一种船舶自动舵航向控制模拟系统的制作方法

专利2022-05-09  28


本实用新型涉及现代化船舶领域,尤其涉及一种船舶自动舵航向控制模拟系统。



背景技术:

目前海事院校及培训机构所具有的船舶操舵仪模拟器,采用西门子plcs7-200或自制电路板为核心的操舵仪模拟,所用的舵角表、电罗经、操舵轮等多是自制的或陆用的,而不是船级社认证的船用产品,仅仅满足值班水手利用舵轮的操作训练,不能满足轮机员、电机员、驾驶员、轮机专业学生和船舶电子电气专业学生的教学培训要求。

另一方面,当前的船舶操舵仪模拟器仅仅模拟了驾驶台上的操舵仪,仅仅仿真了舵角对航向作用效果,船舶大小、装载情况、风浪情况、航速情况的仿真通过改变时间常数、增益、反映船艏变化速率快慢效果来模拟的,相关文献及专利都采用惯性环节来描述的,当前这些船舶操舵仪模拟器都是操舵过程的训练模拟和操舵效果的仿真,而不是真正意义上的船舶自动舵航向控制系统的模拟仿真,这对没有上船工作的学生来说训练是可行的,但对具有船上工作经验的水手操舵仪培训是不适合的,而对轮机员、电机员、驾驶员的自动操舵仪教学培训是无用的。



技术实现要素:

本实用新型的目的在于提供一种船舶自动舵航向控制模拟系统,从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的,本实用新型采用的技术方案如下:

一种船舶自动舵航向控制模拟系统,包括操舵仪、舵机房和舵机;所述操舵仪包括控制主板、实际舵角表、罗经盘、舵令表、舵轮和舵机信号显示装置;所述舵机房包括舵机控制箱、舵机接线箱、舵机启动屏和舵角反馈装置;所述舵机包括油泵、电磁阀、转舵机构和舵叶;

所述控制主板分别连接所述实际舵角表、所述罗经盘、所述舵轮和所述舵机信号显示装置,所述舵轮与所述舵令表相连;所述舵机控制箱分别连接所述控制主板、所述舵机接线箱、所述舵机启动屏和所述舵角反馈装置;所述舵机接线箱连接油泵,所述油泵通过液压管路连接所述电磁阀,所述电磁阀连接所述转舵机构,所述转舵机构与所述舵叶进行配合连接;所述舵叶与所述舵角反馈装置相连;

所述舵轮转动带动所述舵叶的偏转,并由所述舵令表显示所述舵轮的转动数据;所述舵叶的偏转角度通过所述舵角反馈装置反馈至所述操舵仪,通过所述实际舵角表显示所述舵叶的偏转角度;所述舵机控制箱接收船舶的舵机信息,并传输到所述操舵仪,通过所述舵机信号显示装置显示接收到的所述舵机信息;所述舵机控制箱通过所述舵机接线箱控制所述油泵从油柜吸油,进入液压管路;所述电磁阀连接于所述液压管路与所述转舵机构之间,控制所述液压管路中的油进入所述转舵机构;所述转舵机构带动所述舵叶进行偏转;所述舵机启动屏控制启动部位。

优选的,所述舵机控制箱与电源相连,并向所述操舵仪、所述电磁阀、所述舵角反馈装置和所述舵机接线箱提供工作电源。

优选的,所述舵机接线箱连接电机,为所述电机提供工作电源,所述电机带动所述油泵进行工作,从所述油柜中吸油。

优选的,转舵机构包括转舵油缸、转舵臂和舵柱;所述转舵油缸连接所述转舵臂,所述转舵臂带动所述舵柱进行转动,所述舵柱带动所述舵叶进行偏转。

优选的,所述操舵仪还包括操舵模式选择开关、电源开关和手柄;所述操舵模式选择开关包括自动模式、随动模式和应急操舵模式,当处于所述自动模式和所述随动模式时,通过所述舵轮控制所述舵叶的偏转角度,当处于所述应急操舵模式时,通过所述手柄控制所述舵叶的偏转角度;所述电源开关连接所述舵机控制箱,为所述操舵仪提供工作电源。

优选的,所述油泵组包括主泵和辅泵。

优选的,所述舵机信号显示装置包括船位显示屏、监测报警屏、参数显示屏、操作界面和光柱表;所述船位显示屏显示所述船舶的经纬度,记录所述船舶的轨迹,所述检测报警屏显示船舶系统出现的故障,并发出声光报警;所述参数显示屏显示操舵模式、油泵选择、船舶信息,以及实际舵机、设定舵角、设定航向和实际航向的历史曲线和数据。

优选的,所述舵机房设置有两个,分别为主舵机房和应急舵机房;所述主舵机房通过主配电盘提供工作电源,所述应急舵机房通过应急配电盘提供工作电源。

优选的,还包括油泵组选择开关,所述油泵组选择开关控制所述舵机房的选择。

优选的,还包括应急按钮,当所述舵机存在故障时,按下所述应急按钮,可使所述操舵仪停止工作。

本实用新型的有益效果是:本实用新型公开了一种船舶自动舵航向控制模拟系统,将船舶航向控制系统的操舵仪、控制箱和舵机等均采用船级社认证的实物进行模拟,而不是采用仿真技术,使教学过程中的体验感更强;其中针对航海过程中的多种实际情况,均可具体模拟,使船舶航向控制教学更具可靠性;本实用新型的真实性更强、可靠性更高;另外,本实用新型采用触摸屏和多媒体设备,使整个操作过程以及操作效果可视化,对航向控制的效果进行动态显示,使学生在培训过程中的真实感更强,提高了原有船舶航向控制教学的互动性。本实用新型将船舶自动舵航向控制系统的组成设备和知识点进行统一整合,满足了不同专业、不同学历层次的教学培训需求,填补了船舶自动舵航向控制教学行业的空白。

附图说明

图1是船舶自动舵航向控制模拟系统设计图;

图中,1—实际舵角表,2—罗经盘,3—舵令表,4—舵轮,5—操舵模式选择开关,6—电源开关,7—油泵组选择开关,8—转舵油缸,9—舵臂,10—舵柱,11—舵叶。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。

一种船舶自动舵航向控制模拟系统,具体结构如图1所示,包括操舵仪、舵机房和舵机;所述操舵仪包括控制主板、实际舵角表、舵轮、舵令表和舵机信号显示装置;所述舵机房包括舵机控制箱、舵机启动屏、舵机接线箱和舵角反馈装置;所述舵机包括电机、油泵、电磁阀、转舵机构和舵叶;

所述舵机控制箱连接电源,为所述船舶自动舵航向控制模拟系统提供工作电源,所述舵机控制箱与所述舵机启动屏、所述舵机接线箱和所述舵角反馈装置分别相连;所述控制主板与所述舵机控制箱进行通讯连接,通过所述舵机控制箱接收舵机信号,并传输至所述控制主板,所述控制主板与所述实际舵角表、所述舵轮、所述舵机信号显示装置分别连接;所述舵机接线箱连接所述电机,为所述电机提供工作电源,所述电机连接所述油泵;所述电磁阀与所述舵机控制箱之间进行电连接,所述电磁阀安装于所述转舵机构进口处,控制所述转舵机构的进油和泄油;所述转舵机构与所述舵叶进行配合连接,所述舵叶与所述舵角反馈装置相连接;

所述舵轮旋转带动电位器旋转,所述电位器产生与所述舵轮旋转接角度成正比的舵令信号,所述电位器对所述舵令信号进行信息处理,并将所述处理后的信息传输进入所述控制主板和所述舵令表,所述控制主板将所述舵令信号传输至所述舵机信号显示装置和所述舵机控制箱,由所述舵轮操控所述舵叶的偏转角度,所述舵令表显示所述舵轮的旋转角度数据;所述控制主板将所述舵机信号传输至所述舵机信号显示装置,对所述舵机信号进行显示;所述油泵从油柜中吸油进入液压管路,所述液压管路通过所述电磁阀接通所述转舵机构,所述转舵机构转动带动所述舵叶进行偏转;所述舵角反馈装置采集所述舵叶的偏转角度,形成实际舵角数据,通过所述舵机控制箱传输至所述操舵仪,由所述实际舵角表进行显示,并传输至所述舵机信号显示装置。

所述操舵仪还包括操舵模式选择开关(mode)、电源开关(power)、手柄和应急按钮(em);所述应急按钮与所述电源开关相串联;当所述舵机存在故障时,按下所述应急按钮,可使所述操舵仪停止工作;所述电源开关连接所述舵机控制箱,为所述操舵仪提供工作电源,当所述电源开关扳到左边,左边白色指示灯亮,表明已经接通电源,但不向操舵仪供电;当所述电源开关扳到右边,右边绿色指示灯亮,表明操舵仪已经进行供电,舵机信号显示装置、舵角表和舵令表均有显示、相应的指示灯亮;所述操舵模式选择开关分别连接所述舵轮、所述手柄和所述控制主板,所述电源开关连接于所述控制主板和所述舵机控制箱之间;所述操舵模式选择开关有三个位置,从左到右分别对应设置有自动模式、随动模式和应急操舵模式的指示灯,当处于所述自动模式和所述随动模式时,所述操舵模式选择开关与所述舵轮进行连通,通过所述舵轮控制所述舵叶的偏转角度,当所述操舵仪的自动模式和随动模式失灵时,所述操舵仪处于所述应急操舵模式,所述操舵模式选择开关与所述手柄进行连通,通过所述手柄控制所述舵叶的偏转角度,所述手柄位于中位(st)时,是停止位;手柄左扳到左舵位(l)时,所述舵叶往左偏;手柄右扳到右舵位(l)时,所述舵叶往右偏;

所述舵机信号显示装置包括、罗经盘、船位显示屏、监测报警屏、操作界面、参数记录显示屏和光柱表,所述船位显示屏、所述监测报警屏、所述操作界面和所述参数记录显示屏为触摸屏;所述船位显示屏就是显示船舶的经纬度位置,记录船舶轨迹;所述触摸屏监测报警屏,当系统出现电源故障、电机故障、油压低故障、油位低故障、油温高故障、滤器堵塞故障、通讯故障、航向偏差太大报警等时发出声光报警,可进行应答消声、确认消闪、复位功能;所述屏参数记录显示屏,显示选择的那种操舵模式、选择的几号油泵运行、显示操纵部位,显示模拟的船速、水深、船载轻重、大/小船,显示实际舵角、设定舵角、设定航行、实际航向,这四个参数以历史曲线显示和数字显示;所述光柱表显示船舶艏向变化速率的,可判断船舶惯性大小,提前用舵;所述罗经盘显示船舶的航向,显示的数据是控制主印刷电路板(pcb)运行船舶运动模型得出的数值。

所述转舵机构包括转舵油缸、转舵臂和舵柱;所述转舵油缸通过所述电磁阀与所述液压管路相连通,所述转舵油缸连接所述转舵臂,所述转舵臂带动所述舵柱进行转动,所述舵柱带动所述舵叶进行偏转。

所述舵机房共设有两个,分别为主舵机房和应急舵机房,所述主舵机房通过主配电盘提供工作电源,所述应急舵机房通过应急配电盘提供工作电源;所述油泵包括主泵和辅泵,共设有两组油泵组,分别受到所述主舵机房和应急舵机房的控制;所述操舵仪上还包括油泵组选择开关,当所述油泵组选择开关在中位时,白灯亮,指示泵组电机接通电源,当所述油泵组选择开关扳在左位时,选用所述主舵机房接通电源和接入舵机信号,当所述油泵组选择开关扳在右位时,选用所述应急舵机房接通电源和接入舵机信号;所述舵机启动屏中设置有遥控位(remote)和机旁位(local),当所述舵机启动屏选择遥控位时,所述油泵组可以通过所述操舵仪控制启动;当所述舵机启动屏选择遥控位时,则在操舵仪上不能起动,所述油泵组可以通过所述舵机启动屏控制启动;正常情况下选择开关要放在遥控(remote)位置,只有在舵机房检修是放在机旁(local)位置。

所述舵机房还包括限位开关,每组所述限位开关包括左右两个,均连接所述舵叶,限制所述舵叶向左或向右的偏转角度。

所述实际舵角表和所述电罗经与所述控制主板通过rs485进行通讯连接;所述舵令信号通过rs485通讯方式送入所述控制主板;所述舵机控制箱通过现场总线canbus与所述操舵仪进行通讯相联,将所述舵角反馈装置反馈的形成实际舵角数据送入所述操舵仪的所述控制主板。

实施例

本实施例中的船舶自动舵航向控制模拟系统,所述操作界面上进行参数设定。

所述操作界面上进行参数设定包括舵角比舵调节参数、压舵参数、当舵参数、灵敏度调节参数和模拟条件选择参数;

所述舵角比舵调节参数为舵角比指偏舵角β与船舶偏航角φ大小成比例(kp)。kp过小,不能产生足够的转船力矩,回转性能不好;kp过大,使船回转过头,稳定性变坏,降低航速。根据船舶大小、船型、装载情况及航速来选择舵角比例系数kp。

所述压舵参数为偏舵角β与偏航角的积分∫φdt(误差随时间的积累)成比例(ki)的积分作用,即压舵角。压舵作用在于消除船舶因船型不对称、装载不对称、螺旋浆不对称或船舶受单侧风浪流的影响产生持续的单侧横向力干扰,偏航角在不灵敏区(死区)所引起的横向移动距离(不灵敏区是在△φ较小时,自动舵不起调节作用),使船舶形成向某一侧的小偏航。积分作用产生一个相应的固定偏舵角,对船舶形成一个固定的转船力矩,用以平衡单侧横向干扰力。

如果由于某种原因引起船舶的瞬时偏航,后来立即消失,因为作用时间短,不影响整个航向,所以对其平均航向没有偏移,无需发出校正动舵信号。有时在船舶给定的航向两侧均匀摇摆,经过比较长的时间后,其平均航向仍在正航向上,也无需使舵动作。仅当船舶在偏航死区内左右摇摆不均匀,平均航向偏离正航向一侧,且又持续了很长一段时间,则偏航积分作用发出信号,予以校正。自动舵虽能纠偏使船舶返回正航向,但对船舶的横向漂移却无能为力,需利用gps定位系统来实现航线控制。

所述当舵参数为偏舵角β与偏航角φ变化速度大小成比例(kd)的微分作用,即稳舵角、反舵角。微分作用具有“超前”的校正控制效果,可提高系统的灵敏度。比例系数kp与微分系数kd选择不当,将影响航行质量。

当载荷增加而船速减慢时,相对于kp将kd的值调得过小(即大比例小微分),则比例舵的效果就比微分舵的效果大,船舶以正航向为中心,左右摇摆,逐渐衰减,最后停止在正航向上。反之,相对于kp将kd调得过大(即小比例大微分),则微分舵效果更明显,航向不发生摇摆,航迹呈现过阻尼现象,船舶长时间不能恢复到正航向。

所述灵敏度调节参数用于人为设定系统的死区,以调节系统的灵敏度。自动操舵模式下调节航向灵敏度,减少舵频繁摆动次数,防止过载及过度磨损。

所述模拟条件选择参数,在同样的舵机模型下,大船、重载、浅水的情况下舵效相对较弱,要获得同样的转向特性,需要适当地增加转舵角度以弥补舵效的差异,此时需要适当地增加p参数的设定,通常在大船、重载、浅水的模式下,p设定为3-5,而在小船、轻载、深水的模式下,设定为1-3。而积分i与微分d的设定与船舶模型关系不大,与海况关系密切,通常平静海况下i设置为0-3,d设置为0-2;恶劣海况下d设置可以适当偏大,设定为3-6,在有固定方向的洋流或者风力的情况下,i可以适当增大,设置为2-7。

恶劣海况模式下,航向变动剧烈,方向随机,为了减少舵频繁摆动次数,防止过载及过度磨损,灵敏度设置为3-7比较合适。

上述船舶自动舵航向控制模拟系统中的所述操舵仪通过以太网连接多媒体设备,所述控制主板中的舵机信息均可传输至所述多媒体设备中,进行远程显示。

通过采用本实用新型公开的上述技术方案,得到了如下有益的效果:

本实用新型公开了一种船舶自动舵航向控制模拟系统,将船舶航向控制系统的操舵仪、控制箱和舵机等均采用船级社认证的实物进行模拟,而不是采用仿真技术,使教学过程中的体验感更强;其中针对航海过程中的多种实际情况,均可具体模拟,使船舶航向控制教学更具可靠性;本实用新型的真实性更强、可靠性更高;另外,本实用新型采用触摸屏和多媒体设备,使整个操作过程以及操作效果可视化,对航向控制的效果进行动态显示,使学生在培训过程中的真实感更强,提高了原有船舶航向控制教学的互动性。本实用新型将船舶自动舵航向控制系统的组成设备和知识点进行统一整合,满足了不同专业、不同学历层次的教学培训需求,填补了船舶自动舵航向控制教学行业的空白。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。


技术特征:

1.一种船舶自动舵航向控制模拟系统,其特征在于,包括操舵仪、舵机房和舵机;所述操舵仪包括控制主板、实际舵角表、罗经盘、舵令表、舵轮和舵机信号显示装置;所述舵机房包括舵机控制箱、舵机接线箱、舵机启动屏和舵角反馈装置;所述舵机包括油泵、电磁阀、转舵机构和舵叶;

所述控制主板分别连接所述实际舵角表、所述罗经盘、所述舵轮和所述舵机信号显示装置,所述舵轮与所述舵令表相连;所述舵机控制箱分别连接所述控制主板、所述舵机接线箱、所述舵机启动屏和所述舵角反馈装置;所述舵机接线箱连接油泵,所述油泵通过液压管路连接所述电磁阀,所述电磁阀连接所述转舵机构,所述转舵机构与所述舵叶进行配合连接;所述舵叶与所述舵角反馈装置相连;

所述舵轮转动带动所述舵叶的偏转,并由所述舵令表显示所述舵轮的转动数据;所述舵叶的偏转角度通过所述舵角反馈装置反馈至所述操舵仪,通过所述实际舵角表显示所述舵叶的偏转角度;所述舵机控制箱接收船舶的舵机信息,并传输到所述操舵仪,通过所述舵机信号显示装置显示接收到的所述舵机信息;所述舵机控制箱通过所述舵机接线箱控制所述油泵从油柜吸油,进入液压管路;所述电磁阀连接于所述液压管路与所述转舵机构之间,控制所述液压管路中的油进入所述转舵机构;所述转舵机构带动所述舵叶进行偏转,所述舵机启动屏控制启动部位。

2.根据权利要求1所述的船舶自动舵航向控制模拟系统,其特征在于,所述舵机控制箱与电源相连,并向所述操舵仪、所述电磁阀、所述舵角反馈装置和所述舵机接线箱提供工作电源。

3.根据权利要求1所述的船舶自动舵航向控制模拟系统,其特征在于,所述舵机接线箱连接电机,为所述电机提供工作电源,所述电机带动所述油泵进行工作,从所述油柜中吸油。

4.根据权利要求1所述的船舶自动舵航向控制模拟系统,其特征在于,转舵机构包括转舵油缸、转舵臂和舵柱;所述转舵油缸连接所述转舵臂,所述转舵臂带动所述舵柱进行转动,所述舵柱带动所述舵叶进行偏转。

5.根据权利要求1所述的船舶自动舵航向控制模拟系统,其特征在于,所述操舵仪还包括操舵模式选择开关、电源开关和手柄;所述操舵模式选择开关包括自动模式、随动模式和应急操舵模式,当处于所述自动模式和所述随动模式时,通过所述舵轮控制所述舵叶的偏转角度,当处于所述应急操舵模式时,通过所述手柄控制所述舵叶的偏转角度;所述电源开关连接所述舵机控制箱,为所述操舵仪提供工作电源。

6.根据权利要求1所述的船舶自动舵航向控制模拟系统,其特征在于,所述油泵包括主泵和辅泵。

7.根据权利要求1所述的船舶自动舵航向控制模拟系统,其特征在于,所述舵机信号显示装置包括船位显示屏、监测报警屏、参数显示屏、操作界面和光柱表;所述船位显示屏显示所述船舶的经纬度,记录所述船舶的轨迹,所述监测报警屏显示船舶系统出现的故障,并发出声光报警;所述参数显示屏显示操舵模式、油泵选择、船舶信息,以及实际舵机、设定舵角、设定航向和实际航向的历史曲线和数据。

8.根据权利要求1所述的船舶自动舵航向控制模拟系统,其特征在于,所述舵机房设置有两个,分别为主舵机房和应急舵机房;所述主舵机房通过主配电盘提供工作电源,所述应急舵机房通过应急配电盘提供工作电源。

9.根据权利要求8所述的船舶自动舵航向控制模拟系统,其特征在于,还包括油泵组选择开关,所述油泵组选择开关控制所述主舵机房和所述应急舵机房的应用选择。

10.根据权利要求1所述的船舶自动舵航向控制模拟系统,其特征在于,还包括应急按钮,当所述舵机存在故障时,按下所述应急按钮,可使所述操舵仪停止工作。

技术总结
一种船舶自动舵航向控制模拟系统,将船舶航向控制系统的操舵仪、控制箱和舵机等均采用船级社认证的实物进行模拟,而不是采用仿真技术,使教学过程中的体验感更强;其中针对航海过程中的多种实际情况,均可具体模拟,使船舶航向控制教学更具可靠性;本实用新型的真实性更强、可靠性更高;本实用新型将船舶自动舵航向控制系统的组成设备和知识点进行统一整合,满足了不同专业、不同学历层次的教学培训需求,填补了船舶自动舵航向控制教学行业的空白。

技术研发人员:孙增华
受保护的技术使用者:青岛港湾职业技术学院
技术研发日:2020.11.09
技术公布日:2021.07.27

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