船舶自动操舵仪故障分析及其解决方案
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、
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、
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,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,而不必停机再次做组态。
由于船舶的大惯性、大滞后和慢响应,会引起船舶围绕给定航线连续地振荡运动。船舶航线为Z字型,为了使船舶在给定航向转向点附近的航迹偏差较小,且减小在给定航线上的振荡幅度,实现光滑转换, PLC自动舵必须增加一些补偿功能[8]。
PLC自动舵除具备PID参数自整定功能外,航向整定、舵角设定值的大小功能数字显示,具有自动偏航报警功能(偏航角≥5°)、舵角比(GAIN)调节(能产生足够大的转船力矩)、限幅功能、反舵角(制动舵角)调节、压舵角调节、灵敏度/天气(DEAD BAND)调节(风平浪静时高,大风浪时低)、小舵角航向调节、游隙机构补偿功能,这些功能分别由S7-200PLC的子程序实现。
为了使船舶转向平稳,减小冲过头的幅度,使船舶在转向点附近航迹偏差小且减小在给定航线上的振荡,实现平滑转向。由于船上没安装旋回角速度传感器,追随性指数T和旋回性指数K开环测试不方便,在线辨识和参数估计又较难,因此根据驾驶员的经验来编程实现。变增益调节根据船速、偏舵角和船的惯性来综合考虑,追求转向均匀为控制目标。
图1所示为S7-200PLC设计的船舶自动舵框图。图中,Ⅰ-在触摸屏上进行整定和显示;Ⅱ-在触摸屏只进行显示;Ⅲ-操舵模式在触摸屏操作和显示,其它4个只进行显示;Ⅳ-通过增量式编码器把电罗经的实际航向采集到PLC,使用HSC指令;Ⅴ-舵令和实际舵角;Ⅵ-开关量输入;Ⅶ-开关量输出。随动操舵、应急操舵时,驾驶员能看到舵令表、实际舵角和实际航向。自动操舵时,只需实际航向和给定航向。
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3 S7-200PLC船舶自动舵实现的功能
为了使同一型号的自动舵装置能够适用于不同的排水量、装载量、航速及各种天气、海况,在自动舵系统中,根据上述要求应进行适当的调节。1)灵敏度/天气调节。灵敏度是指系统开始投入工作时的最小偏航角。根据天气、海况而进行调节。在风浪静的情况下,灵敏度要调高一些;但在大风大浪的情况下,应适当降低自动操舵的灵敏度。
2)舵角比例调节。偏舵角与偏航角之比例关系。舵角比例过小,就不能产生足够的转船力矩,回转性能不好;过大,使船舶可能回转过头,稳定性差,还会降低船舶航速。要根据船型、装载、航速等情况调节舵角比例,以获得一个合适的舵角比。
3)反舵角(制动舵角/稳舵角/纠偏舵角)调节。船舶在偏离正航向时,自动舵能使船舶恢复到原来的正航向上,船舶在恢复到原来的正航向过程中,作“S”形衰减振荡航行,为了使船舶尽快地恢复到正航向,必须具有微环节,以得到需要的反舵角。制动舵角根据机构游隙编程予以补偿,消除机械方面造成的振荡。
4)压舵角调节。为了纠正船舶由于受到单侧风浪、水流等因素影响而引起的不对称偏航或单侧偏航,自动舵中应当设有自动压舵和人工压舵调节。
5)航向(小舵角)调节。在自动操舵运行中,可以通过航向调节改变船舶的给定航向,使船舶在新的航向上航行。
6)P、I、D参数自动调节。既可以手动调节,也可以自动整定,手动—自动切换无扰动。PID参数棒壮图、数字、过程曲线3种显示方式。
7)航向设定、舵角给定。分别通过模拟电位器送入PLC刻度化,在HMI上以棒状图、趋势图、模拟表显示。
8)限幅及允许偏航角设定。限幅与左右满舵相对应,保证舵机有效工作范围。实际航向与给定航向的允许偏差可以修改,如果太小容易引起频繁操舵,太大则在给定航线上的Z字型振荡幅度大。
自动舵控制回路结构如图2所示。
自动舵、随动舵和应急舵,可以通过HMI随机选择。使用时首先接通总电源开关给系统供电,然后启动舵机,将舵机油泵选择开关打到№1或№2,之后将操舵方式选择开关转换到相应的操舵方式上进行操舵。
1)应急舵。搬动应急操舵手柄进行左舵或右舵操作。此时舵角表将显示相应的实际舵角,船舶转向,电罗经显示船舶的实际航向。如果停止搬动应急手柄,则舵角表将停止在相应的舵角或自动回零。
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2)随动舵。发出舵角指令后,不仅可使舵按指定方向转动,而且在舵转到指令舵角后还能自动停止。使用时转动随动舵操舵手轮到某一位置,舵令表将同步指示该位置所对应的舵角,此时舵机将带动舵叶按照一定的速度转到舵令表所指示的舵角,舵角表将滞后于舵令表而按照实际舵叶的转动速度转到舵令表所指示的舵角(满舵时间≤28 s)。电罗经显示船舶的实际航向。
3)自动舵。在船舶长时间沿指定航向航行时使用,它能在船因风、浪、流及螺旋桨的不对称作用等造成偏航时,靠罗经测知并自动发出信号,使操舵装置改变舵角,以使船舶能够自动地保持既定的航向航行。使用时首先设定航向,此航向应与船舶实际航向即电罗经的指示大体相一致,船舶在航行发生偏航时即通过自整定PID功能连续自动输出相应的舵角,使船舶航向恢复到设定的航向上来。
通过改变相应的参数(灵敏度、比例、积分、微分)可以改变自动舵的输出特性。
4 结论
半导体分立元件、集成电路设计的船舶自动舵,由于船上的工作环境恶劣,对十几年以上船龄的船舶来说,印刷电路板的寿命和可靠性大大降低,稳定性差,出现的故障率很高。而数字化、微机化设计的自动舵实现的成本高。但利用PLC实用新技术,提高船舶舵机的控制功能,将会取得良好的控制效果。PLC适应船舶恶劣环境,可靠性高,功能强,价格便宜,编程调试方便。PLC自动舵能适用于船舶不同的排水量、航速、天气、海况,实现PID的自整定功能和PID参数配方管理,使PLC自动舵在调节过程中具有良好的动态和静态特性。维修成本低,操作管理方便,并且PLC能动态显示舵机状态,便于在线故障诊断。
参考文献
[1]张桂臣,何文雪.船舶舵机控制系统故障分析及其改造[J].船舶工程, 2006 (5): 78-81.
[2]冒天诚.船舶电力拖动自动控制系统[M],人民交通出版社, 1981.
[3]张桂臣,任光.船舶自动舵控制系统实施改造的研究及实现[J].中国造船, 2006 (12): 111-114.
[4]费千.船舶辅机[M].大连海事大学出版社, 1994.
[5]王贤惠,陆祥润.船舶自动控制理论及应用[M].科学技术文献出版社, 1992
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,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,而不必停机再次做组态。
由于船舶的大惯性、大滞后和慢响应,会引起船舶围绕给定航线连续地振荡运动。船舶航线为Z字型,为了使船舶在给定航向转向点附近的航迹偏差较小,且减小在给定航线上的振荡幅度,实现光滑转换, PLC自动舵必须增加一些补偿功能[8]。
PLC自动舵除具备PID参数自整定功能外,航向整定、舵角设定值的大小功能数字显示,具有自动偏航报警功能(偏航角≥5°)、舵角比(GAIN)调节(能产生足够大的转船力矩)、限幅功能、反舵角(制动舵角)调节、压舵角调节、灵敏度/天气(DEAD BAND)调节(风平浪静时高,大风浪时低)、小舵角航向调节、游隙机构补偿功能,这些功能分别由S7-200PLC的子程序实现。
为了使船舶转向平稳,减小冲过头的幅度,使船舶在转向点附近航迹偏差小且减小在给定航线上的振荡,实现平滑转向。由于船上没安装旋回角速度传感器,追随性指数T和旋回性指数K开环测试不方便,在线辨识和参数估计又较难,因此根据驾驶员的经验来编程实现。变增益调节根据船速、偏舵角和船的惯性来综合考虑,追求转向均匀为控制目标。
图1所示为S7-200PLC设计的船舶自动舵框图。图中,Ⅰ-在触摸屏上进行整定和显示;Ⅱ-在触摸屏只进行显示;Ⅲ-操舵模式在触摸屏操作和显示,其它4个只进行显示;Ⅳ-通过增量式编码器把电罗经的实际航向采集到PLC,使用HSC指令;Ⅴ-舵令和实际舵角;Ⅵ-开关量输入;Ⅶ-开关量输出。随动操舵、应急操舵时,驾驶员能看到舵令表、实际舵角和实际航向。自动操舵时,只需实际航向和给定航向。
3 S7-200PLC船舶自动舵实现的功能
为了使同一型号的自动舵装置能够适用于不同的排水量、装载量、航速及各种天气、海况,在自动舵系统中,根据上述要求应进行适当的调节。1)灵敏度/天气调节。灵敏度是指系统开始投入工作时的最小偏航角。根据天气、海况而进行调节。在风浪静的情况下,灵敏度要调高一些;但在大风大浪的情况下,应适当降低自动操舵的灵敏度。
2)舵角比例调节。偏舵角与偏航角之比例关系。舵角比例过小,就不能产生足够的转船力矩,回转性能不好;过大,使船舶可能回转过头,稳定性差,还会降低船舶航速。要根据船型、装载、航速等情况调节舵角比例,以获得一个合适的舵角比。
3)反舵角(制动舵角/稳舵角/纠偏舵角)调节。船舶在偏离正航向时,自动舵能使船舶恢复到原来的正航向上,船舶在恢复到原来的正航向过程中,作“S”形衰减振荡航行,为了使船舶尽快地恢复到正航向,必须具有微环节,以得到需要的反舵角。制动舵角根据机构游隙编程予以补偿,消除机械方面造成的振荡。
4)压舵角调节。为了纠正船舶由于受到单侧风浪、水流等因素影响而引起的不对称偏航或单侧偏航,自动舵中应当设有自动压舵和人工压舵调节。
5)航向(小舵角)调节。在自动操舵运行中,可以通过航向调节改变船舶的给定航向,使船舶在新的航向上航行。
6)P、I、D参数自动调节。既可以手动调节,也可以自动整定,手动—自动切换无扰动。PID参数棒壮图、数字、过程曲线3种显示方式。
7)航向设定、舵角给定。分别通过模拟电位器送入PLC刻度化,在HMI上以棒状图、趋势图、模拟表显示。
8)限幅及允许偏航角设定。限幅与左右满舵相对应,保证舵机有效工作范围。实际航向与给定航向的允许偏差可以修改,如果太小容易引起频繁操舵,太大则在给定航线上的Z字型振荡幅度大。
自动舵控制回路结构如图2所示。
自动舵、随动舵和应急舵,可以通过HMI随机选择。使用时首先接通总电源开关给系统供电,然后启动舵机,将舵机油泵选择开关打到№1或№2,之后将操舵方式选择开关转换到相应的操舵方式上进行操舵。
1)应急舵。搬动应急操舵手柄进行左舵或右舵操作。此时舵角表将显示相应的实际舵角,船舶转向,电罗经显示船舶的实际航向。如果停止搬动应急手柄,则舵角表将停止在相应的舵角或自动回零。
2)随动舵。发出舵角指令后,不仅可使舵按指定方向转动,而且在舵转到指令舵角后还能自动停止。使用时转动随动舵操舵手轮到某一位置,舵令表将同步指示该位置所对应的舵角,此时舵机将带动舵叶按照一定的速度转到舵令表所指示的舵角,舵角表将滞后于舵令表而按照实际舵叶的转动速度转到舵令表所指示的舵角(满舵时间≤28 s)。电罗经显示船舶的实际航向。
3)自动舵。在船舶长时间沿指定航向航行时使用,它能在船因风、浪、流及螺旋桨的不对称作用等造成偏航时,靠罗经测知并自动发出信号,使操舵装置改变舵角,以使船舶能够自动地保持既定的航向航行。使用时首先设定航向,此航向应与船舶实际航向即电罗经的指示大体相一致,船舶在航行发生偏航时即通过自整定PID功能连续自动输出相应的舵角,使船舶航向恢复到设定的航向上来。
通过改变相应的参数(灵敏度、比例、积分、微分)可以改变自动舵的输出特性。
4 结论
半导体分立元件、集成电路设计的船舶自动舵,由于船上的工作环境恶劣,对十几年以上船龄的船舶来说,印刷电路板的寿命和可靠性大大降低,稳定性差,出现的故障率很高。而数字化、微机化设计的自动舵实现的成本高。但利用PLC实用新技术,提高船舶舵机的控制功能,将会取得良好的控制效果。PLC适应船舶恶劣环境,可靠性高,功能强,价格便宜,编程调试方便。PLC自动舵能适用于船舶不同的排水量、航速、天气、海况,实现PID的自整定功能和PID参数配方管理,使PLC自动舵在调节过程中具有良好的动态和静态特性。维修成本低,操作管理方便,并且PLC能动态显示舵机状态,便于在线故障诊断。
参考文献
[1]张桂臣,何文雪.船舶舵机控制系统故障分析及其改造[J].船舶工程, 2006 (5): 78-81.
[2]冒天诚.船舶电力拖动自动控制系统[M],人民交通出版社, 1981.
[3]张桂臣,任光.船舶自动舵控制系统实施改造的研究及实现[J].中国造船, 2006 (12): 111-114.
[4]费千.船舶辅机[M].大连海事大学出版社, 1994.
[5]王贤惠,陆祥润.船舶自动控制理论及应用[M].科学技术文献出版社, 1992
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