船舶电气轮机专业舵机教案上海海事职业技术学院省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第十章第十章 船舶舵机电力拖动船舶舵机电力拖动与控制与控制 10-1.舵机电力拖动与控制基本要求舵机电力拖动与控制基本要求 10-2.操舵方式及其基本工作原理操舵方式及其基本工作原理 10-3.自动舵基本类型及其调整规律自动舵基本类型及其调整规律10-4.自动舵系统基本工作原理自动舵系统基本工作原理第十章小结第十章小结第1页学习第十章应该注意点学习第十章应该注意点第十章学习应注意几个问题：第十章学习应注意几个问题：1.对船舶舵机有什么基本要求？对船舶舵机有什么基本要求？2.有几个操舵方式？有几个操舵方式？3.各种操舵方式有什么特点？各种操舵方式有什么特点？4.自动舵是怎样工作？自动舵是怎样工作？5.自动舵有几个调整规律？各种调整规律分别自动舵有几个调整规律？各种调整规律分别起什么作用？起什么作用？相对比较难点：相对比较难点：1.各种操舵方式工作原理；各种操舵方式工作原理；2.自动舵各种调整规自动舵各种调整规律特点。律特点。第2页10-1.舵机电力拖动与控制基舵机电力拖动与控制基本要求本要求本节主要内容有两个部分本节主要内容有两个部分 1.1.舵机装置：舵机装置：主要掌握舵机分类特点。主要掌握舵机分类特点。2.2.电力拖动与控制基本要求：电力拖动与控制基本要求：三个方面三个方面 供电、电动机、控制系统供电、电动机、控制系统第3页 舵机装置分为两类：舵机装置分为两类：.电动电动-机械；机械；.电动电动-液压。液压。电动电动-机械舵机装置机械舵机装置：工作过程：工作过程：电动机经过连电动机经过连轴节带动蜗杆蜗轮转动，并经轴节带动蜗杆蜗轮转动，并经过主动齿轮带动扇形齿轮，再过主动齿轮带动扇形齿轮，再经过缓冲弹簧转动舵柄（在扇经过缓冲弹簧转动舵柄（在扇形齿轮下面，经过弹簧推进），形齿轮下面，经过弹簧推进），从而使舵柱和舵叶偏转。从而使舵柱和舵叶偏转。系统组成：系统组成：普通采取普通采取G-M系统。系统。作用：作用：蜗杆蜗轮传动，蜗杆蜗轮传动，大变比减速，能够锁定舵柱和舵叶。大变比减速，能够锁定舵柱和舵叶。缓冲弹簧，缓冲弹簧，减轻船舶在航行中波浪对舵叶冲击力，预减轻船舶在航行中波浪对舵叶冲击力，预防传动装置受到损伤。防传动装置受到损伤。第4页 电动电动 液压舵机装置液压舵机装置系统组成：系统组成：恒速电动机恒速电动机（可用普通异步（可用普通异步机）拖动双向变机）拖动双向变量油泵，提供双量油泵，提供双向高压油驱动液向高压油驱动液压油缸。压油缸。工作过程：工作过程：当一油缸注入高压油而另一油缸排出当一油缸注入高压油而另一油缸排出低压油时，推进撞杆（活塞）移动，从而带动舵柄，低压油时，推进撞杆（活塞）移动，从而带动舵柄，舵柱和舵叶偏转。舵柱和舵叶偏转。第5页基本要求：基本要求：三可靠。三可靠。1.1.供电；供电；2.2.电动机运行；电动机运行；3.3.控制系统控制系统都要可靠都要可靠 。供电：供电：采取双路供电采取双路供电 ，两路分离较远馈电线，两路分离较远馈电线，其中一路经应急配电板。其中一路经应急配电板。电动机：电动机：机械特征软（抗冲击），转矩大（机械特征软（抗冲击），转矩大（35-3035-30，2828秒），秒），能承受能承受1 1分钟堵转。分钟堵转。控制系统：控制系统：最少两个操作站（由转换开关切换，预防同时操作），最少两个操作站（由转换开关切换，预防同时操作），有三种操舵方式（手动、随动、自动）。有三种操舵方式（手动、随动、自动）。第一节关键点第一节关键点：舵机分类、特点；基本要求。：舵机分类、特点；基本要求。对舵机装置要求对舵机装置要求第6页10-2.操舵方式及其基本工作原理操舵方式及其基本工作原理 本节主要内容有三个部分本节主要内容有三个部分 即三种操舵方式工作原理，主要掌握它即三种操舵方式工作原理，主要掌握它们作用、特点和工作原理。们作用、特点和工作原理。1.1.单动操舵工作原理单动操舵工作原理 2.2.随动操舵工作原理随动操舵工作原理 3.3.自动操舵工作原理自动操舵工作原理第7页单动（香蕉柄）操舵：单动（香蕉柄）操舵：在海船上就是在海船上就是应急操舵。应急操舵。方法：方法：手扳舵转，复零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右手扳舵转，复零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。扳，回舵左扳。人看分罗经和舵角指示器操舵。人看分罗经和舵角指示器操舵。原理：原理：转换开关改变发电机励磁方转换开关改变发电机励磁方向，从而使电动机反转。向，从而使电动机反转。单动操舵工作原理单动操舵工作原理电动机励磁不变。电动机励磁不变。第8页随动随动操舵，又叫操舵，又叫“舵轮操舵舵轮操舵”。随动随动 舵叶伴随舵轮转动舵叶伴随舵轮转动。方法：方法：左偏航操右舵，舵轮操右几左偏航操右舵，舵轮操右几度，舵叶右偏几度（右偏也相同）。度，舵叶右偏几度（右偏也相同）。原理：原理：是负反馈调整系统。以舵是负反馈调整系统。以舵角和舵轮偏差控制电动机。角和舵轮偏差控制电动机。操舵过程：操舵过程：舵轮舵轮向右转过一个角向右转过一个角度度，电位器电位器R R1 1滑动点移动，电滑动点移动，电桥失去平衡，放大器输入信号桥失去平衡，放大器输入信号00，发电机输出电压使电动机顺时，发电机输出电压使电动机顺时针方向转动，使舵叶向右偏转。针方向转动，使舵叶向右偏转。同时舵角反馈同时传递机构带动同时舵角反馈同时传递机构带动反馈电位器反馈电位器R R2 2滑动点不停向滑动点不停向a点点移动。当电桥重新处于新平衡状移动。当电桥重新处于新平衡状态时，放大器输入态时，放大器输入=0=0，电动机停电动机停转，舵叶处于右舵与舵轮转动相转，舵叶处于右舵与舵轮转动相对应角度上。对应角度上。回舵过程相同，只是放大器输入变回舵过程相同，只是放大器输入变反，电动机反转，舵叶回偏。反，电动机反转，舵叶回偏。随动操舵工作原理随动操舵工作原理第9页 自动操舵：自动操舵：实际上是自动航向保持仪。实际上是自动航向保持仪。组成原理：组成原理：利用电罗经检测船舶实际航向利用电罗经检测船舶实际航向 ，然后与给，然后与给定航向定航向KK进行比较，其差值作为操舵装置输入信号，使操舵进行比较，其差值作为操舵装置输入信号，使操舵装置动作，改变偏舵角装置动作，改变偏舵角。在舵角作用下，船舶逐步回到正。在舵角作用下，船舶逐步回到正航向上。船舶回到正航向后，舵叶不再偏转。航向上。船舶回到正航向后，舵叶不再偏转。线路分析：线路分析：最简单电动操舵线路工作过程见。最简单电动操舵线路工作过程见。操舵过程：见操舵过程：见下列图下列图 自动操舵工作原理自动操舵工作原理第10页第二节关键点第二节关键点：操舵方式：操舵方式(种类、原理种类、原理)；自动操；自动操舵仪组成原理。舵仪组成原理。第11页10-3.自动舵基本类型自动舵基本类型及其调整规律及其调整规律本节主要内容有本节主要内容有 1.1.自动舵基本类型：自动舵基本类型：三种三种 百分比、百分比百分比、百分比-微分、百分比微分、百分比-微分微分-积分积分 2.2.三种自动类型作用和特点三种自动类型作用和特点第12页自动舵方框图自动舵方框图 自动操舵自动操舵基本类型基本类型 定义：定义：自动舵基本类型是指按操舵规自动舵基本类型是指按操舵规律分类（也就是舵偏转规律）类型，而不律分类（也就是舵偏转规律）类型，而不是舵机装置类型。是舵机装置类型。三种基本类型：三种基本类型：.百分比舵；百分比舵；.百百分比分比-微分舵；微分舵；.百分比百分比-微分微分-积积分舵。分舵。说明：说明：不一样基本类型自动舵，对舵不一样基本类型自动舵，对舵叶调整规律是不一样。叶调整规律是不一样。偏航与操舵偏航与操舵第13页 百分比舵百分比舵 百分比舵操舵规律是：百分比舵操舵规律是：偏舵角偏舵角大小与偏航角大小与偏航角大小成百分比关系，即：大小成百分比关系，即：=-K =-K1 1其中：其中：K K1 1为百分比系数，负号表示与偏航方向相反。为百分比系数，负号表示与偏航方向相反。特点：特点：机构简单，航行保持精度较差，船舶营机构简单，航行保持精度较差，船舶营运经济性较差（会出现运经济性较差（会出现S S形航迹）。形航迹）。百分比舵不足：百分比舵不足：偏航早期偏舵角较小，不能很偏航早期偏舵角较小，不能很快阻止船舶继续偏航；回航过程中船舶含有惯性，快阻止船舶继续偏航；回航过程中船舶含有惯性，偏舵角不能及时减小，轻易反向偏航。偏舵角不能及时减小，轻易反向偏航。第14页 百分比百分比-微分舵操舵规律是：微分舵操舵规律是：偏舵角偏舵角大小与偏航角大小与偏航角大小成百分比大小成百分比-微分关系，即：微分关系，即：=-=-（K K1 1+K+K2 2d/dtd/dt）其中：其中：K K1 1为百分比系数，为百分比系数，K K2 2为微分系数。为微分系数。说明说明：偏航早期，偏航角改变率大，百分比：偏航早期，偏航角改变率大，百分比-微分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，偏航角改变率变为负值，能适时给出反较小）；回航时，偏航角改变率变为负值，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。舵角，阻止船舶反向偏航，即能有效阻止反向偏航。主要特点：主要特点：含有含有“超前校正超前校正”控制作用，减小船舶航控制作用，减小船舶航向振荡，减轻舵机负担，增加航速，提升系统灵敏度和船向振荡，减轻舵机负担，增加航速，提升系统灵敏度和船舶营运效益。舶营运效益。百分比百分比-微分舵微分舵第15页 百分比百分比-微分微分-积分舵积分舵 组成：组成：是在百分比是在百分比-微分舵基础上增加积分步骤。微分舵基础上增加积分步骤。积积分步骤作用是分步骤作用是 克服不对称偏航。克服不对称偏航。K K3 3是积分系数。是积分系数。不对称偏航产生：不对称偏航产生：不对称偏航是某舷（侧）偏航角连续不对称偏航是某舷（侧）偏航角连续时间比另一舷（侧）偏航角连续时间长。时间比另一舷（侧）偏航角连续时间长。原因：原因：装载不对称，斜向风连续影响，斜向海潮连续影装载不对称，斜向风连续影响，斜向海潮连续影响。响。对于含有双螺旋桨推进船舶，螺旋桨推进不平衡对于含有双螺旋桨推进船舶，螺旋桨推进不平衡也会产生不对称偏航。也会产生不对称偏航。积分步骤工作原理：积分步骤工作原理：积分步骤能够对偏航连续时间进行积分步骤能够对偏航连续时间进行累积，当某舷（侧）偏航连续时间比另一舷（侧）连续时间累积，当某舷（侧）偏航连续时间比另一舷（侧）连续时间长时，经过步骤输出信号（偏舵角）将继续保持，这个信号长时，经过步骤输出信号（偏舵角）将继续保持，这个信号将经过执行机构使舵叶维持在一定偏转角度上，从而使船舶将经过执行机构使舵叶维持在一定偏转角度上，从而使船舶含有克服单向偏航能力。含有克服单向偏航能力。第16页 百分比舵：能够克服偏航，但轻易形成百分比舵：能够克服偏航，但轻易形成S S形航形航迹，航程较长。迹，航程较长。百分比百分比-微分舵：能够减小最大偏航角，克微分舵：能够减小最大偏航角，克服回航时反向偏航。但微分系数不能太大，不然轻服回航时反向偏航。但微分系数不能太大，不然轻易造成不稳定。易造成不稳定。百分比百分比-微分微分-积分舵：能够产生积分舵：能够产生“自动压自动压舵舵”调整，克服不对称偏航。调整，克服不对称偏航。第三节关键点第三节关键点：自动舵基本类型；各种调整规律：自动舵基本类型；各种调整规律性能、特点。性能、特点。操舵定律特点比较操舵定律特点比较第17页10-4.自动舵系统基本工作原理自动舵系统基本工作原理本节主要内容有两部分本节主要内容有两部分 1.PID 1.PID自动舵系统工作原理自动舵系统工作原理 2.2.适应舵基本概念和调整原理适应舵基本概念和调整原理 这两部分主要要求是了解各自相关概念这两部分主要要求是了解各自相关概念第18页 概述：概述：含有百含有百分比、微分和积分分比、微分和积分调整作用自动舵称调整作用自动舵称为为PIDPID自动舵。这种自动舵。这种PIDPID舵实际上是航向舵实际上是航向保持仪，不能实现保持仪，不能实现航迹自动跟踪。而航迹自动跟踪。而且，在不一样海况且，在不一样海况下，百分比、微分、下，百分比、微分、积分等参数需要人积分等参数需要人为地进行调整，才为地进行调整，才能到达比较满意调能到达比较满意调整效果。整效果。PID PID自动舵原理：自动舵原理：电罗经和自整角机将船舶电罗经和自整角机将船舶实际航向和给定航向比较，得到偏航信号经发实际航向和给定航向比较，得到偏航信号经发讯器讯器2 2和相敏整流器整流后送到灵敏度调整器，和相敏整流器整流后送到灵敏度调整器，再经过百分比、微分和积分步骤（再经过百分比、微分和积分步骤（5 5、6 6和和1313）调整后，由放大器调整后，由放大器8 8和功率放大器和功率放大器9 9进行放大，进行放大，送给执行机构送给执行机构1010对舵机进行调整控制。对舵机进行调整控制。第19页 定义：定义：经过计算机将全部检测信号进行经过计算机将全部检测信号进行处理，使舵机按照给定航线进行操舵自动舵处理，使舵机按照给定航线进行操舵自动舵称为自适应舵。自适应舵能够自动对航线进称为自适应舵。自适应舵能够自动对航线进行判别，能够自动修正内部参数（比如百分行判别，能够自动修正内部参数（比如百分比系数等）以适应船舶各种状态或海况。比系数等）以适应船舶各种状态或海况。分类：分类：可分为两类可分为两类自校正自校正自适应控制系统和自适应控制系统和模模型参考型参考自适应控制系统。自适应控制系统。第20页自校正控制系统：自校正控制系统：自动校正系统控制参数，使性能指标靠近最优。自动校正系统控制参数，使性能指标靠近最优。模型参考控制系统：模型参考控制系统：设计一个理想（最优）参考模型，计算机依据实际检测，设计一个理想（最优）参考模型，计算机依据实际检测，实现靠近该理想模型控制规律。实现靠近该理想模型控制规律。说明：说明：详细详细工作原理分析需工作原理分析需要较深基础知识。要较深基础知识。所以，本节只做所以，本节只做普通了解。普通了解。第四节关键点第四节关键点：自适应舵概念和类型。：自适应舵概念和类型。自适应舵说明自适应舵说明第21页第十章第十章 各节关键点各节关键点n n各节关键点各节关键点：第一节第一节：舵机分类、特点；基本要求舵机分类、特点；基本要求。第二节第二节：操舵方式（种类、原理）；自动操舵仪操舵方式（种类、原理）；自动操舵仪组成原理组成原理。第三节第三节：自动舵基本类型；各种调整规律性能、自动舵基本类型；各种调整规律性能、特点特点。第四节第四节：自适应舵概念和类型自适应舵概念和类型。第22页第十章主要内容第十章主要内容n主主要要内内容容：船船舶舶舵舵机机“基基本本要要求求”、“操操舵舵方式方式”和和“基本调整规律基本调整规律”。n要要求求掌掌握握舵舵机机基基本本要要求求，知知道道各各种种操操舵舵方方式式使用场所、各自特点及系统组成使用场所、各自特点及系统组成 ；n要要求求掌掌握握舵舵机机基基本本类类型型，知知道道各各种种调调整整规规律律自自动动舵舵使使用用场场所所、各各自自特特点点及及系系统统组组成成，明明白各种白各种“调整规律调整规律”输出输入关系。输出输入关系。第23页