船舶PID舵控制系統機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，湖北武漢 430033）

船舶PID舵控制系統機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，湖北武漢 430033）

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

船舶；PID舵；控制系統

0 引言

船舶舵機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動，是船舶安全航行的關鍵設備。正如汽車的方向盤于汽車的重要性，舵機在船舶輔助機械中的重要性不言而喻，必須保證其工作的可靠性[1]。

根據船舶自動舵的發展歷史和控制方法的不同，可以大致分為4個發展階段，即機械舵、PID舵、自適應舵和智能舵[2]。其中PID舵的出現滿足了船舶對大型化、快速化的要求，目前仍被廣泛使用于各種類型船舶上，后續兩個發展階段也是在 PID舵的基礎上隨著自適應控制理論和微處理機的發展而逐步出現的。本文通過對電動液壓舵機PID控制系統的深入研究，對舵機PID控制系統的組成、工作方式及工作原理進行了深入分析，并列舉了目前PID舵在實際使用中出現的典型故障及排除方法，并說明了該控制系統的優劣。希望能給船舶實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

舵機工作的一般原理為：當給定轉舵角時，控制系統的執行機構通過壓力轉換器、控制滑閥和主泵的調節器推動泵，將它轉到給定的工作角度上。舵機控制系統是船舶航向控制系統的一部分，它能控制舵的轉動且自動將船舶保持在給定的航向上。

1.2 工作方式

PID舵控制系統可以對1臺或者2臺舵機同時實施控制。

1.2.1 一臺舵機的控制方式

通過控制系統的操縱臺和程序給定器，可以保障舵機在以下幾種方式下工作：1）“自動”——從導航系統或遙控附加裝置實施遙控輸入；2）“隨動”——船舶機動時使用的工作方式；3）“程序”——通過設定的程序執行的操舵方式；4）“手動”——備用控制方式，直接從遙控臺操縱舵機；5）“應急”——直接從執行機構進行的應急控制方式。

在1臺舵機的控制方式中，可以是1臺或2臺主泵同時工作，也可以是1臺主泵和1臺備用泵同時工作。

1.2.2 兩臺舵機時的控制方式

通過控制系統的操縱臺和程序給定器，可以保障舵機在以下幾種方式下工作：1）“自動”——從導航系統或遙控附加裝置實施遙控輸入；2）“同步隨動”——船舶機動時使用的工作方式；3）“分別隨動”——船舶機動時使用的工作方式；4）“程序”——通過設定的程序執行的操舵方式；5）“手動”——備用控制方式，直接從遙控臺操縱舵機；6）“應急”——直接從執行機構進行的應急控制方式。

在兩臺舵機的控制方式中，可以是2臺主泵或者4臺主泵同時工作，也可以是其中1臺主泵和1臺備用泵協同工作。應當注意的是：在以1）、4）方式實施控制時，只能實施同步控制，以5）方式實施控制時，只能實施分別控制。

無論是控制1臺舵機還是2臺舵機， 在控制系統的組成中如果沒有加入程序給定器，則無法實施“程序”控制方式。

2 PID舵控制系統工作原理

2.2 自動控制船舶航向的原理

PID舵是一種比例—微分—積分舵，其控制系統按偏差原理設計，根據船舶航向偏離角υ，偏離角的微分?和偏離角的積分來實施控制?？梢詫⒖刂茽顟B寫成下列形式：

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

PID舵控制系統電路見圖1。

圖1 PID舵控制系統電路設計圖

當船舶偏離給定航向時，在加法元件的輸入端上產生正比于下列3個參數的電壓：

放大的電壓總和到達執行機構，執行機構根據指令控制舵機實施轉舵，控制船舶按照給定的航向行駛。轉舵的同時，正比于轉舵角的反饋信號到達加法元件。反饋信號為：

反饋信號 Uβ一直位于主控制信號電壓的相反相位中。因此，在船舶偏離航向的過程中，到達放大器輸入端的總和電壓U等于Uυ+U?+UU-Uβ，電壓UU的符號不取決于每一特定時刻偏離的方向，而取決于不對稱偏航特性。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，需要加大轉舵角。當船舶在轉舵的影響下，開始回到給定航向上時，微分信號U?的相位改變，而信號Uv則減小。

為了提高系統的可靠性，在控制1臺舵機的系統中設有兩個獨立的通道，而在控制兩臺舵機的系統中設有4臺獨立的通道，其中每一個通道都控制著自己的泵。

2.2 “自動”控制方式的工作原理

控制系統電路結構圖見圖2。

圖2 控制系統電路結構圖

“自動”控制方式是船舶常用的控制方式，在船舶長時間航行時使用。當設定控制方式轉換開關在“自動”位置時，控制臺上的自動同步接收機連接到電羅經的同步發送器。當船舶偏離指定的航向時，來自電羅經發送器的信號使自動同步接收機的轉子轉動到與船舶偏航值成正比的角度。自動同步接收機通過機械差動裝置轉動航向同步發送器的轉子，從航向同步發送器來的電壓Uk到達放大器和校正組件的輸入端。從校正部件的輸出端到達放大器輸入端的電壓為Un和Uu的信號和。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執行電動機的控制繞組，執行機構的電機開始旋轉并移動滑閥裝置，滑閥裝置使舵機的電動液壓傳動裝置動作，舵機開始轉舵。與此同時，舵傳感器中的自動同步發送器的轉子也轉動一正比于轉舵角的角度，泵同步機繞組上的電壓UH與舵同步機繞組上的電壓UP相位相符，但是與電壓Uk、Un和Uu的相位相反，在接下來的轉舵里，信號的電壓值將會增大，在放大器的輸入端會出現合成的最終電壓，該電壓的相位引起執行電機和同步機的轉子向相反方向轉動。泵的控制機構開始向零位返回。當泵的控制機構返回到零位時，電壓UH的值將等于零，而電壓UK、UN與UU的值將得到電壓UP值的補償，舵將轉動一定角度，轉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，船舶開始恢復航向，向相反方向轉動的電羅經的同步發送器，改變航向同步發送器的轉子的旋轉。到達放大器的失調的電壓改變符號。放大的反相信號的電壓到達執行電機的控制繞組。電機與執行機構的同步發送器的轉子改變旋轉方向。作用于泵控制機構的電機使舵機的液壓傳動裝置運轉，舵機開始向中線面相反的方向轉舵；同時，通過舵桿，使舵同步發送器的轉子返回零位。當船舶返回到指定航向時，航向同步發送器的轉子占據零位，而舵在導數信號的作用下，將向中線面相反方向轉一定角度；當接近指定航向時，實現限制船舶的作用。

需要注意的是：1)與船舶偏離航向速度成比例的電壓UN用于在航向上調制船舶，預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、螺旋槳轉數的差異；船舶外殼相對下中線面的不對稱等等）對船舶長期單方面的影響情況下，自動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與轉舵值β的比叫做反饋系數。

借助控制臺上的“k設定”開關，通過改變舵傳感器里舵同步發送器的激勵繞組的電壓，該電壓來自控制臺的自動變壓器，實現k值的變化。

3 PID舵控制系統常見故障及排除方法

PID舵控制系統常見故障及排除方法見表1。

表1 PID舵控制系統常見故障及排除方法

4 結束語

PID舵目前被廣泛使用于各型船舶中，技術相對成熟，其性能指標能滿足大、中、小各型船舶的使用要求，具有非常廣闊的使用空間，掌握控制系統的工作原理及常見故障對實際使用是非常有幫助的，希望通過本文能給相關行業工作者一點啟發。

[1]施春紅. 船舶電氣設備及自動控制[M]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社, 2002.

[2]張禮華. 船舶舵機個體Agent的研究與構建[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，學士。研究方向：船舶動力工程。