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1、船舶自动操舵仪故障分析及其解决方案作者：李成玉摘要:文章分析了半导体分立元件和集成电路设计的自动舵工作原理,指出它们的缺点及其故障产生的根本原因。应用可编程序控制器(PLC)技术研制的自动舵,克服了常规自动舵的缺点及其参数整定困难和控制效果的不足。自整定比例微积分调节器(PID)自动舵能够自动适应船况和海况的变化,实现无扰动切换、变增益调节、抗积分饱和、微分先行等功能,克服了舵机振荡。实船应用证明了该自整定比例微积分调节器船舶自动舵的有效性。0 引言船舶自动操舵仪是保证船舶安全航行的重要设备,而舵机振荡出现的故障率最高。我国造船工业已具规模,每年生产艘数甚多的小型船舶
2、,开发出性能可靠、价格合理的船舶自动操舵仪,完全可以得到推广和应用。针对船舶自动操舵仪出现的故障,分析了其控制单元的特点及工作原理,给出了通用的性价比高的技术解决方案。1 常规自动舵控制单元分析1)半导体分立元件自动舵。半导体分立元件正常工作需要一定的条件,若超出其允许的范围,将不能正常工作,甚至造成永久性的破坏。对于大功率管的功耗能力并不服从等功耗规律,其工作电压升高,其耗能功率相应减小。三极管在工作时,可能Uce并未超过BUceo,Pc也未达到Pcm,而三极管已被击穿损坏了。因此,使用半导体模拟元件要考虑di/dt、du/dt的影响,即使在其允许工作范围内也可能造
3、成损坏。特别是外延型高频功率管,在使用中要防止二次击穿。元器件老化、特性飘移,引起性能下降、工作不稳定,故障率最高。2)集成电路设计的自动舵。集成电路与分立元器件组成的电路相比,具有体积小、功耗低、性能好、重量轻、可靠性高、成本低等许多优点。但同样对电源电压、温度、湿度等外界因素变化敏感,其内部又存在固有噪声,这些将引起回路特性和参数变化,降低其稳定性和可靠性。其功能扩展困难,难以调试,不能在线修改和故障诊断,对制作工艺要求很高。故障分析和排除十分困难。3)舵机振荡出现的几率最高。印刷电路板P. C. B要设法消除电路振荡,常用RC校正网络,在电路中加入电容C,或利用
4、R、C元件进行相位补偿,改变电路的高频特性,从而破坏自激条件。舵机抖动严重影响舵机工作和船舶航行,其发生的可能原因有舵机自激、舵输入信号波动、电源自激、舵机与惯性传感器形成电路闭环等。舵机抖动最有可能来自于控制电路P. C. B中某个运算放大环节的自激,可能是由于线路增益异常、线路幅频或相频特性不正常,以及舵系统幅频或相频特性不正常引起的。电液舵机多为阀控型,其转舵不灵敏,可能舵系中线不正,引起单面卡紧,也可能滚动轴承有损伤。配合间隙较大,舵系出现敲击。转舵不准确,舵叶实际位置与舵角机械指示的读数不吻合,偏差超过0. 5°[4]。舵机振荡严重,有明显跑舵现象,表明主油
5、路锁闭不严,间隙较大。许多国产自动操舵仪使用磁罗经检测船舶实际航向,精度低,可靠性差。由于磁罗经惯性和迟延较大、容易过冲,又存在磁差、自差和综合偶然误差,其0线与真北线间的差角是磁差与自差的代数和,因此磁罗经指向不稳定,不宜直接用于自动舵控制系统,磁罗经作为无源导航设备,仅适应用于随动和应急操舵。陀螺电罗经也存在船速误差、冲击误差和综合偶然误差,在正常稳定工况下,一般<0. 5°~±1°,可以通过软件编程处理罗经差,满足自动舵控制的需要。GPS应用已经普及,而把GPS提供的航迹信号用于船舶航迹(航向)控制,实现的成本较高。2 基于S7-200PLC设计自动舵的优点在船
6、舶操纵控制中,经典的PID舵对高频干扰过于敏感,引起频繁操舵,缺乏对船舶动态特性及海况变化的自适应能力[5]。而常规的自适应控制舵系统实现成本高,参数调整难度大,控制效果难以保证。本系统使用STEP 7Micro/WIN V4. 0 SP4编程软件,有在线自整定PID控制功能和监控界面[6-7]。既可以生成模拟量输出PID控制算法,也支持开关量输出;既支持连续自动调节,也支持手动参与控制。利用PID指令向导,可以定义设定值的上、下限取值范围、增益、积分时间、微分时间、采样时间,可以指定输入输出值的类型、范围,提供低限、高限及过程错误报警,生成PID初始化子程序和中断程
7、序及手动/自动模式无扰动切换,还能自动分配地址,自动为参数表分配符号名,实现PID参数配方。实际运行并调试PID自动舵参数时,其控制的效果就是看反馈是否跟随设定值,响应是否快速、稳定,能否抑制闭环中的各种扰动而回复稳定。利用自整定控制界面PID-TUNE面板,能够连续观察反馈对于给定变化的响应曲线。通过查看DataBlock,以及SymbolTable相应的PID符号标签的内容,可以找到包括PID核心指令所用的控制回路表[6-7],包括PB、Ti、Td、Ts等等。将此表的地址复制到Status Chart中,可在监控模式下在线修改PID参数,而不必停
