Đang tải... (xem toàn văn)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA : ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN
Chơng I Hệ thống lái tự động tàu thuỷ 1.1. Chức năng, yêu cầu, phân loại hệ thống lái: 1.1.1 Khái niệm Trên tàu thuỷ hệ thống lái là một hệ thống đặc biệt quan trọng. Nó đảm nhiệm chức năng ổn định con tàu theo hớng đi cho trớc, nhanh chóng thay đổi hớng đi của tàu theo hớng đi đã đặt, điều động tàu khi ra vào cảng, luồng lạch, Với tải trọng định mức, hệ thống lái phải làm việc an toàn, tin cậy trong mọi điều kiện thời tiết và khí hậu. Ngoài việc giữ cho con tàu đi đúng hớng, hệ thống lái còn phải đảm bảo cho tàu đi theo một con đòng gần nhất và thời gian hành trình đợc rút ngắn. Nếu hệ thống lái đợc thực hiện tốt những chức năng trên thì hiệu quả kinh tế trong vận chuyển hàng hoá sẽ đợc tăng cao, con ngời và thiết bị trên tàu sẽ đợc đảm bảo an toàn. Ngợc lại nếu hệ thống không đáp ứng đầy đủ những chức năng đó thì nó có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng làm thiệt hại đến hàng hoá trên tàu và tính mạng của thuyền viên. Hiện nay nhờ việc ứng dụng những thành tựu của khoa học và công nghệ hiện đại, các hãng sản xuất đã liên tục cải tiến hệ thống lái để nó luôn thích ứng đợc với những yêu cầu cao hơn đợc đặt ra. Những hệ thống lái này có thể hoạt động dài ngày trên biển với độ tin cậy lớn trong điều kiện khắc nghiệt của môi trờng. Đó là các lái tự động hành trình theo quĩ đạo, tự thích nghi, tối u, kinh tế Nó có kết cấu gọn nhẹ, điều khiển đơn giản và tính kinh tế cao 1.1.2. Yêu cầu: 1.1.2.1. Điều kiện làm việc của hệ thống lái: Môi trờng hoạt động của con tàu là trên biển lên các hệ thống nói chung và hệ thống lái nói riêng hoạt động trong điều kiện hết sức khắc nghiệt: - Sự thay đổi nhiệt độ môi trờng là rất lớn, có vùng lạnh -30 0 C, có vùng nóng hơn 45 0 C. Điều này ảnh hởng rất lớn đến đièu kiện toả nhiệt cũng nh khả năng công tác của hệ thống. - Độ ẩm môi trờng dao động lớn 80% ữ 90% Độ ăn mòn đối với thiết bị lớn vì môi trờng biển có nồng độ muối rất cao. - Các thiết bị trên tàu chịu sự rung lắc lớn, biên độ lắc ngang 22 0 với chu kỳ 8 ữ 22s, biên độ lắc dọc đến 10 0 với chu kỳ dao động 6 ữ 10s. Với những điều kiện trên để đảm bảo hiệu quả kinh tế, độ an toàn cho tàu và ngời vận hành thì hệ thống lái phải đợc chế tạo chắc chắn, kết cấu gọn nhẹ, dễ lắp đặt, hoạt động một cách tin cậy, dễ dàng sửa chữa, bảo dỡng và thay thế, vận hành khai thác đơn giản, an toàn. 1.1.2.2. Yêu cầu khai thác: 1. - Hệ thống điều khiển cho phép chỉnh định các thông số khi điều kiện khai thác của tàu thay đổi để đáp ứng đợc yêu cầu về chất lợng và an toàn của hệ thống. Trong chế độ tự động phải giữ cho con tàu chuyển động theo hớng đi cho trớc với tốc độ chính xác 1 0 trong điều kiện vận tốc của tàu V t 6 hải lý/h và không phục thuộc vào trạng thái mặt biển cũng nh trọng tải thực của tàu. = 0 - tb LÊ THANH HạNH : lớp dtt45-đh 1 tb = n n 1 i (n 30 lần trong 2 hải lý) : sai số trung bình 2. Biên độ dao động trung bình của con tàu so với hớng đi cho trớc không vợt quá 1 0 khi sóng biển không quá cấp 3 và tốc độ tàu V t 6 Hlý/h và không vợt quá từ 2 3 0 khi sóng biển không quá cấp 6. Khi sóng biển quá cấp 6 biên độ dao động trung bình 4 ữ 5 0 . 3. HT lái tự động phải đảm bảo có thể thay đổi hớng đi của con tàu. Trong quá trình thay đổi đó ta phải thay đổi từ từ, mỗi lần chỉ thay đổi khoảng không quá 10% tổng giá trị thay đổi hớng đi. Thực tế thay đổi khoảng 5 0 một lần, tránh xảy ra lật tàu. Với tàu chở chất lỏng, chở nớc sự hớng đi phụ thuộc vào tốc độ góc cho phép. 4 HT có khả năng cho pháp chỉnh định các thống số của ht khi chế độ chuyển động của con tàu và điều kiện trạng thái mặt biển thay đổi để đảm bảo chất lợng an toàn cho ht. 5. HT phải đảm bảo có thể điều khiển đợc ở 3 chế độ lái + Lái đơn giản dùng khi có sự cố + Lái lặp (truy theo) dùng khi tàu điều động ra vào biến và thay đổi hớng đi. + Lái tự động (ổn định hớng đi) dùng cho tàu khi hành trình trên biển. 6. HT phải đảm bảo thuận lợi khi khai thác chỉ có một ngời phải có tín hiệu báo động khi khai thác bằng đèn và còi: mất nguồn la bàn, mất nguồn máy lái, ht lái quá tải, lệch hớng đi quá góc cho phép 7. Hệ thống hoạt động an toàn, hoàn thành mọi chức năng quy định khi tàu lắc ngang 22 0 chu kỳ 8 ữ 22s hoặc chúi dọc 10 0 chu kỳ 6 ữ 10s, chịu đợc rung có tần số 5 ữ 30 Hz, biên độ 0,3 ữ 3,5 mm. Hệ thống đảm bảo độ chính xác cho trớc khi nhiệt độ môi trờng thay đổi trong khoảng -10 ữ +50 0 . độ ẩm 90 - 95%. 8. Tất cả các phần về mạch điện của ht phải có bảo vệ ngắn mạch. 1.1.2.3. Yêu cầu về cấu trúc 1. Cấu trúc các khí cụ và các phản ứng của ht thì phải có khả năng l/v tin cậy trong thời gian ít nhất là 10 năm. Trong thời gian đó phải đảm bảo các yêu cầu về khai thác đã nêu ở trên, phải chịu đợc thử thách về cơ học, thời tiết 2. Cấu trúc các phân tử phải đơn giản, thuận tiện, an toàn cho việc sửa chữa, bảo quản. Trụ điều khiển đặt ở buồng lái phải kín nớc, các thiết bị đặt ở buồng máy lái phải chống nớc (chiếu tia nớc bắn vào). 3. Hoạt động của ht không gây nhiễu đối với thiết bị vô tuyến quá mức cho phép. 4. Thiết bị chỉ thị, chỉnh định cũng nh là các cơ cấu điều khỉên cần bố trí trên bề mặt trụ điều khiển hay là nơi thuận tiện cho khai thác, bên cạnh phải có biển ghi chức năng. 5. Trụ điều khiển phải có đèn chiếu sáng riêng ở bảng chia độ, cờng độ sáng có thể điều chỉnh đợc từ 0 ữ max. Cần có biện pháp đề phòng điện giật đối với ngời sử dụng khi tháo mở quan sát các thiết bị. 6. Các nắp đậy, các cửa phải đợc mở cửa dễ dàng khi sửa chữa, bảo quản,. 7. Vỏ máy, phải đợc nối đất bảo vệ 8. Các cơ cấu điều khiển, các núm điều chỉnh cần cố định vị. LÊ THANH HạNH : lớp dtt45-đh 2 9. Bề mặt khí cụ cần bọc lớp chống rỉ, không cho phép dùng Al hoặc hợp kim Al để chế tạo các kinh kiện dẫn điện không nên dùng các kim loại dễ nóng chảy khác. 1.1.3. Phân loại: 1.1.3.1. Phân loại theo hình dạng của bánh lái: - Hệ thống có bánh lái hình lá có phần bù. - Hệ thống có bánh lái hình lá không có phần bù. - Hệ thống có bánh lái dạng (Propin) có phần bù. - Hệ thống có bánh lái dạng (Propin) không có phần bù. 1.1.3.2. Phân loại theo chế độ công tác của hệ thống: Hệ thống lái đơn giản: Là hệ thống mà vị trí của bánh lái không phụ thuộc vào vị trí của tay điều khiển, bánh lái còn di chuyển khi tay điều khiển còn nằm ngoài vị trí 0. Nó chỉ dừng khi di chuyển khi tay điều khiển đợc đa về vị trí 0, ngời điều khiển phải thờng xuyên theo dõi hệ thống chỉ báo góc lái để xác định đợc vị trí thực của bánh lái. Hệ thống lái lặp: Là hệ thống trong đó vị trí thực của bánh lái luôn luôn trùng với vị trí thực của tay điều khiển. Hệ thống chỉ báo góc lái chỉ nhằm giúp con ngời điều khiển kiểm tra tính chính xác trong hoạt động của hệ thống. Hệ thống lái tự động: Là hệ thống có khả năng chỉ cho con tàu đi theo một hớng đi đặt trớc không cần có sự tác động của con ngời. * Các hệ thống lái tự động mới hiện nay còn thực hiện các chức năng cao hơn nh tự thích nghi theo thời tiết nh tự động điều chỉnh các tham số điều khiển, điều khiển tối u theo nhiên liệu, quảng đờng 1.1.3.3. Phân loại theo dạng năng lợng truyền động: a. Máy lái điện cơ: Bánh lái đợc truyền động bởi động cơ điện qua cơ cấu truyền cơ khí. LÊ THANH HạNH : lớp dtt45-đh 3 Máy lái điện cơ có cơ cấu truyền dạng dẻ quạt: Ưu điểm: có hiệu suất cao nhất trong máy lái điện cơ, kết cấu đơn giản. Nhợc điểm: Có kích thớc lớn, cồng kềnh khó lắp đặt đối với tàu trọng tải lớn. Máy lái điện cơ có cơ cấu dạng trục vít: Ưu điểm: Kích thớc gọn nhẹ. Nhợc điểm: Hiệu suất thấp. Máy lái điện cơ có cơ cấu truyền dạng xích dây: Ưu điểm: Kết cấu đơn giản. Nhợc điểm: Điều khiển nặng nề, quay trở kém, khó lắp đặt. b. Máy lái Điện - Thuỷ lực: Máy lái Điện - Thuỷ lực tạo mômen quay bánh lái thực hiện nhờ áp lực dầu tác động lên piston trong xylanh. Loại này thờng dùng cho tàu trọng tải lớn, khả năng quay trở lớn, công suất truyền động lớn. Máy lái điện thuỷ lực với bơm lu lợng không đổi: Bơm thuỷ lực luôn tạo ra một lu lợng định mức, việc thực hiện bẻ lái bằng cách điều khiển van điện từ đóng mở đờng dầu cấp vào xylanh thuỷ lực.Ưu điểm: Cho phép thay đổi đột biến năng lợng cấp cho máy lái, tận dụng công suất thiết bị, tốc độ bẻ lái nhanh. Nhợc điểm: Có phần tử rơle làm mất tính tuyến tính của hệ thống, dễ dao động. Máy lái điện thuỷ lực với bơm lu lợng thay đổi: Với loại này, khi không có tín hiệu điều khiển thì lu lợng của bơm bằng không. Điều khiển bánh lái bằng cách điều khiển động cơ điện dịch tâm bơm biến lợng hình sao tạo ra lu lợng thay đổi tuỳ theo tín hiệu bẻ lái để tác động lên hệ thống piston-xylanh làm quay bánh lái. Ưu điểm: hệ thống chỉ chứa các phần tử liên tục, ổn định, độ điều chỉnh láng, chính xác cao. Nhợc điểm: Không sử dụng hết công suất của phần tử, khi có tín hiệu điều khiển bẻ thì thực hiện tác động bẻ lái chậm. 1.1.3.4. Phân loại theo cấu tạo thiết bị điều khiển: a. Hệ thống lái dùng các phần tử điều khiển điện cơ: Thiết bị điều khiển có cấu tạo từ những máy điện đặc biệt công suất nhỏ: Sensin, biến áp quay, máy phát tốc, động cơ dị bộ 2 pha, khuếch đại từ. Ưu điểm: độ tin cậy cao, chắc chắn, chịu quá tải tốt. Nhợc điểm: Kích thớc, trọng lợng lớn, khó chính xác. b. Hệ thống lái dùng các phần tử bán dẫn vi mạch: Thiết bị điều khiển có cấu tạo từ linh kiện bán dẫn: Transistor, IC Ưu điểm: Kích thớc nhỏ, trọng lợng bé, công suất tiêu hao ít, độ tin cậy cao, chính xác, dễ chế tạo thay thế. Nhợc điểm: Đặc tính công tác phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trờng. c. Hệ thống lái dùng các bộ vi xử lý: Trong hệ thống dùng các bộ vi xử lý hoặc máy tính vào làm nhiệm vụ tạo ra bộ PID số, điều chỉnh thời tiết, hiển thị các thông số cần kiểm tra, thay đổi thông số LÊ THANH HạNH : lớp dtt45-đh - 1 - cần thiết có u điểm: Chính xác, tiện lợi cho phép nối với máy tính để tạo ra một mạng điều khiển từ xa và tập trung. 1.1.3.5. Phân loại theo nguyên tắc hoạt động của thiết bị điều khiển: a. Hệ thống hoạt động theo nguyên tắc liên tục: Các phần tử trong hệ thống hoạt động liên tục. Ưu điểm: Đảm bảo độ láng, độ chính xác cao. Nhợc điểm: Khi có nhiều tác động vào làm tín hiệu ra bị méo, không gây đột biến làm chất lợng hệ thống không cao. b. Hệ thống hoạt động theo nguyên tắc không liên tục: Hệ thống có một hoặc nhiều phần tử hoạt động không liên tục. Ưu điểm: Tận dụng tốt công suất của phần tử thực hiện, kết cấu đơn giản, tác động nhanh. Nhợc điểm: Làm mất tuyến tính, gây tác động đột biến cho các phần tử. 1.2. Cấu trúc và thuật toán điều khiển lái tự động 1.2.1. Đặc điểm của đối tợng điều khiển của hệ thống lái tự động là con tàu: Đặc điểm của con tàu là một đối tợng điều khiển có quán tính rất lớn so với các phần tử cấu tạo nên hệ điều khiển, đồng thời nó chuyển động trong môi trờng nớc với tốc độ khác nhau, chịu tác động của sóng, gió, hải lu và có tải trọng khác nhau làm tham số động lực học của con tàu luôn thay đổi theo các điều kiện đó. Vì vậy: - Hệ thống lái tự động phải có tín hiệu phản hồi âm cứng góc bẻ lái thì hệ thống mới hoạt động đợc. - Hệ thống lái tự động có ảnh hởng lớn tới việc khai thác con tàu một cách kinh tế. 1.2.2. Cấu trúc và thuật toán điều khiển cơ bản của hệ thống lái tự động C T K Đ K 1 T H T G M L B L C T f n h i ễ u 0 K 4 L B ( - ) ( - ) Hình 1.2.2 LÊ THANH HạNH : lớp dtt45-đh - 2 - Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ thống lái tự động (hình 1.2.2) 0 : Góc đặt hớng đi cho trớc : Hớng đi thực của con tàu : Độ chênh lệch giứa hớng đi cho trớc và thực tế K 1 : Khối tỉ lệ KĐ: Khối khuếch đại THTG: Khối thực hiện trung gian ML: Máy lái : Góc bẻ lái LB: Phân tử cảm biến hớng đi của tàu CT: Khâu đặt hớng đi cho trớc ĐTĐK (CT): Đối tợng điều khiển ( con tàu ) CCĐK (BL): Cơ cấu điều khiển (bánh lái) K 4 : Tín hiệu phản hồi góc bẻ lái Phơng trình thuật toán điều khiển hệ thống lái tự động cơ bản: y = K1 - K4 Nếu không có tín hiệu phản hồi góc bẻ lái K 4 . thì khi xuất hiện độ lệch hớng đi con tàu so với hớng đi cho trớc thì có y = K 1 , có để làm cho tàu quay ng- ợc lại theo hớng lệch đã xuất hiện nhng do quán tính lớn nên CT sẽ không thể trở lại hớng cũ ngay mà tiếp tục lệch; góc lại tăng theo cho đến khi CT đã đổi hớng đi để trở về hớng cũ thì giảm dần, y giảm dần, giảm dần đến khi CT trở về đợc hớng cũ y = 0, = 0 thì CT lại do quán tính sẽ lại lệch theo hớng ngợc lại, xuất hiện và đổi dấu cứ nh vậy tuỳ vào quán tính con tàu lớn hay nhỏ mà biên độ dao động của nó sẽ lớn hay nhỏ. Có thể thấy nếu mất phản hồi góc bánh lái con tàu sẽ dao động mất tính ổn định. Có phản hồi góc bẻ lái thì khi xuất hiện độ lệch hớng tàu K 1 thì xuất hiện K 4 để triệt tiêu y=K 1 - K 4 luôn (do sự lựa chọn K 1 và K 4 ). Khi tàu trả hớng về hớng đi cho trớc thì giảm theo và do đó cũng sẽ giảm theo và khi = 0 thì = 0.v sau mt vi ln dao ng hng i vi biờn gim dn con tu s tr v hng i cho trc. 1.2.3. Cấu trúc và thuật toán điều khiển hệ thống lái truy theo Sơ đồ cấu trúc của hệ thống lái lặp (hình 1.2.3) C T K Đ K 1 T H T G M L B L C T f n h i ễ u 0 0 K 4 ( - ) y Hình 1.2.3 LÊ THANH HạNH : lớp dtt45-đh - 3 - Hệ thống lái lặp truy theo là lái bằng tay để ra lệnh cho bánh lái truy theo lệnh đặt trớc bằng vô lăng lái (khối CT) Dùng khi cần điều động vào cảng, hành trình trên khoảng hẹp, khi cần chuyển h- ớng đi ở chế độ tự động thì chuyển sang lái lặp để điều khiển lái (dùng vô lăng lái lặp bằng tay, khi con tàu đã đi đúng hớng đi mới thì mới chuyển sang chế độ lái tự động. - KĐ: Lái lặp và lái tự động thờng đợc dùng chung bộ khuyếch đại - ĐTĐK: Đối tợng điều khiển lúc này là bánh lái - Y = K 1 0 - K 4 = 0 - : lợng thất phối - chênh lệch góc bẻ vô lăng và góc quay của bánh lái tại buồng máy lái = 0 : hệ thống xác lập ở vị trí nào đó nhất định cho trớc Ngời điều khiển thực hiện bẻ vô lăng lái 01 0 y 0 tác động qua KĐ, THTG, ML Làm bánh lái quay theo và bánh lái quay đi 1 góc tơng ứng đến khi = 01 thì y = 0. Chế độ lái đơn giản: Chế độ lái đơn giản là tác động trực tiép vào cơ cấu THTG. Khi ta muốn bẻ lái 1 góc nào đó thì phát lệnh bẻ lái, sau khi đã đạt đợc góc bẻ lái theo yêu cầu ta đó phải trả tay lệnh về 0 (lái không phản hồi), nếu không đa tay lái về 0 thì BL bẻ hết mạn . Thờng sử dụng tay lệnh lái đơn giản là công tắc hoặc nút ấn, ít khi dùng chung với tay lái lặp 1.2.4. Cấu tạo hoàn chỉnh hệ thống lái tự động Vì con tàu có quán tính lớn, đặc biệt con tàu có kích thớc và trọng tải lớn, có tuyến hình khác nhau, có sự thay đổi đáng kể các thông số động học khi thay đổi trọng tải, loại hàng do vậy nếu chúng ta sử dụng sơ đồ hệ thống lái tự động cơ bản nh ở trên thì chất lợng hệ thống sẽ không cao. Để nâng cao chất lợng hệ thống ngời ta thờng đa thêm các khâu hiệu chỉnh song song và phản hồi ngời ta cải thiện sơ đồ, mắc thêm các khâu hiệu chỉnh nối tiếp, song song Hình 1.2.4 Sơ đồ cấu trúc đầy đủ hệ thống lái tự động (hình 1.2.4), trong đó: K1: Khối tạo tín hiệu tỷ lệ góc bẻ lái. K2d/dt: Khối tạo tín hiệu vi phân góc bẻ lái. K3dt: Khối tạo tín hiệu tích phân góc bẻ lái. LB: la bàn lấy tín hiệu phản hồi hớng đi thực của con tàu. K4: Khối tạo tín hiệu tỷ lệ góc quay bánh lái. LÊ THANH HạNH : lớp dtt45-đh - 4 - K2d/dt K1 KĐ TH ML CT BL K4 K3dt LB K5d/dt 0 y f + - - + K5d/dt: Khối tạo tín hiệu vi phân góc quay bánh lái. f: Tác động của nhiễu(sóng, gió, hải lu,). y: Tín hiệu điều khiển của hệ thống. Phơng trình thuật toán điều khiển hệ thống lái tự động đầy đủ nh sau: y = K1 + K2d/dt + K3dt - K4 - K5d/dt. Khi hớng đi của con tàu trùng với hớng đi đặt trớc (= 0 ) thì , , y = 0. Giả sử nhiễu tác động làm tàu lệch khỏi hớng đi cho trớc ( 0 ), khi đó hớng đi thực tế của tàu sẽ đợc phản ánh qua la bàn về so sánh với góc lệch lái 0 làm = 0 - 0. Các tín hiệu tỷ lệ, vi phân, tích phân sau khi đợc đa vào khâu khuếch đại sẽ qua khối thực hiện trung gian tác động bẻ lái đa tàu về hớng đi ban đầu. Khi bánh lái quay xuất hiện tín hiệu phản hồi K4 và K5d/dt làm giảm tín hiệu điều khiển y. Khi tàu trở về hớng đi đặt trớc thì = 0. Trong quá trình tàu dần trở về hớng đi đặt trớc, tín hiệu điều khiển đổi dấu, bánh lái đợc quay theo chiều ngợc lại dần trở về mặt phẳng đối xứng của con tàu. Nh vậy khi mũi tàu trở về hớng đi đặt trớc thì đồng thời bánh lái cũng trở về mặt phẳng đối xứng. Do có quán tính, tàu có xu hớng dao động một vài lần sau đó tàu sẽ trở lại hớng đi ban đầu. Đối với sơ đồ hoàn chỉnh trên : - Giảm độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ và số lần dao động của hệ thống do sử dụng các khâu vi phân - Nâng cao tính chính xác do sử dụng khâu tích phân 1.2.5 Các khâu hiệu chỉnh cơ bản trong hệ thống lái: 1.2.5.1. Khâu tỷ lệ góc lệch hớng đi K1: Trong điều khiển tự động đây là một trong số các thành phần cơ bản của tín hiệu điều khiển. Khi bị tác động lệch khỏi hớng đi cho trớc, khâu này đa tín hiệu chủ đạo đến khâu khuếch đại để điều khiển bánh lái. 1.2.5.2. Khâu vi phân độ lệch hớng đi K2d/dt: Khi con tàu bắt đầu bị lệch khỏi hớng đi tín hiệu lệch hớng còn nhỏ, nhờ khâu vi phân sẽ có tín hiệu d/dt đạt giá trị max. Nh vậy tín hiệu điều khiển đợc tăng một lợng đáng kể. Mặc dù khi đó còn nhỏ nhng tín hiệu y = + d/dt đã đủ lớn để đa hệ thống vào làm việc, bánh lái đợc quay về phía có xu hớng đa tàu trở lại hớng đặt trớc và khi đó tín hiệu vi phân lại đổi dấu để làm giảm tính quán tính của con tàu nhanh chóng đa con tàu về hớng đi cho trớc. Vậy khi có khâu vi phân tác động sẽ đạt đợc: - Tăng độ nhạy và nâng cao chất lợng hệ thống. - Giảm đợc độ quá điều chỉnh của hệ thống, giảm độ lệch hớng đi. - Giảm số lần dao động và rút ngắn thời gian quá độ. 1.2.5.3. Khâu tích phân độ lệch hớng đi K3dt: LÊ THANH HạNH : lớp dtt45-đh - 5 - Trong thực tế khai thác con tàu có thể phải chịu các tác động của ngoại lực (sóng, gió, hải lu,). Bản thân con tàu khi chế tạo ra có thể không đối xứng qua mặt phẳng trung tính do vậy khi có tác động của nhiễu loạn bên ngoài làm con tàu dao động không đối xứng xung quanh hớng đi cho trớc. Để loại trừ, giảm bớt, nâng cao độ chính xác điều khiển của hệ thống ngời ta đa thêm khâu tích phân vào hệ thống. Khâu tích phân sẽ tích luỹ độ lệch hớng đi đó, thông qua khâu khuếch đại tín hiệu này tăng dần và tác động trở lại làm tăng độ chính xác trong việc điều chỉnh hớng đi cho hệ thống, loại trừ đợc sự dao động không đối xứng của tàu. Tuy nhiên khâu này cũng làm tăng độ dao động dẫn tới tính ổn định của hệ thống kém (độ dự trữ ổn định của hệ thống giảm). Khi thời tiết xấu để tránh hệ thống phải làm việc quá tải cần ngắt khâu tích phân ra khỏi hệ thống (khi nhiễu loạn nhỏ đa khâu tích phân vào, khi nhiễu loạn lớn thì loại bỏ khâu tích phân ra khỏi hệ thống). 1.2.5.4. Khâu tỷ lệ góc bẻ lái K4: Đây cũng là một trong những thành phần tín hiệu điều khiển chính của hệ thống. Tín hiệu này tỷ lệ với góc quay của bánh lái đóng vai trò phản hồi âm tín hiệu điều khiển, nó rất quan trọng trong các hệ thống quán tính lớn 1.2.5.5. Khâu tỷ lệ vi phân góc lái K5d/dt: Tín hiệu này có tác động tơng tự nh tín hiệu vi phân góc lệch hớng đi của tàu. Đây là khâu phản hồi âm mềm chỉ hoạt động ở chế độ động, làm tăng tính ổn định cho hệ thống, khử tính quán tính của máy lái, bánh lái và giảm bớt thời gian quá độ. 1.3. Khảo sát hệ thống lái tự động 1.3.1 Đặc điểm Động học tàu thuỷ là một vấn đề hết sức phức tạp. Tuỳ thuộc vào quan điểm điều khiển, nội dung điều khiển, độ chính xác mà ta sẻ có những phơng trình mô tả động học khác nhau. Thông thờng mô tả động học tàu thuỷ đối với hệ thống lái tự động là đơn giản hoá bởi quan điểm điều khiển tàu trên mặt phẳng nằm ngang. Đối tợng điều khiển con tàu là một khâu quán tính rất lớn và bản thân các phần tử thuộc hệ điều khiển, thực hiện trung gian, cơ cấu chấp hành, thực hiện đều cũng là các khâu quán tính : nh động cơ điện, mạch từ, khâu thuỷ lực do đó hằng số thời gian của toàn hệ thống rất lớn Các tham số của mô tả động học luôn thay đổi: Dòng chảy, gió, trạng thái mặt biển, s thay đổi tải trọng mà nếu điều khiển tối u thì các tham số đó cần phải cố định. Do đó để nâng cao chất lợng của hệ thống LTĐ ngời ta thờng phải sử dụng các hệ thống điều khiển có khả năng điều chỉnh các tham số phù hợp với từng trờng hợp cụ thể. Có nhiều chế độ điều khiển nh tự động giữ hớng, tối u theo quảng đờng, tối u nhiên liệu, do đó phức tạp trong việc xây dựng hệ thống. Có những tham số phù hợp với chế độ này nhng lại không phù hợp với chế độ kia. LÊ THANH HạNH : lớp dtt45-đh - 6 - 1.3.2 Các đại lợng, phần tử trong hệ thống và hàm truyền con tàu Trong nghiên cứu hệ thống lái tự động ngời ta sử dụng nhiều dạng mô hình toán học: mô hình dới dạng hàm truyền đạt, mô hình dới dạng không gian trạng thái, các mô hình SISO, MIMO các mô hình này gắn với tính hữu ích của mục đích điều khiển. I. Mô hình toán học củacon tàu dới dạng hàm truyền trong lái tự động giữ hớng áp dụng kết luận: Khi nghiên cứu và thiết kế hệ điều khiển chuyrn động của tàu thuỷ theo hành trình mà chế độ cơ bản là ổn định tàu thuỷ trên hành trình thẳng, có thể sử dụng mô hình toán học tuyến tính hoá của đối tợng [ C. . , .A. Tt - Điều khiển chuyển động tàu thuỷ theo hớng hành trình NXB Đống tàu, Lêningrad 1978] Hệ phơng trình mô tả tuyến tính hoá mô tả động học con tàu: )( 0 2243 2 2 1121 = +=++ +=++ a dt dx Mqna dt d a dt d Fqn dt d aa dt d Với điều kiện V tàu = const : Góc trôi dạt (góc lệch tàu) Hợp bởi véc tơ vân tốc con tàu và mặt phẳng đối xứng con tàu - y 0 : Hớng đặt trớc y : Hớng đi thực tế của con tàu = y 0 - y : Góc lệch giữa hớng đi thực và hớng đi cho trớc : Góc bánh lái F : Tổng các ngoại lực tác dụng lên con tàu M : Mô men thuỷ động tạo nên sự đổi hớng tác động lên trọng tâm tàu x : Độ di chuyển sang ngang a 0 , a 1 , a 2 , a 3 , a 4 , n 1 , n 2 , q 1 , q 2 : là các hệ số phụ thuộc vào tốc độ tàu và các đặc tính động học của con tàu Trong nghiên cứu lái tự động giữ hớng của tàu thuỷ, đôi khi lực nhiễu không quá lớn ngời ta thờng bỏ qua các đại lợng F, a 0 do đó phơng trình còn lại dạng: Mqna dt d a dt d n dt d aa dt d 2243 2 2 121 +=++ =++ Rút từ phơng trình trên thay vào phơng trình dới và chuyển về ảnh Laplace ta có: S 3 (S) + S 2 b 1 (S) + Sb 2 (S) = Sm 1 (S) + m 2 (S) + Sm 3 M(S) + m 4 M(S) Trong đó: LÊ THANH HạNH : lớp dtt45-đh - 7 - [...]... suất P tần số f của trạm - Đối với máy: M1: K1 f P1 = tg 1 : dộ hữu sai tính => P1 = f K1 + M2: K2 = f P2 = tg 2 Suy ra: P = P1 + P2 + 1 1 P = f + + K 1 K2 => f = P 1 1 + + K1 K 2 Mặt khác: tính lợng tăng cs từ máy: P1 = P2 => f K1 f K2 = Pi = = P 1 1 K1 K + K + 2 1 P 12 1 K2 K + K + 2 1 f K1 = P 1 1 1 Ki + + + + K Ki 1 K2 NX: Máy nào có độ hữ sai càng nhỏ thì...b1 = a1 + a3 b2 = a1a3 a2a4 m1 = n2 m2 = a1n2 a4n4 m3 = q2 m4 = a4a2 Vậy ta có: (S3 + S2b1 + Sb2) (S) = (Sm1 + m2)(S) + (Sm3 + m4)M(S) và hàm truyền con tàu lúc này là: (S ) = K 2 (1 + 2 S ) K1 (1 + 1S ) 1 (S ) + M (S ) 2 S (1 + T1S + T2 S ) S (1 + T1S + T2 S 2 ) 1 = m1/m2 ; 2 = m2/m4 ; T1 = b1/b2 ; T2 = 1/ b2 ; K1 = m2/b2 ; K2 = m4/b2 Từ hàn truyền của... rất bé thờng có thể bỏ qua Các hệ số T1, T2, K1 theo công bố của kỹ s A.Pustoskin theo bảng sau: LÊ THANH HạNH : lớp dtt45-đh -8- Phụ tải tàu Không tải Có tải Tốc độ ( Hlý) 10 ,7 K1 (sec -1) T1 (sec) T2 (sec2) 1, 7 .10 -2 12 9 8,5 2 ,1. 01- 2 14 20 6,5 9,5 2,38 .10 -2 1, 4 .10 -2 16 22 42 15 0 II Các mô hình toán của con tàu ở các dạng khác nhau ( Tham khảo phần phụ lục 01) 1. 3.3 Các chế độ cơ bản của LTĐ kinh điển:... kích từ bởi nguồn 10 0V qua chỉnh lu - H 211 1: vì điều khiển, vì chỉnh lu nhạy pha sau đó KĐ gọi là KĐ nhạy pha (lái tự động) 4 51, 452: chân nhận phản hồi góc bẻ lái (à) AD, AV, E: Chân nguồn 10 , 11 , 1S1, 1S2, nhận sig từ sensin độ lệch hớng đi 15 : w: chỉnh thời tiết 16 : Chân sig ra H 213 6:Trên TĐ H 213 6: Dới Lặp H 214 0A : là các vỉ thực hiện trung gian - LS1; LS2: Tiếp điểm ngắt cuối - Y1, Y3: Lái đơn... tạo ra K4 C1 tạo ra K5 * Tr3,Tr4: độ lệch hớng đi D1 2 cửa 10 và 11 BA T1 tạo ra sig đảo pha Uch K1: điện trở chechking K2: Tụ Cx K3 lặp dt : tụ C10, C 11 KĐ: Darlingtôn: Tr5; Tr6 2 Khối H 213 6: - Tầng 1: Tr1Tr2, bộ phận thực hiện chỉnh lu nhạy pha chỉ dùng ở chế độ lái - Khối chỉnh lu D9, Tr6, Tr7 phần thực hiện chức năng tạo nguồn một chiều không đối xứng: + 22V, OV, - 12 V - Tr5, Tr 11, Tr14: Thực... bẻ lái 11 Sensin M12 chèn hệ với trụ lái (l/v chế độ chỉ báo ) 12 Sensin M10 chèn hệ với trụ lái để chỉ báo góc quay thực của bánh lái 13 Tín hiệu K4 ra của M 11 đợc đa về cộng với sig tích phân M8 A4 K3 ở BA quay P 14 Transistor 1 làm nhiệm vụ KĐ sig vi phân độ lệch (nguồn nuôi 15 B/áp Tp1 làm nhiệm vụ truyền sig 16 B/áp quay M9 làm việc chế độ tỉ lệ có nhiệm vụ cộng các sig UC1C2(M9) = k (k1 + k3)... M(S ) K 1 (1 + 1 S ) S (1 + T1 S + T2 S 2 ) (S) (S) Hình 1. 3.2 Sơ đồ khối mô tả hàm truyền của con tàu Hai hàm truyền khác nhau cho hai tác động khác nhau: Tác động của điều khiển (bánh lái) và tác động của nhiễu lên con tàu làm cho hớng đi con tàu thay đổi (S) Ta có 2 hàm truyền của nó nh sau: W ( S ) = (S ) K1 (1 + 1S ) = ( S ) S (1 + T1S + T2 S 2 ) W f (S ) = K 2 (1 + 2 S ) (S ) (S ) 1 = =... tăcSelector switch HAND: B3, B 11, B15 đóng Rơle RY2 có điện nối à và ĐH B 11, B15 nối liên hệ giữ khối H 214 0A (dới) - Ngời Đk bẻ vô làng lái quay roto ĐH: sig ra của ĐH tỷ lệ với độ lớn goc s bẻ vô lăng; cực tính phụ thuộc chiều quay vô lăng Cửa HR1, HR2 (H 213 6) rới mạch CL nhạy pha (TR1, TR2) sau CL nhạy pha 0, sig ra qua điện trở R5, đa tới điều khiển Tr12, làm cho Tr12, hoặc Tr13 thông, khoá Từ đosig... (-) nguồn 6 Đặc tính có dạng sau chỉnh lu H3 - Nửa chu kỳ điểm (1) (+) : G1(+), D1 (G), S1 (0) LÊ THANH HạNH : lớp dtt45-đh - 21 - (2) (+) : G2(-), D2 S2(-) U D1S1 > 0 Tr1 U D 2S 2 > 0, U Gs Không xác định Tr2 khoa Chiều dòng điện đi từ 5 - 6 1/ 2 T sau: 1 (-); 2 (+); 5 (-); 6 (+) G1 (+), D1(0) S1 (0) UDS < 0, UGS < 0; Tr1 khoá G2 (+), D2 (0) S2 (0) UDS < 0, UGS < 0; Tr2 khoá Các chu kỳ tiếp giống... đi đợc đa vào cực 1S1, 1S2, của khối H 211 1 với mạch chỉnh lu nhạy pha: thực hiện với TR3 và TR4 Giả sử coi hớng đi lệch phải: UR > 0 trái: UR < 0 Sig ra: qua R18, R23 tạo sig tỉ lệ K1 Qua tụ Cx1,2 vi phân K2 Qua tụ C10 tạo sig tích phân độ lệch K3 dt Các sig đo đa vào KĐTT LM 30 C - Tạo sig phản hồi góc bẻ lái Hình vẽ Cửa vào KTT có đủ 5 sig, qua KĐ dalinton tới cửa 13 của vỉ H 213 6 Tại đó sig tổng . (S) )1( )1( 2 21 11 STSTS SK ++ + (S) M(S ) Phụ tải tàu Tốc độ ( Hlý) K 1 (sec -1 ) T 1 (sec) T 2 (sec 2 ) Không tải 10 ,7 1, 7 .10 -2 12 9 8,5 2 ,1. 01 -2 14 . + Sb 2 ) (S) = (Sm 1 + m 2 )(S) + (Sm 3 + m 4 )M(S) và hàm truyền con tàu lúc này là: )( )1( )1( )( )1( )1( )( 2 21 22 2 21 11 1 SM STSTS SK S STSTS SK S ++ + + ++ + = 1
