船舶机械电力拖动3：航向控制系统2011

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1、船舶航向自动控制系统：舵§1船舶航向控制系统基本概念船舶舵机是船舶航行的重要设备，其功能为航向控制，所以又称航向控制系统。系统主要由安装在舵机舱的舵机和安装在驾驶台的操舵仪组成。舵机是转舵的执行机构，操舵仪是控制机构。目前舵机多采用液压传动，而操舵仪采用先进的电子技术或计算机技术。一、航向自动控制系统组成1舵机2操舵仪操舵分罗经调节旋钮舵角指示应急操舵手柄随动操舵手轮舵令指示3、控制系统分类1、直接控制系统或称单舵系统、应急操舵，NFU。应急操舵只有在自动操舵和随动操舵失灵情况下使用。要求在驾驶台和舵机舱设置操舵点。应急操舵实际上是对液压舵机的直接

2、控制。驾驶台是电控方式。舵机舱除电控外，还可使用机控方式。2、随动控制系统,HAND。随动舵在进出港或窄水道航行或自动舵失灵情况下使用。随动舵实际上是一个舵角闭环控制系统，即位置随动系统。3、自动操舵控制系统，auto，cpu航向自动舵航迹自动舵：节能，减少实际航程，减少舵动作4发展与现状历史上自动操舵仪经历了机械自动舵、PID自动舵、自适应自动舵三代。近代船舶通常装有自适应舵，在航船舶中也有不少装有PID自动舵。目前使用较多的自动操舵仪有：日本东京计器TOKIMEC公司的PR-8000系列自动操舵仪、日本北辰YOKOGAWA的PT21系列自动操舵

3、仪、德国ANSCHUTZ的NAUTOPILOTA系列自动操舵仪、美国SperryMarineNAVIPILOT4000系列自动操舵仪。目前发展方向主要是，1先进控制理论应用，如非线性、模糊、神经网络等等，最终达到节能目的；2功能更强大，增加与其它驾驶台设备（电子海图、GPS等等）的信息交换，成为IBS的重要节点。§2船舶航行对舵机装置的要求1、舵机装置供电要采用两舷供电方式。其中一路应经由应急配电板供电。2、电动舵机的电动机采取连续工作制，有足够的过载能力，软机械特性，能堵转一分钟。3、舵机应能在驾驶台和舵机房两个地方控制，由转换开关转换。4、应设

4、有舵叶偏转限位开关，一般为±35°。5、自动操舵时，设有偏航报警，一般为±8°~±10°。6、设舵机失电报警和舵机电动机过载报警，但不设过载保护。7、在船舶高速满载情况下，舵应能自一舷35°转至另一舷35°。且所需时间不超过28秒。辅助舵机小于60秒。9、在驾驶台设有舵角指示器，其与操舵指令和实际舵角的误差＜1°。10、自动操舵仪应具有自动、随动和应急三种操舵方式，且能方便转换和相互联锁。11、舵杆直径>230mm的舵机，45s内提供替代动力；1万Gt以上工作30min,其他工作10min。§3自动舵的执行机构舵机泵控型阀控型舵机[Steering

5、Gear]一、泵控型液压舵机ACB：浮动杆追随机构[FloatHuntingGear]自动舵的机电接口三点浮杆追随机构原理B2B1BAA1A2CC1作用：加快转舵速度操纵杆变量控制杆反馈杆储能弹簧太软：无法转舵太硬：不起作用二、阀控型液压舵机使用单向定量油泵，转舵靠驾驶台遥控换向阀实现，油泵排油回泵的进口或回油箱。特点：系统简单，造价低；冲击大，可靠性差，油液发热量大，经济性差。接电反馈装置驾驶台操舵电信号油路锁闭阀锁闭油路锁闭备用油路溢流节流阀：调速安全阀：伺服活塞最大输出力夜控旁通阀：旁通、隔断液压缸缺点：2.转换遥控系统时间长1.液压伺服系统

6、故障率大§4自动舵的控制系统一、人工操舵的一般规律36090270180二、自动操舵原理及方框图常规自动操舵通常是指用电罗经或磁罗经检测航向偏差，在通过航向控制器进行舵角操纵，达到航向纠偏。其控制方框图如下：航向控制器舵角控制器舵机船舶舵角反馈航向反馈--φ*φΔφβ*β自动、随动、应急舵？三、常规舵自动操舵的控制规律1、比例舵Kp随船型而不同，对万吨船来说，一般为2～3，即偏航1°时，偏舵角为2°～3°。比例系数过大，将使船舶偏航振幅加大。因此比例操舵虽然简单、可靠但航向稳定精度较差。当受一舷持续偏航力矩作用时，不能保证船舶的定向航行。2、比例微

7、分舵（PD）比例-微分舵操舵的规律是：偏舵角β的大小与偏航角φ的大小成比例-微分关系，即：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。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运效益。比例微分控制航向舵角变化曲线图二次舵角一次舵角、反舵角t比例微分舵的调整操舵仪上有比例和微分舵效的调整旋钮。调整原则是根据船舶载荷和航速情况配合进行。通常在满载低速航行时

8、，加大比例和微分舵。而在压载高速航行时，相应减小比例微分作用。但不管在何种情况下，微分舵不宜过大。否则将影响船舶保航能力。