船舶电气设备CH10

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第1章第,*,页,上海海事大学电气系刘以建制作,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,船舶,设,设备,自,自动,控,控制,系,系统,第十,章,章,船,船舶,舵,舵机,的,的电,力,力拖,动,动与,控,控制,第1,章,章第2页,概述,舵机,装,装置,是,是保,持,持或,改,改变,船,船舶,航,航向,的,的,重要,设备,航向,优秀,的,的舵,机,机可,以,以：,节省,航,航运,成,成本,降低,劳,劳动,强,强度,第1,章,章第3页,概述,整个舵机,装,装置主要,由,由,操舵,装,装置,、,舵机,控,控制,与,与驱,动,动系,统,统,、,传动,机,机构,和,舵叶,四大,部,部分组成。,船和,舵,舵,驾驶,台,台：,操,操舵,装,装置,包括,航,航向,指,指示,、,、舵,角,角指,示,示器,舵机,间,间：,舵,舵机,控,控制,与,与驱,动,动系,统,统、,传,传动,机,机构,结构,第1,章,章第4页,舵的,作,作用,原,原理,航向,R,P,T,P1,P2,a,转向,R,P,T,偏舵,作,作用,：,：,转船,使船,横,横移,产生,航,航行,阻,阻力,v,第1,章,章第5页,舵的,作,作用,原,原理,由舵,角,角,b,产生,的,的转,船,船力,矩,矩：,小舵,角,角作,用,用下,的,的船,舶,舶回,转,转运,动,动方,程,程：,F-,舵叶,有,有效,面,面积,v-,船速,K-,常数,，,，与,水,水密,度,度、,舵,舵叶,升,升力,系,系数,有,有关,-船,舶,舶回,转,转角,J,-,船舶,回,回转,惯,惯量,第1,章,章第6页,舵机,驱,驱动,装,装置,舵叶,舵柄,舵柱,第1,章,章第7页,舵机,驱,驱动,装,装置,舵机,驱,驱动,装,装置,分,分为,两,两类,：,：,.,电,电动-,机,机,械,械；,.,电,电动-,液,液,压,压。,电动-,机,机,械,械舵,机,机装,置,置,：,电动,机,机通,过,过连,轴,轴节,带,带动,蜗,蜗杆,蜗,蜗轮,转,转动,，,，并,通,通过,主,主动,齿,齿轮,带,带动,扇,扇形,齿,齿轮,，,，再,经,经过缓冲,弹,弹簧转动,舵,舵柄,，,，从,而,而使,舵,舵柱,和,和舵,叶,叶偏,转,转。,缓冲,弹,弹簧,-,减轻,船,船舶,在,在航,行,行中,波,波浪,对,对舵,叶,叶的,冲,冲击,力,力，,防,防止,传,传动,装,装置,受,受到,损,损伤,。,。,电动,机械舵,机,机装置,扇形,齿轮,第1章,第,第8页,工作过,程,程：,当一油,缸,缸注入,高,高压油,而,而另一,油,油缸排,出,出低压,油,油时，,推,推动撞,杆,杆（活,塞,塞）移,动,动，从,而,而带动,舵,舵柄，,舵,舵柱和,舵,舵叶偏,转,转。,电动,液压舵,机,机装置,系统组成：,恒速电,动,动机拖,动,动油泵，提供,高,高压油,，,，,驱动液,压,压油缸。,舵叶,液压舵,机,机：,驱动力,大,大、抗,冲,冲击,第1章,第,第9页,10.1,舵机电,力,力拖动,与,与控制,的,的基本,要,要求,工作可,靠,靠,供电：,采用双,路,路供电,，,，其,中,中一路,经,经应急,配,配电板,。,。,电动机,：,：,机械特,性,性软（,抗,抗冲击,）,），转,矩,矩大（,从,从一舷,最,最大舵,角,角转至,另,另一舷,最,最大舵,角,角的时,间,间应不,超,超过30,(28),秒），,能,能承受1分钟,的,的堵转,。,。,控制系,统,统：,至少两,个,个操作站（由转,换,换开关,切,切换，,防,防止同,时,时操作,）,）,;,有三种,操,操舵方,式,式（手,动,动、随,动,动、自,动,动）。,第1章,第,第10页,保护和,报,报警装,置,置,舵叶偏,转,转限位+,35-35,舵机总,电,电源断,电,电时，失压报,警,警,舵机电,机,机只有过载报,警,警而无过,载,载保护,装,装置,自动操,舵,舵装置,时,时，应,设,设有航,向,向超过,允,允许偏,差,差的偏航自动报,警,警装置,第1章,第,第11页,10.2,操舵方,式,式及基,本,本工作,原,原理,操舵方,式,式一般,为,为三种,：,单动操,舵,舵，应,急,急操舵,（,（,NFU,）,）,自动操,舵,舵,随动操,舵,舵（,FU）,航向控,制,制,航迹（,航,航线）,控,控制,第1章,第,第12页,1,单动操,舵,舵,在自动,操,操舵及,随,随动操,舵,舵都不,能,能使用,的,的应急,情,情况下,提,提供的,一,一种操,舵,舵方式,方法：,手扳舵,转,转，复,零,零舵停,-,点,点动控,制,制,人看分罗经,compass,和舵角,指,指示器,操,操舵。,第1章,第,第13页,单动操,舵,舵的,舵机控,制,制,（,a）,电动,（,（,b）,液压舵,图10-1,单,单动操,舵,舵原理,图,图,电磁阀,M,第1章,第,第14页,2,随动操,舵,舵的工,作,作原理,随动,操舵，,又,又叫,“,舵轮操舵,”,。,随动,舵叶随,着,着舵轮,转,转动。,图 10-3,随,随动操,舵,舵原理,图,图（电,桥,桥式）,第1章,第,第15页,闭环跟,踪,踪系统,随动操,舵,舵方框,图,图,第1章,第,第16页,3,自动操,舵,舵,自动航,向,向保持,仪,仪,Autopilot,-,按照船,舶,舶对航,向,向的偏,离,离角度,来,来控制,船,船舶的,航,航向,自动舵,系,系统是,一,一个双,闭,闭环系,统,统。,图10-6,自,自动操,舵,舵方框,图,图,给定舵,角,角,第1章,第,第17页,控制系,统,统结构,计划航,线,线,航迹偏,差,差,航迹控,制,制,航向偏,差,差,航向控,制,制,舵角偏,差,差,舵角控,制,制,应急操,舵,舵,舵机,舵角检,测,测,船,GPS/,电子海,图,图,罗经,测量航,向,向,测量船,位,位,+,+,-,-,-,航向,随动操,舵,舵,航向设,定,定,自适应,扰动量,扰动量,第1章,第,第18页,10.3,自动舵,的,的基本,类,类型及,其,其调节,规,规律,人工操,舵,舵的一,般,般规律,正航向,反舵角,根据船,舶,舶,偏航的,方,方向、,大,大小、,偏,偏航速,度,度,有规律地进行,操,操舵,第1章,第,第19页,自动舵,的,的基本,类,类型,按操舵,的,的规律,分,分类,三种基,本,本类型,：,：,.比,例,例舵；,.比,例,例 -,微,微分,舵,舵；,.比,例,例 -,微,微分-,积,积分舵,。,。,第1章,第,第20页,比例舵,比例舵,操,操舵的,规,规律是,：,：偏舵角,的大小,与,与偏航,角,角,的大小,成,成比例,关,关系，,即,即：,K,1,其中：,K,1,为比例,系,系数，,负,负号表,示,示与偏,航,航方向,相,相反。,第1章,第,第21页,比例舵,舵,舵效,正航向,K,1,第1章,第,第22页,比例舵,回转运,动,动方程,：,：,K,1,特点：机构简,单,单，航,行,行保持,精,精度较,差,差，船,舶,舶营运,经,经济性,较,较差（,会,会出现,S,形航迹,）,）。,比例舵,的,的不足,：,：偏航初,期,期偏舵,角,角较小,，,，不能,很,很快阻,止,止船舶,继,继续偏,航,航；回,航,航过程,中,中船舶,具,具有惯,性,性，偏,舵,舵角不,能,能及时,减,减小，,容,容易反,向,向偏航,。,。,第1章,第,第23页,比例-,微,微分舵,操,操舵的,规,规律是,：,：偏舵角,的大小,与,与偏航,角,角,的大小,成,成比例-微分,关,关系，,即,即：,比例-,微,微分舵,反舵角,说明：偏航,初,初期，,偏,偏航角,变,变化率,大,大，比,例,例 -,微,微分,舵,舵能及,时,时给出,大,大偏舵,，,，有效,地,地阻止,船,船舶偏,航,航（最,大,大偏航,角,角较小,）,）；回,航,航时，,偏,偏航角,变,变化率,变,变为负,值,值，能,适,适时给,出,出反舵,角,角，阻,止,止船舶,反,反向偏,航,航，即,能,能有效,阻,阻止反,向,向偏航,。,。,第1章,第,第24页,主要特,点,点：具有“,超,超前校,正,正”的,控,控制作,用,用，减,小,小船舶,航,航向的,振,振荡，,减,减轻舵,机,机负担,，,，增加,航,航速，,提,提高系,统,统灵敏,度,度和船,舶,舶的营,运,运效益,。,。,第1章,第,第25页,比例-,微,微分-,积,积分舵,组成：是在比,例,例 -,微,微分,舵,舵基础,上,上增加,积,积分环,节,节。,积分环,节,节作用,是克服不,对,对称偏,航,航。,不对称,偏,偏航的,产,产生：不对称,偏,偏航是,某,某舷（,侧,侧）的,偏,偏航角,持,持续时,间,间比另,一,一舷（,侧,侧）偏,航,航角持,续,续时间,长,长。,原因：装载不,对,对称，,斜,斜向风,的,的持续,影,影响，,斜,斜向海,潮,潮的持,续,续影响,。,。,对于具,有,有双螺,旋,旋桨推,进,进的船,舶,舶，螺,旋,旋桨推,进,进的不,平,平衡也,会,会产生,不,不对称,偏,偏航。,第1章,第,第26页,积分作,用,用,图,10-10,偏航时,的,的积分,作,作用,第1章,第,第27页,比例,微,微分,+,压舵环,节,节,压舵角,正航向,/,航线,单侧风,航向,航线,单侧风,第1章,第,第28页,比例舵,：,：可以,克,克服偏,航,航，但,容,容易形,成,成,S,形航迹,，,，航程,较,较长。,比例- 微,分,分舵：,可,可以减,小,小最大,偏,偏航角,，,，克服,回,回航时,的,的反向,偏,偏航。,但,但微分,系,系数不,能,能太大,，,，否则,容,容易造,成,成不稳,定,定。,比例- 微,分,分 -,积,积分,舵,舵：能,够,够产生,“,自动压,舵,舵,”,调节，,克,克服不,对,对称偏,航,航。,操舵定,律,律特点,比,比较,第1章,第,第29页,10.4,自动操,舵,舵系统,工,工作原,理,理,1 自,动,动操舵,系,系统基,本,本要求,1),自动操,舵,舵性能,良,良好,转舵次,数,数少，,纠,纠偏速,度,度快,2),具有必,要,要的调,节,节装置,灵敏度,调,调节,舵角比,例,例调节,反舵角,调,调节,压舵调,节,节,航向调,节,节,3),应,应设有,随,随动、,单,单动等,操,操舵设,备,备；应,设,设有双,电,电源，,双,双机组,及,及换转,装,装置。,俗称天,气,气调节,，,，根据,天,天气状,况,况调节,动,动舵的,最,最小偏,航,航角，,防,防止频,繁,繁动舵,第1章,第,第30页,2,自动操,舵,舵系统,的,的工作,原,原理,以国产,HQ-5,型自动操,舵,舵仪为,例,例,系统的,主,主要环,节,节：,航向,(,检测,),复示,信号发,送,送电路,相敏整,流,流电路,运算电,路,路,功率放,大,大电路,系统组,成,成,第1章,第,第31页,航向检,测,测、复,示,示,航向检,测,测方法,：,：,磁罗经,compass,电（陀螺）罗经,磁通门,罗,罗经,光纤陀,螺,螺罗经,GPS,第1章,第,第32页,N,0,航向指,示,示：,陀螺,20,罗盘上,看,看得到,！,！,复示？,用于控,制,制？,第1章,第,第33页,航向复示,自整角,发,发送机,自整角,接,接收机,罗经,航向复,示,示,航向,自整角,机,机原理,i=0,第1章,第,第34页,航向复示,自整角,发,发送机,自整角,接,接收机,罗经,航向复,示,示,航向,i,第1章,第,第35页,航向复示,自整角,发,发送机,自整角,接,接收机,罗经,航向复,示,示,航向,i=0,第1章,第,第36页,信号发,送,送电路,偏航信,号,号发送,器,器，随,动,动信号,发,发送器,和,和舵角,反,反馈信,号,号发送,器,器,航向给,定,定,航向接,收,收机,罗经,航向,u,s,航向偏,差,差,信号发,送,送器,第1章,第,第37页,航向偏,差,差,信号发,送,送器,航向给,定,定,航向接,收,收机,罗经,航向复,示,示,航向偏,差,差输出,u,s,u,s,=U cos,sin,w,t,给定航,向,向,实际航,向,向,u,=U,sin,w,t,第1章,第,第38页,航向偏,差,差,信号发,送,送器,航向给,定,定,航向接,收,收机,罗经,航向复,示,示,航向偏,差,差输出,u,s,u,s,=U sin,sin,w,t,给定航,向,向,实际航,向,向,u,=U,sin,w,t,第1章,第,第39页,偏航信,号,号,/,随动信,号,号,/,舵角,信号发,送,送,图10-12,信,信号发,送,送电路,u,s,=U sin,sin,w,t,u,=U,sin,w,t,第1章,第,第40页,相敏整,流,流电路,由偏航,信,信号发,送,送器，,随,随动信,号,号发送,器,器和舵,角,角反馈,信,信号发,送,送器输,出,出的交流信,号,号电压分,别,别送到,相,相敏整,流,流电路,中,中进行,整流检,相,相,，变换,成,成能够反,映,映偏差,角,角度大,小,小和方,向,向的直流信,号,号。,图10-13,相,相敏流,电,电路,u,s,=Usin,sin,w,t,U,0,=k,u,s,u,ref,u,0,u,s,u,ref,u,0,u,o,u,ref,u,s,r,R,R,10,R,11,27,D,3,D,4,29,S,3,S,2,-,+,u,o,u,ref,u,s,r,R,R,11,R,10,29,D,2,D,5,27,+,-,+,S,3,S,2,u,ref,与,u,s,同频、,同,同相或,反,反相，,且,且,u,ref,u,s,；,R,11,=R,10,第1章,第,第42页,信号比,较,较、压舵,环,环节和,直,直流放,大,大电路,HQ-5,系统组,成,成,第1章,第,第43页,运算电,路,路,随动操,舵,舵,u,01,u,=k,*,u,=k,R,R,U,01,=0,时舵叶,停,停止偏,转,转，这,时,时,=,*,HQ-5,第1章,第,第44页,自动操,舵,舵,u,01,u,=k,u,=k,R1,R2,C,U,01,=0,时舵叶停止偏转，这时,第1章,第,第45页,脉冲形,成,成与晶,闸,闸管触,发,发电路,+,-,+,-,第1章,第,第46页,晶闸管,主,主电路,与,与应急,操,操舵电,路,路,第1章,第,第47页,HQ-5,型自动操,舵,舵仪,第1章,第,第48页,新型自,动,动操舵,仪,仪简介,计算机,（,（微处,理,理器）,控,控制：数字化,结构上模块化,、,、网络,化,化,控制上智能化,功能上,：,：航线/航迹,控,控制,品牌:,Sperry,、,、,安修斯,第1章,第,第49页,单,SCU,第1章,第,第50页,双,SCU,第1章,第,第51页,信号传,送,送：,串口,RS422，0183,通信协,议,议,第1章,第,第52页,自适应,舵,舵的基,本,本概念,和,和调节,原,原理,自适应,舵,舵,：通过计,算,算机将,所,所有检,测,测信号,进,进行处,理,理，可,以,以自动,修,修正内,部,部参数,（,（例如,比,比例系,数,数等）,以,以适应,船,船舶的,各,各种状,态,态或海,况,况。,分类：,自校正自适应,控,控制系,统,统,模型参,考,考自适应,控,控制系,统,统,等,传统（,PID,）控制,的,的缺点,第1章,第,第53页,自校正,控,控制系,统,统：,自动校,正,正系统,的,的控制,参,参数，,使,使性能,指,指标接,近,近最优,。,。,模型参考,控,控制系统,：,：,设计一个,理,理想（最,优,优）的参,考,考模型，,计,计算机根,据,据实际检,测,测，实现,接,接近该理,想,想模型的,控,控制规律,。,。,自适应舵,说,说明,第1章第54页,自整定模,糊,糊,PID,控制器,Ki,Kp,Kd,PID,控制器,模糊推理,系,系统,被控对象,E,e,de/dt,第1章第55页,应用模糊,集,集合理论,建,建立参数,Kp,、,Ki,和,Kd,与系统误,差,差绝对值,和,和误差变,化,化率绝对,值,值之间的,二,二元连续,函,函数关系,，,，,模糊推理,系,系统,在线自整,定,定,PID,参数。,模糊控制,的,的算法简,单,单用于,计,计算机实,时,时控制计,算,算量很少,，,，并且自,适,适应模糊,控,控制可以,使,使控制参,数,数和规则,在,在控制过,程,程中自动,调,调整、修,改,改和完善,，,，从而使,系,系统的控,制,制性能不,断,断完善，,达,达到理想,的,的控制效,果,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,阀,油缸,Port,Stb,第1章第59页,舵轮,第1章第60页,图10-5 自动,控,控制舵原,理,理图,第1章第61页,比例微分,舵,舵角,图10-7 比例,舵,舵,与,随时间变,化,化的曲线,图10-8 比例,微,微分舵角,及,及其合成,曲,曲线,第1章第62页,系统的组,成,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,仪,第1章第71页,自动操舵,系,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,