船舶PID舵控制系統(tǒng)機(jī)理研究及典型故障排查

成若義，豐少偉，李軍華

● （海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430033）

船舶PID舵控制系統(tǒng)機(jī)理研究及典型故障排查

成若義，豐少偉，李軍華

● （海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430033）

介紹了PID舵的主要控制方式，研究了控制系統(tǒng)工作機(jī)理、“自動(dòng)”控制方式的工作原理，分析了PID舵控制系統(tǒng)的工作流程，列舉了常見故障及排除方法。

船舶；PID舵；控制系統(tǒng)

0 引言

船舶舵機(jī)的主要功能是用來控制船舶的方向變化，保證船舶按指定航向作直線或曲線運(yùn)動(dòng)，是船舶安全航行的關(guān)鍵設(shè)備。正如汽車的方向盤于汽車的重要性，舵機(jī)在船舶輔助機(jī)械中的重要性不言而喻，必須保證其工作的可靠性[1]。

根據(jù)船舶自動(dòng)舵的發(fā)展歷史和控制方法的不同，可以大致分為4個(gè)發(fā)展階段，即機(jī)械舵、PID舵、自適應(yīng)舵和智能舵[2]。其中PID舵的出現(xiàn)滿足了船舶對(duì)大型化、快速化的要求，目前仍被廣泛使用于各種類型船舶上，后續(xù)兩個(gè)發(fā)展階段也是在 PID舵的基礎(chǔ)上隨著自適應(yīng)控制理論和微處理機(jī)的發(fā)展而逐步出現(xiàn)的。本文通過對(duì)電動(dòng)液壓舵機(jī)PID控制系統(tǒng)的深入研究，對(duì)舵機(jī)PID控制系統(tǒng)的組成、工作方式及工作原理進(jìn)行了深入分析，并列舉了目前PID舵在實(shí)際使用中出現(xiàn)的典型故障及排除方法，并說明了該控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。希望能給船舶實(shí)際操作及維修人員提供幫助。

1 PID舵的用途及工作方式

1.1 用途

舵機(jī)工作的一般原理為：當(dāng)給定轉(zhuǎn)舵角時(shí)，控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過壓力轉(zhuǎn)換器、控制滑閥和主泵的調(diào)節(jié)器推動(dòng)泵，將它轉(zhuǎn)到給定的工作角度上。舵機(jī)控制系統(tǒng)是船舶航向控制系統(tǒng)的一部分，它能控制舵的轉(zhuǎn)動(dòng)且自動(dòng)將船舶保持在給定的航向上。

1.2 工作方式

PID舵控制系統(tǒng)可以對(duì)1臺(tái)或者2臺(tái)舵機(jī)同時(shí)實(shí)施控制。

1.2.1 一臺(tái)舵機(jī)的控制方式

通過控制系統(tǒng)的操縱臺(tái)和程序給定器，可以保障舵機(jī)在以下幾種方式下工作：1）“自動(dòng)”——從導(dǎo)航系統(tǒng)或遙控附加裝置實(shí)施遙控輸入；2）“隨動(dòng)”——船舶機(jī)動(dòng)時(shí)使用的工作方式；3）“程序”——通過設(shè)定的程序執(zhí)行的操舵方式；4）“手動(dòng)”——備用控制方式，直接從遙控臺(tái)操縱舵機(jī)；5）“應(yīng)急”——直接從執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行的應(yīng)急控制方式。

在1臺(tái)舵機(jī)的控制方式中，可以是1臺(tái)或2臺(tái)主泵同時(shí)工作，也可以是1臺(tái)主泵和1臺(tái)備用泵同時(shí)工作。

1.2.2 兩臺(tái)舵機(jī)時(shí)的控制方式

通過控制系統(tǒng)的操縱臺(tái)和程序給定器，可以保障舵機(jī)在以下幾種方式下工作：1）“自動(dòng)”——從導(dǎo)航系統(tǒng)或遙控附加裝置實(shí)施遙控輸入；2）“同步隨動(dòng)”——船舶機(jī)動(dòng)時(shí)使用的工作方式；3）“分別隨動(dòng)”——船舶機(jī)動(dòng)時(shí)使用的工作方式；4）“程序”——通過設(shè)定的程序執(zhí)行的操舵方式；5）“手動(dòng)”——備用控制方式，直接從遙控臺(tái)操縱舵機(jī)；6）“應(yīng)急”——直接從執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行的應(yīng)急控制方式。

在兩臺(tái)舵機(jī)的控制方式中，可以是2臺(tái)主泵或者4臺(tái)主泵同時(shí)工作，也可以是其中1臺(tái)主泵和1臺(tái)備用泵協(xié)同工作。應(yīng)當(dāng)注意的是：在以1）、4）方式實(shí)施控制時(shí)，只能實(shí)施同步控制，以5）方式實(shí)施控制時(shí)，只能實(shí)施分別控制。

無論是控制1臺(tái)舵機(jī)還是2臺(tái)舵機(jī)， 在控制系統(tǒng)的組成中如果沒有加入程序給定器，則無法實(shí)施“程序”控制方式。

2 PID舵控制系統(tǒng)工作原理

2.2 自動(dòng)控制船舶航向的原理

PID舵是一種比例—微分—積分舵，其控制系統(tǒng)按偏差原理設(shè)計(jì)，根據(jù)船舶航向偏離角υ，偏離角的微分?和偏離角的積分來實(shí)施控制。可以將控制狀態(tài)寫成下列形式：

式中：β為轉(zhuǎn)舵角；k為反饋系數(shù)，正比于船舶航向偏離角與轉(zhuǎn)舵角的比值；k1、k2分別為微分通道和積分通道的傳輸系數(shù)（取決于放大器輸出端上的信號(hào)與輸入端上的信號(hào)比）。

PID舵控制系統(tǒng)電路見圖1。

圖1 PID舵控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖

當(dāng)船舶偏離給定航向時(shí)，在加法元件的輸入端上產(chǎn)生正比于下列3個(gè)參數(shù)的電壓：

放大的電壓總和到達(dá)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)指令控制舵機(jī)實(shí)施轉(zhuǎn)舵，控制船舶按照給定的航向行駛。轉(zhuǎn)舵的同時(shí)，正比于轉(zhuǎn)舵角的反饋信號(hào)到達(dá)加法元件。反饋信號(hào)為：

反饋信號(hào) Uβ一直位于主控制信號(hào)電壓的相反相位中。因此，在船舶偏離航向的過程中，到達(dá)放大器輸入端的總和電壓U等于Uυ+U?+UU-Uβ，電壓UU的符號(hào)不取決于每一特定時(shí)刻偏離的方向，而取決于不對(duì)稱偏航特性。如果由于某種干擾船舶開始偏航，且船舶的角速度在增大，則電壓U?也在增大，需要加大轉(zhuǎn)舵角。當(dāng)船舶在轉(zhuǎn)舵的影響下，開始回到給定航向上時(shí)，微分信號(hào)U?的相位改變，而信號(hào)Uv則減小。

為了提高系統(tǒng)的可靠性，在控制1臺(tái)舵機(jī)的系統(tǒng)中設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立的通道，而在控制兩臺(tái)舵機(jī)的系統(tǒng)中設(shè)有4臺(tái)獨(dú)立的通道，其中每一個(gè)通道都控制著自己的泵。

2.2 “自動(dòng)”控制方式的工作原理

控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖

“自動(dòng)”控制方式是船舶常用的控制方式，在船舶長時(shí)間航行時(shí)使用。當(dāng)設(shè)定控制方式轉(zhuǎn)換開關(guān)在“自動(dòng)”位置時(shí)，控制臺(tái)上的自動(dòng)同步接收機(jī)連接到電羅經(jīng)的同步發(fā)送器。當(dāng)船舶偏離指定的航向時(shí)，來自電羅經(jīng)發(fā)送器的信號(hào)使自動(dòng)同步接收機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到與船舶偏航值成正比的角度。自動(dòng)同步接收機(jī)通過機(jī)械差動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)航向同步發(fā)送器的轉(zhuǎn)子，從航向同步發(fā)送器來的電壓Uk到達(dá)放大器和校正組件的輸入端。從校正部件的輸出端到達(dá)放大器輸入端的電壓為Un和Uu的信號(hào)和。其中從校正部件電子微分器輸出端來的電壓Un正比于船舶偏離給定航向的角速度；從電子積分器輸出端來的電壓Uu正比于船舶偏離給定航向角的積分。放大了一定幅值和相位的電壓從放大器到達(dá)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的控制繞組，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)并移動(dòng)滑閥裝置，滑閥裝置使舵機(jī)的電動(dòng)液壓傳動(dòng)裝置動(dòng)作，舵機(jī)開始轉(zhuǎn)舵。與此同時(shí)，舵?zhèn)鞲衅髦械淖詣?dòng)同步發(fā)送器的轉(zhuǎn)子也轉(zhuǎn)動(dòng)一正比于轉(zhuǎn)舵角的角度，泵同步機(jī)繞組上的電壓UH與舵同步機(jī)繞組上的電壓UP相位相符，但是與電壓Uk、Un和Uu的相位相反，在接下來的轉(zhuǎn)舵里，信號(hào)的電壓值將會(huì)增大，在放大器的輸入端會(huì)出現(xiàn)合成的最終電壓，該電壓的相位引起執(zhí)行電機(jī)和同步機(jī)的轉(zhuǎn)子向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。泵的控制機(jī)構(gòu)開始向零位返回。當(dāng)泵的控制機(jī)構(gòu)返回到零位時(shí)，電壓UH的值將等于零，而電壓UK、UN與UU的值將得到電壓UP值的補(bǔ)償，舵將轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，轉(zhuǎn)舵角將與船舶偏離指定航向的角度和船舶偏離航向的角度的積分成比例。在舵的作用下，船舶開始恢復(fù)航向，向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)的電羅經(jīng)的同步發(fā)送器，改變航向同步發(fā)送器的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。到達(dá)放大器的失調(diào)的電壓改變符號(hào)。放大的反相信號(hào)的電壓到達(dá)執(zhí)行電機(jī)的控制繞組。電機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的同步發(fā)送器的轉(zhuǎn)子改變旋轉(zhuǎn)方向。作用于泵控制機(jī)構(gòu)的電機(jī)使舵機(jī)的液壓傳動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，舵機(jī)開始向中線面相反的方向轉(zhuǎn)舵；同時(shí)，通過舵桿，使舵同步發(fā)送器的轉(zhuǎn)子返回零位。當(dāng)船舶返回到指定航向時(shí)，航向同步發(fā)送器的轉(zhuǎn)子占據(jù)零位，而舵在導(dǎo)數(shù)信號(hào)的作用下，將向中線面相反方向轉(zhuǎn)一定角度；當(dāng)接近指定航向時(shí)，實(shí)現(xiàn)限制船舶的作用。

需要注意的是：1)與船舶偏離航向速度成比例的電壓UN用于在航向上調(diào)制船舶，預(yù)防船舶指定航向的起伏。2)與船舶偏離指定航向值的積分成比例的電壓UU用于在外部干擾力（水流、螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)的差異；船舶外殼相對(duì)下中線面的不對(duì)稱等等）對(duì)船舶長期單方面的影響情況下，自動(dòng)修正船舶與指定航向的偏差。3)在不同的航行條件下，同樣的船舶偏航角需要不同的轉(zhuǎn)舵角度值來保證船舶返回到指定的航向。航向變化值φ與轉(zhuǎn)舵值β的比叫做反饋系數(shù)。

借助控制臺(tái)上的“k設(shè)定”開關(guān)，通過改變舵?zhèn)鞲衅骼锒嫱桨l(fā)送器的激勵(lì)繞組的電壓，該電壓來自控制臺(tái)的自動(dòng)變壓器，實(shí)現(xiàn)k值的變化。

3 PID舵控制系統(tǒng)常見故障及排除方法

PID舵控制系統(tǒng)常見故障及排除方法見表1。

表1 PID舵控制系統(tǒng)常見故障及排除方法

4 結(jié)束語

PID舵目前被廣泛使用于各型船舶中，技術(shù)相對(duì)成熟，其性能指標(biāo)能滿足大、中、小各型船舶的使用要求，具有非常廣闊的使用空間，掌握控制系統(tǒng)的工作原理及常見故障對(duì)實(shí)際使用是非常有幫助的，希望通過本文能給相關(guān)行業(yè)工作者一點(diǎn)啟發(fā)。

[1]施春紅. 船舶電氣設(shè)備及自動(dòng)控制[M]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2002.

[2]張禮華. 船舶舵機(jī)個(gè)體Agent的研究與構(gòu)建[J]. 上海:中國航海, 2004.

Study on Mechanism and Typical Troubleshooting of PID Rudder Control System for Ship

CHENG Ruo-yi, FENG Shao-wei, LI Jun-hua
(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The main control modes of PID rudder are introduced. The working mechanism of the control system and the principle of the "automatic" control mode are studied. The workflow of PID rudder control system is analyzed. The common malfunctions and troubleshooting are enumerated.

shipping; PID rudder; control system

U665.13

A

成若義（1980-），男，學(xué)士。研究方向：船舶動(dòng)力工程。