀螺罗经发讯器是同步传递的航向接收器与陀螺罗经发讯器是同步传递的航向接收器与陀螺罗经发讯器是同步传递的。3.3.自动操舵的工作原理自动操舵的工作

14、原理 当船舶偏离预定航向时，通过当船舶偏离预定航向时，通过当船舶偏离预定航向时，通过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陀螺罗经发讯器使航向接收器也转陀螺罗经发讯器使航向接收器也转陀螺罗经发讯器使航向接收器也转动同一角度，滚轮动同一角度，滚轮动同一角度，滚轮动同一角度，滚轮1 1 1 1与左或右半圆铜与左或右半圆铜与左或右半圆铜与左或右半圆铜环接触，使接触器环接触，使接触器环接触，使接触器环接触，使接触器J J J J1 1 1 1（或（或（或（或J J J J2 2 2 2）动作，）动作，）动作，）动作，电动机正转或反转，拖动舵叶偏转，电动机正转或反转，拖动舵叶偏转，电动

15、机正转或反转，拖动舵叶偏转，电动机正转或反转，拖动舵叶偏转，由于采用舵角反馈，故当舵叶偏转由于采用舵角反馈，故当舵叶偏转由于采用舵角反馈，故当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时，半圆环也朝滚轮滚动方向进行时，半圆环也朝滚轮滚动方向进行时，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，跟踪，在船舶偏离航向最大角时，跟踪，在船舶偏离航向最大角时，跟踪，在船舶偏离航向最大角时，半圆环追上滚轮，使滚轮处在绝缘半圆环追上滚轮，使滚轮处在绝缘半圆环追上滚轮，使滚轮处在绝缘半圆环追上滚轮，使滚轮处在绝缘块上，接触器断电，电动机停转，块上，接触器断电，电动机停转，

16、块上，接触器断电，电动机停转，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因而最大偏舵角发生在船舶偏航角因而最大偏舵角发生在船舶偏航角因而最大偏舵角发生在船舶偏航角最大的时候。最大的时候。最大的时候。最大的时候。船舶在舵的作用下回航时，电动机反转。舵叶向船舶在舵的作用下回航时，电动机反转。舵叶向船舶在舵的作用下回航时，电动机反转。舵叶向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。首尾线方向回转，半圆环又开始向滚轮运动方向跟踪。首尾线方向回转，半圆环又开始向滚轮运动方向跟踪。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

17、定航向时，半圆环追上滚轮，使滚轮处当船舶回到预定航向时，半圆环追上滚轮，使滚轮处当船舶回到预定航向时，半圆环追上滚轮，使滚轮处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，电动机停在绝缘块上，电动机停在绝缘块上，电动机停在绝缘块上，电动机停转。转。转。转。自动舵校正航向的工作过程自动舵校正航向的工作过程自动舵校正航向的工作过程自动舵校正航向的工作过程偏航角偏航角 偏舵角偏舵角罗经罗经舵机舵机：船舶沿正航向船舶沿正航向K航行，滚轮航行，滚轮1恰好与绝缘块恰好与绝缘块4接触，电动机不转动，舵叶在艏艉线上，艏艉接触，电动机不转动，舵叶在艏艉线上，艏艉线与正航向重合，线与正航向重合，=0，

18、=0偏航偏航转舵转舵：船右偏：船右偏：船右偏：船右偏滚轮左偏滚轮左偏滚轮左偏滚轮左偏J J1 1有电有电有电有电舵舵舵舵左转左转左转左转导电环左转导电环左转导电环左转导电环左转 很小很小很小很小(转船力矩小转船力矩小转船力矩小转船力矩小)，偏航，偏航，偏航，偏航，同时舵角，同时舵角，同时舵角，同时舵角最大舵角最大舵角：使使(=max)，船停止偏转，船停止偏转(d/dt=0)。导电环追上滚轮，使绝缘块。导电环追上滚轮，使绝缘块与滚轮接触，电动机停，舵叶停转与滚轮接触，电动机停，舵叶停转=max。回转回转：在左舵的作用下，船开始回转（：在左舵的作用下，船开始回转（），），使滚轮右转，与导电环接使滚

19、轮右转，与导电环接3触，使触，使J2有电，有电，电动机反转，回舵（电动机反转，回舵（）。导电环右转追随）。导电环右转追随滚轮运动。滚轮运动。：船船舶舶回回到到给给定定航航向向K，=0，=0。回航回航船舶的航迹曲线船舶的航迹曲线反馈机构：航向接受器和舵角反馈机构。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。电罗经是检测元件，也是比较环节。比较比较(元件元件)：由两个导电半圆环和滚轮所构成。：由两个导电半圆环和滚轮所构成。放大器：直流发电机放大器：直流发电机执行机构：他励直流电动机执行机构：他励直流电动机M。自动操舵系统原理框图自动操舵系统原理框图小结：小结：（1）自动操舵

20、系统是按船舶对航向的偏离程度来控）自动操舵系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。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。）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：）自动操舵系统为典型的双闭环控制系统：p 内环是舵角反馈，实现舵角的自动跟随。内环是舵角反馈，实现舵角的自动跟随。p 外环是航向反馈，实现对船舶偏航的自动调整。外环是航向反馈，实现对船舶偏航的自动调整。10-3 10-3 自动舵的基本类

21、型及其调节规律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：基本类型：比例舵：以船舶偏航角的大小和方向进行调节的，比例舵：以船舶偏航角的大小和方向进行调节的，比例比例-微分舵：以船舶偏航角和偏航角速度的大小和微分舵：以船舶偏航角和偏航角速度的大小和方向调节的。方向调节的。比例比例-微分微分-积分舵：以船舶偏航角、偏航角速度及积分舵：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。偏航角积分的大小和方向来调节的。1比例舵比例舵以船舶偏航角以船舶偏航角的大小按比例的大小按比例给偏舵角给偏舵角，即，即K1(

22、KP)为比例系数，负号表为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏航。示偏舵的方向是消除偏航。K1过小，不能产生足够的转船力过小，不能产生足够的转船力矩，回转性能不好。矩，回转性能不好。K1过大，使船回转过头，稳定性过大，使船回转过头，稳定性变坏，还会降低航速。变坏，还会降低航速。与与B随时间变化的曲线随时间变化的曲线 K1是根据船舶载重量、天气状况进行调整，是根据船舶载重量、天气状况进行调整，K1=0.54；1比例舵比例舵以船舶偏航角以船舶偏航角的大小按比例的大小按比例给偏舵角给偏舵角，即，即K1(KP)为比例系数，负号表为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏航。示偏舵的方向是消除偏航。特点：特

23、点：（1）因风浪引起偏航时，比例舵具有纠正偏航）因风浪引起偏航时，比例舵具有纠正偏航的能力。的能力。（2）采用比例舵会使船舶沿着航向左右摇摆，）采用比例舵会使船舶沿着航向左右摇摆，船舶航迹呈船舶航迹呈S型振荡，衰减很慢。型振荡，衰减很慢。（3）控制简单，精度差，系统稳定性差。）控制简单，精度差，系统稳定性差。与与B随时间变化的曲线随时间变化的曲线 比例舵只考虑了偏舵角，而没有考虑偏航角速度。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，应该适当增加偏舵角，以有效当偏航角速度较高时，应该适当增加偏舵角，以有效抑制船舶继续偏航。抑制船舶继续偏航。同时，当船舶回到正航向时，虽然偏航

24、角为零，但由同时，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侧偏航。故造成船舶沿航向作S S型航行。型航行。2比例比例微分舵微分舵以船舶偏航角以船舶偏航角和偏航角速度和偏航角速度d /d t按比例给出偏舵角按比例给出偏舵角,即即K2(KD)是微分系数。是微分系数。加加入入微微分分环环节节后后使使得得系系统统具具有有“超超前前”的的校校正正控控制制作作用用。提高系统的灵敏度。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。通常所说的纠偏舵、稳舵角或反舵角等均指微

25、分舵作用。比例微分舵角及其合成曲线比例微分舵角及其合成曲线 比例作用比例作用微分作用微分作用共同作用共同作用偏航角偏航角偏航角微分偏航角微分控制特点：控制特点：当船舶受到风浪影响发生偏航时，偏航当船舶受到风浪影响发生偏航时，偏航当船舶受到风浪影响发生偏航时，偏航当船舶受到风浪影响发生偏航时，偏航角速度较大，产生角速度较大，产生角速度较大，产生角速度较大，产生-K-K2 2d /d td /d t大，使开大，使开大，使开大，使开始偏航的一段时间内产生较大的舵角。始偏航的一段时间内产生较大的舵角。始偏航的一段时间内产生较大的舵角。始偏航的一段时间内产生较大的舵角。船舶回航时，由于船舶回航时，由于船

26、舶回航时，由于船舶回航时，由于d /dd /d t t变号，故增加变号，故增加变号，故增加变号，故增加了回舵，使舵角提前减小。了回舵，使舵角提前减小。了回舵，使舵角提前减小。了回舵，使舵角提前减小。在舵还未回到正航向之前，在舵还未回到正航向之前，在舵还未回到正航向之前，在舵还未回到正航向之前，由于由于由于由于-KK2 2d d /d/d t t的作用，舵角已经提前变号，在船的作用，舵角已经提前变号，在船的作用，舵角已经提前变号，在船的作用，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舶回到正航向时，已产生了足够大小的舶回到正航向时，已产生了足够大小的舶回到正航向时，已产生了足够大小

27、的反舵角，这对于克服由于船舶惯性向另反舵角，这对于克服由于船舶惯性向另反舵角，这对于克服由于船舶惯性向另反舵角，这对于克服由于船舶惯性向另一侧摆动很有好处，使航向偏摆迅速减一侧摆动很有好处，使航向偏摆迅速减一侧摆动很有好处，使航向偏摆迅速减一侧摆动很有好处，使航向偏摆迅速减小，从而船舶较快稳定在正航向上。小，从而船舶较快稳定在正航向上。小，从而船舶较快稳定在正航向上。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微分舵角及其合成曲线 比例系数比例系数K1与微分系数与微分系数K2选择不当，也将影响航行质量。选择不当，也将影响航行质量。当载荷增加而船速减慢时，相当载荷增加而船速减慢时

28、，相对于对于K1，把，把K2的值调得过小的值调得过小(大大比例小微分比例小微分)，则比例舵的效果，则比例舵的效果就比微分舵的效果大，所以船就比微分舵的效果大，所以船舶以正航向为中心，左右摇摆，舶以正航向为中心，左右摇摆，逐渐衰减，最后停止在正船向逐渐衰减，最后停止在正船向上，如图所示。上，如图所示。偏航偏航比例一微分舵对偏航角的影响比例一微分舵对偏航角的影响 反过来，相对反过来，相对K1把把K2调得过调得过大大(小比例大微分小比例大微分)，则微分舵，则微分舵的效果更明显，因而航向不发的效果更明显，因而航向不发生摇摆，航迹呈现过阻尼现象，生摇摆，航迹呈现过阻尼现象，船舶长时间不能恢复正航向。船舶

29、长时间不能恢复正航向。如图所示。如图所示。在不同的航行工况下，如何适当选择在不同的航行工况下，如何适当选择K1和和K2数值，数值，需通过实践，常常是靠经验来调整需通过实践，常常是靠经验来调整K1和和K2。比例一微分舵对偏航角的影响比例一微分舵对偏航角的影响 3比例比例微分微分积分舵积分舵其调节规律是以船舶偏航角其调节规律是以船舶偏航角、偏航角速度、偏航角速度d /d t和偏航和偏航角的积分角的积分d t按比例给出偏舵角按比例给出偏舵角，即，即K3(KI)是积分系数。是积分系数。积积分分环环节节的的作作用用在在于于消消除除船船舶舶由由于于船船型型不不对对称称、螺螺旋旋桨桨不不对对称称或或船船舶舶

30、单单侧侧风风、水水流流的的影影响响使使偏偏航航角角在在不不灵灵敏敏区区所所引引起起的的横横向向移移动动距距离离。（不不灵灵敏敏区区是是在在较较小小时时，自自动动舵舵是是不不调调节节的）的）如果由于某种原因引起船舶的瞬时偏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，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，没有偏移，无需发出校正动舵信号，如图如图(a)所示。所示。有时候在船舶给定的航向两侧均匀摇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，其平均航摆，经过比较长的时间后，其平均

31、航向仍在正航向上，因此也无需使舵动向仍在正航向上，因此也无需使舵动作，如图作，如图(b)所示。所示。只有当船舶在偏航死区内左右摇摆不只有当船舶在偏航死区内左右摇摆不均匀，平均航向如图均匀，平均航向如图(c)所示偏离正航所示偏离正航向一侧，且又持续了很长一段时间，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，予以校于是偏航积分环节发出信号，予以校正。正。图图(d)所示为平均航向发生偏移，积分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校正器工作后，船舶返回正航向的情况。况。自动舵虽能纠偏使船舶返回正航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向，但对船舶

32、的横向漂移却无能为力。可利用为力。可利用GPS定位系统来实定位系统来实现航线控制。现航线控制。l“比例微分积分比例微分积分”调节系统是比较完善的自动舵，但调节系统是比较完善的自动舵，但系统构造较复杂。系统构造较复杂。有的自动舵以有的自动舵以“压舵压舵”环节了替代上述环节了替代上述的积分环节，从而使控制系统得到简化。的积分环节，从而使控制系统得到简化。l所谓所谓“压舵压舵”，指的是船舶航行受到持续的单侧横向力的，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成向某一侧的小偏航。估计这种情况

33、可能发生，则在自动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，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用以平衡单侧横向干扰力。这一固定大小的舵角称之为压压舵角舵角。总结：三种控制规律比较总结：三种控制规律比较l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形航迹，调形航迹，调整过程较长。整过程较长。l比例比例-微分舵：可以减小最大偏航角，克服回航微分舵：可以减小最大偏航角，克

34、服回航时的反向偏航，加快操舵系统响应速度。但微分时的反向偏航，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。系数不能太大，否则容易造成不稳定。l比例比例-微分微分-积分舵：能够产生积分舵：能够产生“自动压舵自动压舵”调调节，克服不对称偏航。节，克服不对称偏航。10-4 10-4 自动操舵系统基本要求和工作原理自动操舵系统基本要求和工作原理1.1.1.1.自动操舵系统基本要求（四项）自动操舵系统基本要求（四项）自动操舵系统基本要求（四项）自动操舵系统基本要求（四项）1 1 1 1）自动操舵性能良好）自动操舵性能良好）自动操舵性能良好）自动操舵性能良好 初初初初始始始始转转转转舵舵

35、舵舵角角角角（一一一一次次次次偏偏偏偏舵舵舵舵角角角角）的的的的数数数数值值值值要要要要合合合合适适适适自自自自动动动动舵舵舵舵还还还还必必必必须须须须保保保保证证证证有有有有附附附附加加加加舵角（二次偏舵角）。（即合理选择比例舵的比例系数）。舵角（二次偏舵角）。（即合理选择比例舵的比例系数）。舵角（二次偏舵角）。（即合理选择比例舵的比例系数）。舵角（二次偏舵角）。（即合理选择比例舵的比例系数）。2 2 2 2）具有必要的调节装置）具有必要的调节装置）具有必要的调节装置）具有必要的调节装置 （1 1 1 1）灵敏度调节（俗称天气调节）灵敏度调节（俗称天气调节）灵敏度调节（俗称天气调节）灵敏度调

36、节（俗称天气调节）（2 2 2 2）舵角比例调节（）舵角比例调节（）舵角比例调节（）舵角比例调节（K1K1K1K1的调节要合适）的调节要合适）的调节要合适）的调节要合适）（3 3 3 3）反舵角调节（）反舵角调节（）反舵角调节（）反舵角调节（K2K2K2K2的调节要合适）的调节要合适）的调节要合适）的调节要合适）（4 4 4 4）压舵调节（积分调节即）压舵调节（积分调节即）压舵调节（积分调节即）压舵调节（积分调节即K3K3K3K3要合适）要合适）要合适）要合适）（5 5 5 5）航向调节）航向调节）航向调节）航向调节（1 1 1 1）灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度调调调调节节节节:灵灵灵灵敏敏敏敏度

37、度度度是是是是指指指指系系系系统统统统开开开开始始始始投投投投入入入入工工工工作作作作时时时时的的的的最最最最小小小小偏偏偏偏航航航航角角角角。在在在在风风风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。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。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。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 2 2 2）舵角比例调节）舵角比例调节）舵角比例调节）舵角比例调节:K1:K1:K1:K1的大小直接影响自动舵给出的一次偏舵角和二次的大小直接影响自动舵给出的一次偏舵角和二次的大小直接影响自动舵给出的一次偏舵角

38、和二次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、装载、船速等情况调节舵角比例。偏舵角的数值，因此要根据船型、装载、船速等情况调节舵角比例。偏舵角的数值，因此要根据船型、装载、船速等情况调节舵角比例。偏舵角的数值，因此要根据船型、装载、船速等情况调节舵角比例。（3 3 3 3）反舵角调节）反舵角调节）反舵角调节）反舵角调节:船舶在恢复航向时，舵叶应先回到首尾线上，然后再船舶在恢复航向时，舵叶应先回到首尾线上，然后再船舶在恢复航向时，舵叶应先回到首尾线上，然后再船舶在恢复航向时，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向另

39、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。情况进行调节。情况进行调节。情况进行调节。（4 4 4 4）压舵调节）压舵调节）压舵调节）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为纠正因单侧风浪、水流等因素影响而引

40、起的不对称偏为纠正因单侧风浪、水流等因素影响而引起的不对称偏为纠正因单侧风浪、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。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。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。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 5 5 5）航向调节）航向调节）航向调节）航向调节:在保证不断开自动舵系统的情况下，通过航向调节装置在保证不断开自动舵系统的情况下，通过航向调节装置在保证不断开自动舵系统的情况下，通过航向调节装置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

41、的给定航向。来改变船舶的给定航向。来改变船舶的给定航向。来改变船舶的给定航向。1.1.1.1.自动操舵系统基本要求自动操舵系统基本要求自动操舵系统基本要求自动操舵系统基本要求3 3 3 3）应设有随动、单动等操舵设备）应设有随动、单动等操舵设备）应设有随动、单动等操舵设备）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。其他操舵方式，保证船舶航向的可

42、靠性。其他操舵方式，保证船舶航向的可靠性。其他操舵方式，保证船舶航向的可靠性。4 4 4 4）自动舵还应设双电源、双机组等转换装置。）自动舵还应设双电源、双机组等转换装置。）自动舵还应设双电源、双机组等转换装置。）自动舵还应设双电源、双机组等转换装置。2.2.自动操舵系统的工作原理自动操舵系统的工作原理 以以以以HQ-5HQ-5HQ-5HQ-5型自动操舵仪为例介绍其结构及功能型自动操舵仪为例介绍其结构及功能型自动操舵仪为例介绍其结构及功能型自动操舵仪为例介绍其结构及功能1 1 1 1）系统组成：）系统组成：）系统组成：）系统组成：HQ-5HQ-5型自动舵系统基本上由驾驶室主操舵台、舵机房型自动

43、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。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。舵方式，可根据船舶航行中的具体情况加以择用。自动操舵采用比例自动操舵采用比例-微分调节，并设有压舵环节。微分调节，并设有压舵环节。HQ-5HQ-5型自动操舵仪原理框图型自动操舵仪原理框图 2 2）自动操舵系统主要电路功能分析）自动操舵系统主要电路功能分析（1 1）信号发送电路）信号发送电路（2 2）相敏整流电路）相敏整流电路（3

44、3）信号比较、压舵环节和直流放大电路）信号比较、压舵环节和直流放大电路（4 4）比例调节电路）比例调节电路（5 5）微分调节电路）微分调节电路（6 6）脉冲形成和晶闸管触发电路）脉冲形成和晶闸管触发电路（7 7）晶闸管主电路和应急操舵电路）晶闸管主电路和应急操舵电路（8 8）偏航报警与操舵系统失压报警电路）偏航报警与操舵系统失压报警电路（1 1 1 1）信号发送电路信号发送电路信号发送电路信号发送电路 偏航信号发送器、随动信偏航信号发送器、随动信号发送器和舵角反馈信号发送号发送器和舵角反馈信号发送器都是控制式自整角机。它们器都是控制式自整角机。它们单机使用，其定子的单相激磁单机使用，其定子的单

45、相激磁绕组接到绕组接到110V的单相电源，转的单相电源，转子的三相整步绕组只联接其中子的三相整步绕组只联接其中的两相作出输出绕组，转轴分的两相作出输出绕组，转轴分别由罗经接收机（分罗经）、别由罗经接收机（分罗经）、操舵手轮或舵柱通过机械传动操舵手轮或舵柱通过机械传动装置带动。自整角机处于协调装置带动。自整角机处于协调位置时，无输出。位置时，无输出。2 2）自动操舵系统主要电路功能分析）自动操舵系统主要电路功能分析若偏航，则分罗经带动若偏航，则分罗经带动若偏航，则分罗经带动若偏航，则分罗经带动F1F1F1F1的转子转过相应的一个角的转子转过相应的一个角的转子转过相应的一个角的转子转过相应的一个角

46、度，则度，则度，则度，则F1F1F1F1的输出绕组的输出绕组的输出绕组的输出绕组S2S2S2S2S3S3S3S3输出一个相应的正弦电输出一个相应的正弦电输出一个相应的正弦电输出一个相应的正弦电压偏航信号。电路中两个压偏航信号。电路中两个压偏航信号。电路中两个压偏航信号。电路中两个稳压管稳压管稳压管稳压管WZ31WZ31WZ31WZ31、WZ32WZ32WZ32WZ32其输出其输出其输出其输出信号的钳位作用，防止信信号的钳位作用，防止信信号的钳位作用，防止信信号的钳位作用，防止信号过大堵塞后级放大电路。号过大堵塞后级放大电路。号过大堵塞后级放大电路。号过大堵塞后级放大电路。（2 2 2 2）相敏

47、整流电路）相敏整流电路）相敏整流电路）相敏整流电路此电路的工作条件是：此电路的工作条件是：元件对称，电桥平衡，参考电压远大于信号电压（元件对称，电桥平衡，参考电压远大于信号电压（元件对称，电桥平衡，参考电压远大于信号电压（元件对称，电桥平衡，参考电压远大于信号电压（U U U UrefrefrefrefU U U Us s s s），），），），且频率相同。且频率相同。且频率相同。且频率相同。2 2）自动操舵系统主要电路功能分析）自动操舵系统主要电路功能分析+_+_+_+_+_272829D2D5D3D4下级输入下级输入电阻电阻29D3D2+_+_+_2728Us在正半周：在正半周：当输入电压

48、当输入电压当输入电压当输入电压UsUs与参考电压同相位时，与参考电压同相位时，与参考电压同相位时，与参考电压同相位时，D5D4+_+_+_272928UsUs在负半周：在负半周：在负半周：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入电压成正比入电压成正比入电压成正比 ，输出电压的极性取决于输入电压的相位，即船舶，输出电压的极性取决于输入电压的相位，即船舶，输出电压的极性取决于输入电压的相位，即船舶，输

49、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。偏离航向的方向。偏离航向的方向。偏离航向的方向。（3 3）当）当U Us s0 0时且与时且与U Urefref相位相反时，在正半周，相位相反时，在正半周，2727与与S S2 2同电位，同电位，输出直流电压输出直流电压U U0 0为负极性；在负半周，为负极性；在负半周，2929与与S S2 2同电位，输出直流同电位，输出直流电压电压U U0 0也为负极性。也为负极性。结论：结论：（1）当）当Us0时时U00；（2）当）当Us0时且与时且与Uref相位相同相位相同时，在正半周，时，在正半周，29与与S2同电位，同电位，输出直流电压输出直流电压U0 0为正极性；在负为正极性；在负半周，半周，27与与S2同电位，输出直流同电位，输出直流电压电压U0也为正极性。也为正极性。此电路具有此电路具有此电路具有此电路具有鉴别交流信号相位鉴别交流信号相位鉴别交流信号相位鉴别交流信号相位的功能。的功能。的功能。的功能。