Nguyên Cứu, Xây Dựng Hệ Truyền Động Bám Điện Thủy Lực Ứng Dụng Điều Khiển Lái Tàu Thủy

- Xây dựng mô hình toán học hệ thống truyền động điện thủy lực điềukhiển tàu có tính đến các thành phần phi tuyến tác động lên hệ thống… 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THỦY L

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

TÔ VŨ THÀNH

NGUYÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM

ĐIỆN THỦY LỰC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN

LÁI TÀU THỦY

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

TÔ VŨ THÀNH

NGUYÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM

ĐIỆN THỦY LỰC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN

LÁI TÀU THỦY

Chuyên ngành: Tự động hóa

Mã số: 60 52 60

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THANH TIÊN

Hà Nội - Năm 2011

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Cán bộ hướng dẫn chính: Thiếu tá TS Nguyễn Thanh Tiên

Cán bộ chấm phản biện 1:

Cán bộ chấm phản biện 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Ngày ……Tháng …… NĂM 2011

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰCỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG SAU ĐẠI HỌC ĐỘC LẬP – TỰ DO - HẠNH PHÚC

Hà nội, ngày …… tháng … Năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TÔ VŨ THÀNH Giới tính: Nam

Ngày tháng năm sinh: 26 – 12 – 1971 Nơi sinh: Bình Định

I TÊN ĐỀ TÀI: NGUYÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM ĐIỆN THỦY LỰC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN LÁI TÀU THỦY.

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nhiệm vụ: Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động bám điện thủy lựcứng dụng điều khiển lái tàu thủy

Nội dung: Tổng hợp luật điều khiển bám sát góc bẻ lái tàu điện thủylực, dùng phần mềm Matlab-Simulink mô phỏng hoạt động của nó

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 7 tháng 3 năm 2011.

IV NGÀY HÒAN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 18 tháng 8 năm 2011.

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Thiếu tá, TS NGUYỄN THANH TIÊN

QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được hội đồng chuyên ngành thông

LỜI CẢM ƠN

Sau sáu tháng nghiên cứu, làm việc khuẩn trương, được sự động viêngiúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Nguyễn Thanh Tiên, luận

văn với đề tài “Nguyên cứu, xây dựng hệ truyền động bám điện thủy lực

ứng dụng điều khiển lái tàu thủy” đã hoàn thành.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc:

Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Thanh Tiên đã chỉ dẫn, giúp đỡ tácgiả hoàn thành luận văn này

Các thầy giáo, cô giáo thuộc khoa kỹ thuật điều khiển của Học viện Kỹthuật Quân sự đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quátrình nguyên cứu thực hiện luận văn

Ban giám hiệu trường Cao đẳng nghề số 8 đã tạo điều kiện cho việchọc tập, nguyên cứu và tiến hành luận văn của tác giả

Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm,động viên

Tác giả luận văn

Tô Vũ Thành

MỤC LỤC Trang

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN THỦY LỰC, HỆ

THỐNG LÁI TÀU ĐIỆN THUỶ LỰC 3

1.1 Tổng quan về hệ thống truyền động điện thủy lực 3

1.2 Đặc điểm, yêu cầu kỹ thuật của hệ truyền động điện thủy lực 7

1.2.1 Ưu điểm của hệ truyền động điện thủy lực 7

1.2.2 Nhược điểm của hệ truyền động điện thủy lực 8

1.2.3 Các yêu cầu kĩ thuật cơ bản của hệ truyền động điện thủy lực .8

1.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống truyền động điện thủy lực ứng dụng trong hệ thống lái tàu thủy 9

1.3.1 Tổng quan về hệ thống 9

1.3.2 Các yêu cầu cơ bản đối với máy lái tàu thủy 12

1.3.3 Phân loại các hệ thống máy lái tàu thủy thường gặp 15

1.3.4 Hệ thống lái tàu thủy điện – thủy lực .18

1.4 Giới thiệu về hệ thống lái tàu thủy điện – thủy lực điển hình 21

1.4.1 Máy lái thủy lực KE-W40 21

1.4.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống bám điện thủy lực 23

Kết luận chương 1 24

Chương 2 BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG CỦA TÀU THỦY VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA NÓ 26

2.1 Chức năng, những yêu cầu cơ bản đối với hệ thống lái 26

2.2 Các yêu cầu đối với hệ thống lái tự động 29

2.3 Các chế độ hoạt động của hệ thống lái 29

2.3.1 Chế độ lái tự động 30

2.3.2 Chế độ lái lặp 34

2.3.3 Chế độ lái đơn giản 35

2.4 Xây dựng mô hình toán học của bài toán điều khiển hướng tàu 41

2.4.1 Các hệ tọa độ cho tàu thủy và chuyển động của tàu 41

2.4.2 Mô hình Nomoto bậc nhất 45

2.4.3 Mô hình Nomoto bậc hai 46

Kết luận chương 2 49

Chương 3 TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN LÁI TÀU KHI BỎ QUA ĐỘNG HỌC CỦA MÁY LÁI THỦY LỰC 50

3.1 Giới thiệu Backstepping - Sliding Mode 51

3.1.1 Tính ổn định Lyapunov, hàm điều khiển Lyapunov 51

3.1.2 Phương pháp thiết kế Backstepping 54

3.1.3 Phương pháp thiết kế Backstepping - Sliding Mode 60

3.2 Bài toán quan sát, cung cấp thông tin tạo luật điều khiển 63

3.3 Tổng hợp điều khiển hướng tàu sử dụng phương pháp Backstepping 65

Kết luận chương 3 68

Chương 4 TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN BÁM SÁT GÓC BẺ LÁI TÀU ĐIỆN THỦY LỰC 69

4.1 Đặt vấn đề xây dựng bài toán 69

4.2 Tổng hợp điện áp điều khiển tác động lên van tỷ lệ trong bài toán bám sát góc bẻ lái 73

4.3 Xây dựng mô hình mô phỏng 80

Kết luận chương 4 83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận 84

2 Kiến nghị 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG trang Bảng 2.1 Định nghĩa các chuyển động của phương tiện trên biển (SNAME, 1950) 42

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ trang Hình 1.1 Sơ đồ chức năng cơ bản của một hệ truyền động điện thủy lực 6

Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ truyền động điện thủy lực 6

Hình 1.3 Cấu tạo cơ bản của hệ thống lái 11

Hình 1.4 Sơ đồ phân loại các hệ thống thiết bị lái 12

Hình 1.5 Sơ đồ phân loại truyền động lái .16

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống thủy lực đơn giản .20

Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống thuỷ lực của máy lái KE-W40 22

Hình 1.8 Sơ đồ khối chức năng các phần tử cơ bản của hệ thống điện thủy lực .23

Hình 2.1 Mô hình điều khiển hướng chuyển động của tàu thủy 25

Hình 2.2 Mô hình hệ thống lái tự động của tàu thủy 26

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc đầy đủ của hệ thống lái tự động 31

Hình 2.4 Sơ đồ khối cơ bản của chế độ lái lặp 34

Hình 2.5 Sơ đồ khối tạo ra tín hiệu độ lệch hướng đi của tàu thủy 39

Hình 2.6 Sơ đồ khối tạo ra tín hiệu phản hồi góc lái 40

Hình 2.7 Sơ đồ khối tạo ra các khâu vi phân 40

Hình 2.8 Sơ đồ khối tạo khâu tích phân dùng máy điện đặc biệt 41

Hình 2.9 Mạch tạo khâu tích phân dùng Op-am 41

Hình 2.10 Các hệ trục tọa độ cho tàu biển (tàu nổi mặt nước) 43

Hình 2.11 Chuyển động của tàu trong mặt phẳng nằm ngang 45

Hình 2.12 Sơ đồ khối của tàu thủy (máy lái + tàu + nhiễu) 46

Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống lái tự động 49

Hình 3.1 Mô hình điều khiển bám sát quỹ đạo của tàu thủy 50

Hình 3.2 Mô hình hệ bậc 2 56

Hình 3.3 Thực hiện bước 1 56

Hình 3.4 Kết quả cuối cùng 57

Hình 4.1 Mô hình hệ thống điều khiển góc bẻ lái điện thủy lực 70

Hình 4.2 Đồ thị hàm arctang(λx) 76

Hình 4.3 Sơ đồ mô phỏng trong Simulink cho hệ thống 81

Hình 4.4 Góc quay yêu cầu và góc quay đầu ra 82

Hình 4.5 Điện áp điều khiển đưa vào van tỷ lệ 82

MỞ ĐẦU

Hệ thống truyền động điện thủy lực có những ưu điểm: tính tác độngnhanh cao, khả năng phát huy công suất lớn so với tỷ trong không lượng củathiết bị, có thể làm việc trong chế độ thụ động mất nguồn điện … Tuy nhiên

nó có cấu trúc cơ khí phức tạp, các phần tử trong hệ thống có tính phi tuyếnmạnh vì vậy việc điều khiển sẽ gặp nhiều khó khăn hơn Bài toán tổng hợp hệthống truyền động bám sát điện thủy lực đã được nhiều nhà nghiên cứu trênthế giới quan tâm và đã có các kết quả nhất định

Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của một số ngànhnhư điện tử công suất, vi xử lý… nhiều phương pháp điều khiển mới ra đời vàthu được hiệu quả rõ rệt trong nâng cao tính chính xác cho các hệ thống điềukhiển Chính vì vậy các hệ thống truyền động bám sát điện thủy lực phát triển

và có các ứng dụng rộng rãi trong các hệ truyền động chất lượng cao Đặc biệt

là trong các hệ truyền động bám điều khiển vị trí trên các phương tiện hoạtđộng độc lập trên không, trên biển các nhà thiết kế thường hay chọn giải phápxây dựng hệ thống điện thủy lực

Ngành công nghiệp đóng tàu hiện nay có nhu cầu rất lớn về giải bàitoán điều khiển hệ điện thủy lực trên các tàu đóng mới cỡ lớn Đây là cơ sởthực tiễn của đề tài

Cấu trúc của luận văn gồm: phần mở đầu; chương 1, 2, 3 và 4; phần kếtluận và kiến nghị; tài liệu tham khảo; phụ lục

Nội dung chính của luận văn:

Chương 1 Tổng quan về hệ thống điều khiển điện thủy lực, hệ thống láitàu điện thủy lực

Chương 2 Bài toán điều khiển hướng của tàu thủy và mô hình toán họccủa nó

Chương 3 Tổng hợp điều khiển lái tàu khi bỏ qua động học của máy láithủy lực.

Chương 4 Tổng hợp điều khiển bám sát góc bẻ lái tàu điện thủy lực

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN THỦY LỰC, HỆ

THỐNG LÁI TÀU ĐIỆN THUỶ LỰC

Hệ thống điện thủy lực đã ra đời từ rất sớm và ngày càng được hoànthiện, đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô, máy công cụ,công nghiệp khai khoáng…và trong quân sự như hệ thống vũ khí pháo, cơ cấucủa bệ phóng tên lửa, hệ thống điều khiển dàn phóng bom chống ngầm,…Ngày nay, cùng với sự phát triển của lý thuyết điều khiển hiện đại và côngnghệ kỹ thuật điện tử công suất mới Các tác giả trên thế giới đã nghiên cứuđiều khiển hệ thống ứng dụng dùng thủy lực theo các hướng khác nhau: Điềukhiển hệ thống van điện từ sử dụng các phần tử khóa theo thuật toán PWM,điều khiển theo hệ rơ le, ứng dụng điều khiển mờ và mạng Nơ ron trong các

hệ điều khiển thông minh và điều khiển trong chế độ trượt làm cho các hệthống điều khiển ngày càng thông minh và mềm dẻo trong các thuật toán điềukhiển đáp ứng tối ưu cho các bài toán của hệ thống điều khiển tự động

Trong chương này đề cập đến các vấn đề sau:

- Tổng quan về hệ thống điều khiển điện thủy lực

- Các phần tử cơ bản trong hệ thống điện thủy lực

- Xây dựng mô hình toán học hệ thống truyền động điện thủy lực điềukhiển tàu có tính đến các thành phần phi tuyến tác động lên hệ thống…

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THỦY LỰC

Hệ thống truyền động thủy lực là một tập hợp các phần tử, thiết bị, máymóc, chi tiết và cụm chi tiết … thủy lực được lắp nối với nhau theo một sơ

đồ nhất định nhằm đảm bảo chuyển động định trước của cơ cấp cháp hành

Máy thủy lực là tên gọi chung của tất cả các loại máy móc, thiết bị mànguyên lý hoạt động của chúng dựa trên sự trao đổi năng lượng với dòng chấtlỏng

Trong hệ truyền động điện thủy lực (TĐĐTL) sử dụng các phần tử thủy lực

cơ bản như: khuếch đại thủy lực, bơm thủy lực, động cơ thủy lực, píttông thủylực, các loại van điều khiển được Các phần tử này nằm trong mạch chính vàquyết định đến tính chất động học của hệ Ngoài ra trong hệ còn có các thiết

bị phụ trợ như: các loại van áp suất, bình chứa, ống dẫn dầu, bộ lọc v.v Theo nguyên lý tác động của máy thủy lực với dòng chất lỏng trong quá trìnhlàm việc, máy thủy lực được chia làm 2 nhóm:

- Máy thủy lực thể tích: là các loại máy thủy lực hoạt động dựa trên sự traođổi năng lượng bằng cách nén thất lỏng tỏng một thể tích kín dưới áp suấtthủy tĩnh

- Máy thủy lực cánh dẫn (Hay thủy động): là loại máy thủy lực hoạt động dựatrên sự trao đổi năng lượng với chất lỏng công tác bằng cách biến đổi độngnăng của dòng chảy qua máy

Các thành phần cơ bản của một hệ truyền động thủy lực bao gồm:

+ Nguồn cung cấp năng lượng tích trữ trong môi chất công tác

+ Các phần tử điều khiển và điều chỉnh thủy lực ( Các loại van phân phối)+ Cơ cấu chấp hành thủy lực (Động cơ thủy lực, xy lanh thủy lực)

+ Đường ống và thiết bị đường ống

Các hệ thống điều khiển thủy lực được chia thành hai loại cơ bản:

- Hệ thống điều khiển bằng van tiết lưu

- Hệ thống điều khiển bằng khối lượng (hay thể tích)

Ví dụ hệ thống điều khiển bằng van tiết lưu được sử dụng trong hệthống điều khiển cánh lái của thiết bị bay (máy bay, tên lửa) Còn hệ thống

điều khiển bằng khối lượng được sử dụng rộng rãi hơn, nhất là trong kỹ thuậtHải quân

Trong đó, hệ thống điều khiển bằng khối lượng được phân thành hailoại: Loại ngang (động học phẳng), trong đó các xi lanh lực phân bố trên mặtphẳng vuông góc với trục quay của phần tử thủy lực Loại dọc (động họckhông gian), trong đó các xi lanh thủy lực đặt song song với trục quay củaphần tử thủy lực Đây là loại hay dùng nhất

Dầu thủy lực dùng trong hệ thống điều khiển thủy lực là một dung môiđặc biệt Yêu cầu đối với loại dung môi này là: bền hóa học, không gây gỉkim loại, không đông đặc và sủi bọt khi sử dụng nhiều lần, có độ nhớt xácđịnh và ít thay đổi khi nhiệt độ thay đổi trong phạm vi lớn (± 600C) và có độchịu nén thấp

Trong các bộ TĐĐTL điều chỉnh kiểu thể tích điều chỉnh tốc độ động cơthuỷ lực được thực hiện bằng cách thay đổi tương ứng năng suất của bơm Sơ

đồ chức năng của bộ truyền động thuỷ lực kiểu thể tích gồm có: bơm có năngsuất thay đổi và động cơ thủy lực chấp hành Để điều khiển bơm ta dùng bộkhuếch đại thủy lực, cơ cấu điện từ (nam châm điện) hay một động cơ điện.Trong bộ TĐĐTL điều chỉnh kiểu thể tích dòng lưu thông chất lỏng côngtác là một vòng kín (giữa bơm - động cơ thuỷ lực) Trong đường dẫn dầu từbơm đến động cơ chất lỏng được nén với áp suất cao, độ lớn của áp suất nàyđược xác định bởi tỷ trọng của động cơ thủy lực Còn chất lỏng từ động cơđến bơm có áp suất thấp Việc đảo chiều quay của động cơ được thực hiệnbằng cách đổi chiều tuần hoàn của dòng chất lỏng giữa bơm và động cơ thủylực Nguyên nhân chính của sự mất mát năng lượng dòng chất lỏng là do rò rỉ,hiệu suất của bộ TĐĐTL kiểu thể tích có thể đạt tới 50 - 60%

Tuy nhiên, kết cấu của bộ TĐĐTL điều chỉnh kiểu thể tích phức tạp hơnnhiều so với kết cấu của bộ TĐĐTL kiểu tiết lưu vì nó có bơm với năng suất

thay đổi Ngoài ra trong bộ TĐĐTL kiểu thể tích còn có hệ thống thủy lực bổtrợ dùng để điều khiển bơm với năng suất thay đổi và bù phần chất lỏng bị rò

rỉ Công suất điều khiển bơm với năng suất thay đổi còn lớn hơn vài lần côngsuất cần để điều khiển các hệ truyền động thủy lực kiểu tiết lưu

Hình 1.1: Sơ đồ chức năng cơ bản của một hệ truyền động điện thủy lực.

Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ truyền động điện thủy lực

Thiết bị đo: thiết bị đo dùng các biến áp quay tần số làm việc 400Hzmắc theo kiểu biến áp

Thiết bị khuếch đại: khuếch đại sơ bộ và khuếch đại thủy lực dùng vantiết lưu điều khiển bởi nam châm điện có tốc độ dịch chuyển tỉ lệ với dòngđiện đi qua các cuộn điều khiển của nam châm điện, đầu ra của tầng khuếchđại này là sự thay đổi lưu lượng dầu qua động cơ thủy lực làm cho tốc độquay của động cơ thủy lực tỉ lệ với dòng điều khiển của tầng thứ nhất

Cảm biến

phát

Các hộp đổi tốc thực hiện các biến đổi tỉ số truyền tương ứng cho cácthiết bị đo và thực hiện biến đổi tốc độ góc của động cơ chấp hành thành gócquay tương ứng của đối tượng điều khiển.

1.2 ĐẶC ĐIỂM, YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆNTHỦY LỰC

1.2.1 Ưu điểm của hệ truyền động điện thủy lực

- Truyền được công suất cao và lực lớn nhờ các cơ cấu tương đối đơngiản, hoạt động với độ tin cậy cao đòi hỏi ít phải chăm sóc, bảo dưỡng

- Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn động và bị dẫn độngkhông lệ thuộc với nhau, các bộ phận nối thường là những đường ống dễ đổichỗ, do vậy quán tính của hệ thống nhỏ cùng với tính chịu nén của dầu nên cóthể sử dụng ở vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh như khi sử dụng hệthống điện cơ

- Điều chỉnh được vận tốc làm việc tinh và vô cấp, dễ thực hiện tựđộng hoá theo điều kiện làm việc hay theo chương trình cho sẵn

- Có khả năng giảm khối lượng và kích thước nhờ chọn áp suấtthuỷ lực cao

- Dễ bảo vệ quá tải nhờ các van an toàn

- Dễ giám sát trạng thái làm việc của hệ thống bằng áp kế, kể cả các hệphức tạp, nhiều mạch

- Tự động hoá đơn giản, kể cả các thiết bị phức tạp, bằng cách dùng cácphần tử tiêu chuẩn hoá

- Hiệu suất lớn; (η = 85% ÷ 94%)

- Bền trong điều kiện làm việc phức tạp;

- Không cần bôi trơn các bộ phận chuyển động;

- Bảo đảm vùng hiệu chỉnh rộng (γ = 1000).

1.2.2 Nhược điểm của hệ truyền động điện thủy lực

- Tổn hao năng lượng trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần

tử và ở các mối ghép nối đường ống và các phần tử trong hệ thống làm giảmhiệu suất và hạn chế phạm vi sử dụng

- Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính nén đượccủa chất lỏng và tính đàn hồi của đường ống dẫn

- Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ công tác cũng như nhiệt độ môitrường làm độ nhớt thay đổi ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển

- Khả năng tích hợp hệ thống kém nên khó khăn khi thay đổi chươngtrình làm việc

- Khi mới khởi động, nhiệt độ của hệ thống chưa ổn định, vận tốc làmviệc thay đổi do độ nhớt của chất lỏng thay đổi

1.2.3 Các yêu cầu kĩ thuật cơ bản của hệ truyền động điện thủy lực

Hệ truyền động phải thoả mãn các yêu cầu cơ bản sau:

- Bảo đảm khả năng điều khiển ruly quay với vận tốc và gia tốc cầnthiết, đáp ứng được với tốc độ chuyển động của tàu:

Điều này đòi hỏi hệ bám phải phục hồi được qui luật chuyển động củathiết bị phát do mục tiêu dịch chuyển Độ chính xác bám sát thực tế phải lớnhơn độ chính xác yêu cầu của hệ Ngoài ra, để rút ngắt thời gian xử lý góckhông đồng bộ ban đầu (giá trị có thể đạt tới 1800) hệbám phải có khả năngtăng được vận tốc lên khoảng 20 ÷ 60% giá trị vận tốc cực đại

Khả năng quá tải là tỷ số giữa mô men cực đại Mmax mà động cơ đạt được

với mô men định mức Mdm, tức là:

- Bảo đảm tốt tính ổn định:

- Bảo đảm độ chính xác cao

- Độ tin cậy cao, đảm bảo các chỉ số theo yêu cầu: xác xuất làm việckhông hỏng, tính dễ sửa chữa, tính lâu bền

- Làm việc không hỏng trong các điều kiện thời tiết khí hậu khác nhau,

ở nhiệt độ môi trường ± 500C, độ ẩm tới 98%

- Sử dụng các nguồn điện áp chuẩn, khả năng làm việc từ mạng điệncông nghiệp 127/220/380V 50Hz

- Kích thước và trọng lượng nhỏ, hiệu suất cao, giá thành rẻ, dễ cải tiếnv.v…

1.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNGĐIỆN THỦY LỰC ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG LÁI TÀU THỦY

1.3.1 Tổng quan về hệ thống

Để có thể điều khiển một con tàu chuyển động(chạy) được như mongmuốn cần phải có một hệ thống các trang thiết bị chuyên dùng được gọichung là hệ thống thiết bị lái

Để làm được điều đó thì yêu cầu của các hệ thống lái phải đáp ứng điềukiện sau:

+ Đảm bảo cho tàu có đặc tính ăn lái tốt, điều này có nghĩa là khi có tínhiệu điều khiển thì hệ thống thiết bị lái phải đảm bảo chuyển hướng con tàunhư mong muốn.

Về tính ăn lái của con tàu có thể hiểu đó là khả năng chuyển động củacon tàu theo ý muốn của người lái Điều đó có nghĩa là tàu phải có khả năng

ổn định hướng đi cũng như thực hiện các xoay trở khi cần thiết Do đó, tính

ăn lái sẽ gồm hai lĩnh vực quan hệ mật thiết và đối lập nhau đó là tính ổn địnhhướng và tính xoay trở Một con tàu có tính ổn định hướng tốt thì tính xoaytrở sẽ kém và ngược lại Vì vậy khi thiết kế cần biết dung hoà các mâu thuẫn

đó, phải nhấn mạnh những đặc tính nào cần thiết hơn cho từng loại tàu Tính

ăn lái phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dáng con tàu, số lượng chân vịt…Trong đó việc tính toán thiết kế xác định kích thước của, số lượng chân vịtcũng như mômen lái, tốc độ lái là vấn đề quan trọng nhất

+ Hệ thống thiết bị lái phải đảm bảo tù ổn định Ở đây tính tù ổn địnhcủa quá trình lái được đặc trưng bởi khả năng chạy tàu và chuyển hướng (khitàu đang chạy) tin cậy và không có dao động

+ Hệ thống thiết bị lái phải đảm bảo cho người lái thao tác thuận tiện,linh hoạt tin cậy và chính xác trong mọi tình huống

+ Hệ thống thiết bị lái phải được trang bị đầy đủ các thiết bị đo báo,kiểm tra cảnh giới, an toàn và khiếm thiết, có thể nâng cấp, lắp các hệ thốngđịnh vị và dẫn đường hiện đại nhất để đảm bảo tàu đi đúng hướng của hảitrình

Ta hãy xem sơ đồ hình 1.3 dưới đây để thấy được cấu tạo cơ bản củamột hệ thống thiết bị lái:

1: Cánh bánh lái; 2: Ổ đỡ cánh bánh lái; 3: Ổ bi dưới; 4: Trục bánh lái;5: Ổ bi trên của trục bánh lái; 6: Thiết bị lái ; 7: Hệ dẫn động lái; 8: Hệ dẫnđộng điều; 9: Cabin(đài) điều khiển

Hình 1.3 - Cấu tạo cơ bản của hệ thống lái

Các thành phần cấu tạo cơ bản của hệ thống thiết bị lái tàu, bao gồm:+ Bánh lái có kết cấu phẳng, khi quay chìm trong nước trong quá trìnhtàu chạy sẽ hình thành phản lực cần thiết để điều khiển tàu;

+ Trục bánh lái: được dùng để quay bánh lái;

+ Hệ dẫn động bánh lái: hệ thống truyền chuyển động từ phần tử điềukhiển đến phần tử lái

+ Phần tử lái: cơ cấu tạo ra mômen để dịch chuyển bánh lái;

+ Phẩn tử điều khiển: phần tử tạo ra tín hiệu điều khiển

Trong thành phần hệ thống thiết bị lái còn có: Hệ dẫn động dự phòng

và hệ dẫn động sự cố; Cơ cấu giới hạn góc quay của bánh lái; Các phần tử và

cơ cấu phụ khác được sử dụng để đảm bảo cho hệ thống làm việc tin cậy vàhiệu quả cao…

1.3.2 Các yêu cầu cơ bản đối với máy lái tàu thủy:

Khi tính toán thiết kế máy lái, người thiết kế phải nắm rõ được nhữngquy định, yêu cầu đặt ra cho máy lái Trong các quy phạm của đăng kiểm vàcông ước quốc tế về an toàn sinh mạng con người trên biển cã SOLAS(Safety of Life At Sea), đặc biệt là đối vối hệ thống điều khiển tàu (hệ thốnglái) nhằm nâng cao tính an toàn cho con người cũng như hàng hoá trên biển

Theo Đăng kiểm Việt Nam, công ước quốc tế SOLAS và quy phạmphân cấp đóng tàu biển vỏ thép Việt Nam là những cơ sở pháp lý cơ bản đểngười thiết kế, chế tạo và sử dụng, khi triển khai việc tính toán thiết kế, chếtạo và sử dụng các máy lái điện thuỷ lực xác định rõ những vấn đề kỹ thuậtcông nghệ, làm việc và an toàn …

Về số lượng thiết bị lái, theo [8], quy định như sau:

- Mỗi tàu phải được trang bị một máy lái chính và một máy lái phụ.Máy lái chính và máy lái phụ phải bố trí sao cho sự hư hỏng của mộttrong các máy đó không làm tê liệt hoạt động của máy lái kia

- Thiết bị lái chính có khả năng điều khiển hoạt động của bánh láithoả mãn các yêu cầu kỹ thuật khi các máy lái này làm việc

Cũng theo [8] các thiết bị lái chính và trục lái thì phải đảm bảo:

- Có khả năng quay lái từ 350 mạn này sang 300 mạn kia khi tàu toàntải và đang chạy tiến với vận tốc khai thác tối đa với thời gian khôngquá 28s

- Trụ lái ở vùng séctơ phải có đường kính lớn hơn 120mm không kểphần kích thước gia cường

- Được thiết kế sao cho không bị hỏng khi tàu chạy lùi với vận tốc tốiđa.

Các thiết bị lái phụ phải đảm bảo:

- Có đủ độ bền và khả năng điều khiển được tàu với vận tốc đảm bảotính năng hàng hải của tàu và có khả năng hoạt động nhanh chóngkhi máy lái chính gặp sự cố

- Có khả năng dịch chuyển bánh lái từ 150 mạn này sang 150 mạn kiatrong vòng không quá 60s khi tàu toàn tải và đang chạy tiến với vậntốc bằng nửa vận tốc khai thác lớn nhất hoặc bằng 7 hải lý/h (lấy giátrị lớn hơn)

- Lực quay vô lăng lái do người điều khiển không quá 160N (16kg).Trong trường hợp bị mất nguồn bất kỳ trong các bộ động lực lái phải cótín hiệu bằng âm thanh và ánh sáng trên buồng lái

Các đường ống, két dầu theo [8] phải đảm bảo:

- Hệ thống ống thuỷ lực phải được bố trí sao cho có thể sẵn sàngchuyển đổi được giữa các máy lái với nhau

Đề phòng xảy ra trường hợp khác thuỷ lực do một hư hỏng nào đótheo [8] cũng quy định:

- Hệ thống điều khiển thiết bị lái cho máy lái phụ ở buồng lái vàbuồng đặt máy lái

- Hệ thống điều khiển thiết bị lái cho máy lái phụ ở buồng lái phảiđộc lập với hệ thống điều khiển máy lái chính.

- Ở khoang máy lái có thể ngắt hệ thống điều khiển từ cabin lái

- Phải có khả năng đưa hệ thống điều khiển hoạt động được từ mọi vịtrí trên buồng lái

- Nếu mất nguồn điện cho hệ thống điều khiển, phải có tín hiệu bằng

âm thanh và ánh sáng trên buồng lái

- Mạch điều khiển phải có thiết bị bảo vệ ngắt mạch

- Có khả năng chuyển đổi nhanh chóng từ lái tự động sang lái trựctiếp

Đối với các hệ thống liên lạc và chỉ báo góc lái, quy định:

- Có phương tiện liên lạc giữa buồng máy lái và buồng lái

- Vị trí của bánh lái tính bằng độ phải được chỉ báo trên buồng lái Bộchỉ báo góc lái phải độc lập với hệ thống điều khiển máy lái để nhậnđược một vị trí bánh lái trong buồng máy lái

Thiết bị lái phải đặt trong một khoang kín nhưng cho phép tiếp cận dễdàng, ngăn cách với buồng máy chính và được trang bị các phương tiện thíchhợp, đảm bảo có thể tiếp cận với máy lái, hệ điều khiển nhanh chóng, an toàn.Các máy lái khác (trừ palăng lái) phải có khả năng tự hãm được; có bộphận giới hạn góc quay lái bằng cơ khí về mỗi mạn cho phép, theo quy địnhlà:

) 5 , 1 (

) 1

max 0

0 max + < α < α + α

Trong đó:

0 max

α : là góc quay lớn nhất của bánh lái theo sự điều khiển của hệ

thống truyền động;

0

α : Góc quay bánh lái sang một bên mạn

Góc α (góc bẻ lái) là góc mà từ đó cơ cấu hạn chế phải dừng chuyểnđộng quay bánh lái phải ở góc 0

1.3.3 Phân loại các hệ thống máy lái tàu thủy thường gặp

Trong hệ thống lái bất kỳ thì bộ phận tạo ra mômen và truyền tới trụcbánh lái là máy lái Nó có ảnh hưởng quan trọng tới khả năng cũng như sự ổnđịnh trong quá trình làm việc của toàn bộ hệ thống lái Đây là thiết bị chính vàquan trọng nhất và cả hệ thống điều khiển của nó

Các hệ truyền động lái có thể phân loại theo sơ đồ 1.4

Hình 1.4 - Sơ đồ phân loại truyền động lái

Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu vài nét về các loại máy lái kể trên:

Máy lái dây: Đây là loại máy lái dùng dây xích (cáp) để truyền động

bằng tay Thông qua vô lăng cỡ lớn được đặt trên đài lái Loại này dùng chocác tàu cỡ nhỏ có mômen lái tới 0,4Tm Nhược điểm của máy lái dây là cótrọng lượng lớn, khi làm việc có tiêng ồn, thường bị kÑt ở vị trí chuyểnhướng của các đầu nối, các chốt thường hay phải thay thế nhiều Hơn nữa dokhông có thiết bị hãm nên toàn bộ mômen thủy động từ bánh lái tác độngngược lại về tay người lái (khi có sóng gió), nhiều khi gây nguy hiểm, hơn

nữa do cáp có sự co dãn trong quá trình làm việc nên độ quay lái không chínhxác Nhưng lại có ưu điểm là đơn giản giá thành thấp

Máy lái trục: Đây là loại máy lái truyền lực lái từ vô lăng tới bánh lái

thông qua hệ thống trục các đăng nối tiếp nhau thông qua các khớp chữ thập.Máy lái trục làm việc êm, tin cậy hơn máy lái dây thông thường, máy lái trụcdùng cho các tàu nhỏ, có mômen lái không quá 0,5Tm và đường kính trục láichữ thập nghiêng với nhau một góc 900 Nhược điểm của hệ thống lái này là

do độ nghiêng của các khớp các đăng lớn nên hay bị kẹt, các đầu nối của trục

dễ bị gẫy, dễ hỏng khớp và lực điều khiển lớn; hơn nữa cũng như máy lái dây

do không có thiết bị hãm nên toàn bộ mômen thuỷ động từ bánh lái sẽ tácđộng ngược trở lại khi có sóng gió, nhiều khi gây nguy hiểm cho người điềukhiển Tuy nhiên ở loại máy lái này có ưu điểm hơn máy láy dây là do không

bị dãn dài (như cáp) trong quá trình làm việc cho nên đạt được độ quay láichính xác từ vị trí điều khiển Loại máy này dẫn được thay thế bằng máy láiđiện thủy lực

Máy lái trục vít-đai ốc: Là loại máy lái dùng lực từ vòng quay tay kiểu

truyền động này có hiệu suất thấp nên chỉ còn áp dụng cho các máy lái phụcủa tàu nhỏ Ưu điểm của loại máy lái này là kết cấu đơn giản, gọn nhẹ và hạnchế được sự tác động ngược của mômen

Hiện nay loại máy lái này hầu như kh«ng còn được sử dụng nữa

Máy lái điện: Loại máy lái này có bộ phận chủ yếu là động cơ điện,

thông qua hộp giảm tốc để phát động lực lái Ưu điểm của loại máy lái này là:làm việc êm, người điều khiển chỉ cần ấn nút cho động cơ chạy do vậy lực tácdụng lên tay điều khiển là rất nhỏ, không có sự tác động ngược từ mômenthủy động của bánh lái lên tay người điều khiển, truyền động được đi xa bằngcác đường dây Tuy nhiên nhược điểm của loại máy lái này: do lực lái cónguồn dẫn động từ động cơ, trong quá trình làm việc thay đổi góc lái làm cho

động cơ phải khởi động liên tục có khi phải đổi chiều quay liên tục vớimômen khởi động lớn do vậy gây nên dễ hỏng động cơ hoặc giảm tuổi thọcủa động cơ, hơn nữa nó cũng ảnh hưởng tới lưới điện của tàu vì tiêu tốn côngsuất lớn cho máy lái.

Máy lái thủy lực: Máy lái thủy lực là các hệ dẫn động và điều khiển

trục lái của tàu bằng các hệ thống truyền động thủy lực Các máy lái thủy lực

có một số ưu điểm chính sau:

- Tạo được momen lái lớn

- Dễ dàng kết nối với hệ thống điều khiển tự động

Tuy nhiên máy lái thủy lực có một số nhược điểm cần lưu ý như sau:

- Công nghệ chế tạo, sửa chữa bảo dưỡng có những yêu cầu cao và rấtnghiêm ngặt;

- Chất lỏng sử dụng là dầu dưới áp suất cao nên rất dễ mất an toàn;

- Giá thành thiết bị cao

Ở trên là một số nét có bản của một số hệ thống lái thường gặp cũng

như những ưu khuyết điểm và ứng dụng của nó

1.3.4 Hệ thống lái tàu thủy điện – thủy lực

Ở phần trên ta đã biết được những ưu khuyết điểm và phạm vi sử dụngcủa máy lái thuỷ lực Phần này ta sẽ tìm hiểu thêm về máy lái thủy lực

Máy lái thủy lực được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp đóng tàungày nay khi công nghệ ngày càng phát triển Nó được ứng dụng đặc biệt cho

các tàu trọng tải lớn, di chuyển dài ngày trên biển do có độ tin cậy và mômenlái lớn (có thể tới 40Tm).

Máy lái thủy lực được phân loại theo nhiều kiểu hệ truyền động thủylực được sử dụng Với loại hệ truyền động dùng xylanh thủy lực có thể sửdụng 1, 2 hoặc 4 xy lanh thủy lực bắt vào bệ máy, kết hợp với bộ lái ( séctơlái) được lắp với trục bánh lái để điều khiển bánh lái, máy lái dùng xy lanhthủy lực được chia ra thành hai nhóm: với các xylanh cố định và với các xylanh lắc được khi làm việc:

+ Hệ xy lanh thủy lực cố định: là hệ dùng 2 hoặc 4 xy lanh thủy lựcmột chiều lắp cố định vào bệ máy trong đó hướng của các pittông không đổi.Nhược điểm của hệ xy lanh này là kích thước lớn, khó điều khiển chính xáckhi lắp đặt máy lái, do xy lanh phải chịu lực uốn lớn, khả năng làm kín của xylanh đòi hỏi độ bền và độ chính xác rất cao Hơn nữa khi lắp đặt máy lái loạinày, đòi hỏi phải chế tạo được bộ khớp giữa đầu píttông và séctơ lái rất phứctạp cần độ chính xác cao, không khả thi khi chế tạo tại nước ta

+ Hệ xy lanh thủy lực lắc được: là hệ truyền động lái dùng 1 hoặc 2 xylanh tác dụng kép (2 mặt tác dụng) nối với séctơ lái tạo thành cơ cấu quaytrượt, biến chuyển động tịnh tiến của píttông thành chuyển động quay củaséctơ lái (séctơ gắn cứng với trục lái) Trong hệ truyền động này, xy lanh thủylực cũng là một thành phần của cơ cấu Do đó khi hệ thống hoạt động, xy lanhcũng bị chuyển vị một góc quanh chốt ở bệ xylanh Ta thường dùng khớp cầu

tự lựa ở hai đầu xy lanh và píttông, mục đích của việc dùng khớp cầu thay cholại dùng xy lanh có khớp bạc là các sai số khi chế tạo và lắp đặt được khắcphục một cách dễ dàng Với xy lanh có khớp cầu tự lựa sẽ khắc phục đượcnhững nhược điểm cơ bản trên và làm giảm khả năng gây hư hỏng bộ phậntruyền động lái

Với loại hệ truyền động dùng xy lanh quay (môtơ thuỷ lực) thực chất làmột xy lanh lực tịnh tiến khi píttông được thay thế bằng các cánh gạt Chuyểnđộng tịnh tiến của píttông trong xy lanh được thay thế bằng chuyển động quaycủa cánh gạt quanh tâm Loại máy lái dùng xy lanh quay khi lắp trên các tàu

có yêu cầu mômen lái lớn (M1 > 10Tm) Ưu điểm của loại xy lanh quay làkhông tạo lực ngang tác dụng vào trục lái, kích thước nhỏ gọn Song cũng cónhược điểm là do kết cấu vách ngăn phức tạp nên khó chế tạo sửa chữa và bảodưỡng Mặt khác áp suất dầu ở động cơ thấp phải dùng bơm lưu lượng lớnnên phải dùng ống dẫn và thùng dầu to lên Vì vậy dạng xy lanh quay nên chođến nay vẫn chữa được chế tạo trong nước do chưa đáp ứng được yêu cầu kỹthuật

Nói chung máy lái thủy lực có ưu điểm:

- Có khả năng tạo ra mômen quay lớn, mômen quay tỷ lệ thuận với ápsuất làm việc nếu một hệ thống có thể ứng dụng cho các loại tàu vớitải trọng khác nhau

- Kích thước gọn nhẹ, dễ lắp đặt

- Có tính năng tự động hóa cao và dễ nâng cấp: từ chế độ điều khiểnbằng tay sang bán tự động hoặc tự động hoàn toàn hoặc điều khiểnbằng kỹ thuật điều khiển số tương đối dễ và vẫn vận dụng được cấuhình cơ bản của hệ thống

Nhược điểm chính của hệ thống lái thủy lực là giá đầu tư ban đầu cao

và khả năng bị cháy, nổ cũng như gây ô nhiễm môi trường là hiện hữu

13

Hình 1.5 - Sơ đồ hệ thống thủy lực đơn giản

9: Xylanh thủy lực (xylanh lái) 10: Bánh lái;

11: Trục bánh lái 12: Bể dầu 13: Séctơ lái

1.4 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG LÁI TÀU THỦY ĐIỆN – THỦY LỰCĐIỂN HÌNH

Trong phần này sẽ giới thiệu một số máy lái tàu thủy điện thủy lựcđang được sử dụng trong thực tế của một số hãng trên thế giới

1.4.1 Máy lái thủy lực KE-W40

Đây là loại máy điện – thủy lực có công suất (mômen lái) tới M=4T.mđược chấp nhận và lắp cho một loạt các tàu có trọng tải tới 1000T được đóngtại nhà máy đóng tàu Bạch Đằng trong khoảng thời gian những năm 90 (ví dụcác tàu Trường Sa 01, 02, 04… cho Hải Quân Việt Nam)

Sơ đồ nguyên lý thủy lực của máy lái KE-W40 được trình bày trên hình1.7 Máy lái KE=W40 dùng 2 xylanh thủy lực kiểu tác động hai phía, 2 đầubắt xylanh và đầu cán píttông đều có khớp cầu tự lựa.

Máy lái có 1 nguồn lái chính chạy điện và một nguồn lái phụ dùng tay.Bơm tay được dùng là kiểu píttông lắc tay Đảo chiều phân phối dầuquay lái bằng van phân phối ¾ điều khiển tay gạt Bơm thuỷ lực của lái chính

là kiểu bánh răng Đảo chiều phân phối dầu quay lái bằng một van phân phối

¾ điều khiển điện từ hai phía Van phân phối được sử dụng là kiểu P thông T

ở vị trí trung gian , cho phép xả tải cho bơm ở vị trí ban đầu khi máy lái chưalàm việc Tín hiệu điều khiển từ cabin lái tới van phân phối điện sẽ đảo chiềuvan phân phối và thay đổi chiều cấp dầu tới các xy lanh nhiên liệu quay láitheo ý muốn Khi mất tín hiệu điều khiển séctơ lái sẽ dừng lại và được giữ ởmột góc nhất định theo giá trị đặt của người lái

Đề phòng van có thể bị kẹt khi tàu đang hoạt động, trong hệ thủy lựccủa lái chính lắp 2 van phân phối điện từ dự trữ cho nhau

Một số các thống số kỹ thuật cơ bản cả máy lái KE-W40:

• Momen lái M=4Tm

• Áp suất làm việc lớn nhất plvmax=200KG/cm2

• Áp suất mở van an toàn pat=205 KG/cm2

• Thời gian quay lái t/650=23s

• Công suất động cơ điện N=2,2KW

• Số vòng quay làm việc n=1420 vg/ph

• Lưu lượng của bơm Q=8,6 l/ph

Hình 1.6 - Sơ đồ hệ thống thủy lực của máy lái KE-W40

1: Bể dầu của hệ thống thủy lực của máy lái chính 2: Bộ lọc hút

8-1; 8-2: Van phân phối 3/4-điều khiển điện từ 2 phía

9-1,-2: Van một chiều có điều khiển tác động tròn

10-1; 10-2: Van chống quá tải

11-1; 11-2: Xy lanh lái;

13: Bơm thủy lực lắc tay

1.4.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống bám điện thủy lực

Hệ bám là hệ thống tự động điều chỉnh, lượng ra bám sát theo lượngvào với một sai số nào đó, lượng vào là đại lượng biến thiên tùy ý Đối với bàitoán lái tàu thì lượng vào sẽ là giá trị góc bẻ lái tính toán nào đó để thực hiệnđiều khiển hướng chuyển động của con tàu, lượng ra sẽ là góc bẻ lái thực củacon tàu

Trong kỹ thuật hàng hải thường sử dụng hệ thống bám điện thủy lực(loại động học không gian), có sơ đồ chức năng như hình 1.8

Hình 1.8 Sơ đồ khối chức năng các phần tử cơ bản của hệ thống điện thủy lực

Ở đây (1): cơ cấu phát tín; (2): khuếch đại điện tử; (3): cơ cấu biến đổiđiện cơ; (4): khuếch đại thuỷ lực; (5): van tiết lưu; (6): động cơ thuỷ lực; (7): bánh lái; (8): bơm (9): thiết bị phản hồi

Kết luận chương 1

Trong chương này trình bày một cách tổng quan về hệ thống truyền

động thủy lực, điện thủy lực: Cấu trúc chung; các ưu nhược điểm của hệthống truyền động điện thủy lực… làm cơ sở để lựa chọn là phần tử chấphành trong máy lái tàu thủy

Chương 2 BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG CỦA TÀU THỦY VÀ MÔ HÌNH

TOÁN HỌC CỦA NÓ

Hướng chuyển động của tàu là một trong những tham số điềukhiển hết sức quan trọng Hướng chuyển động vẽ lên quỹ đạo hoạt động củatàu trên biển, thực hiện dẫn tàu theo một lộ trình cho trước

Hình 2.1 Mô hình điều khiển hướng chuyển động của tàu thủy

Hệ thống định vị trên tàu gồm các loại la bàn, định vị GPS, rada hànghải…

Hệ thống truyền động tạo ra chuyển động tịnh tiến của tàu sinh ra do hệthống máy chính thông qua hệ thống chân vịt thực hiện biến mô men xoắntrên đầu trục máy chính thành chuyển động quay của chân vịt trong môitrường nước tạo ra lực đẩy tàu chuyển động lướt trên mặt nước

Để thay đổi hướng chuyển động của tàu trong phạm vi luận văn giớihạn chỉ xét cho trường hợp thay đổi góc bẻ lái

Hình 2.2 Mô hình hệ thống lái tự động của tàu thủy

2.1 CHỨC NĂNG, NHỮNG YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI HỆ THỐNGLÁI

Hệ thống lái đóng vai trò hết sức quan trọng trên tàu thủy, nó phải đảmbảo được các chức năng sau:

- Ổn định hướng đi cho tàu

- Thay đổi hướng đi giúp tàu hành trình trên biển và điều động ra vào cảngđược an toàn

Nhằm đảm bảo an toàn cho tàu và toàn bộ thuyền viên, hệ thống lái phải đượcthiết kế sao cho thoả mãn các yêu cầu chung sau:

- Phải có khả năng làm việc an toàn, không bị hư hỏng trong mọi điều kiệnthời tiết

- Phải có mô men quay cần thiết để thắng mô men cản tối đa trên trụ lái

- Phải đảm bảo tốc độ bẻ lái theo quy định

- Phải có thiết bị theo dõi, kiểm tra sự hoạt động của hệ thống

- Việc điều khiển, bảo quản, bảo dưỡng và sửa chữa dễ dàng, thuận tiện

- Kích thước trọng lượng nhỏ, giá thành đầu tư và chi phí khai thác thấp.Đồng thời, hệ thống lái cũng phải đảm bảo được những yêu cầu sau của Đăngkiểm Việt Nam:

• Truyền động điện cho lái phải đảm bảo:

- Thời gian bẻ lái từ mạn này sang mạn kia ở chế độ toàn tải quy định làkhông quá 28 giây

- Có khả năng bẻ lái liên tục từ mạn này sang mạn kia ở chế độ toàn tải vớimớn nước quy định trong thời gian không quá 30 phút

- Công tác lâu dài khi tàu chạy theo một hướng với 350 lần / 1 giờ

- Mô men quay của động cơ có thể thay đổi trong giới hạn từ (0 ÷ 200)%Mđm

- Động cơ điện có thể dừng trong vòng 1 phút

- Công suất truyền động lái phải đảm bảo có thể quay lái từ mạn này tới mạnkia khi tàu chạy với tốc độ trung bình

• Nguồn điện cung cấp cho lái phải lấy từ bảng phân phối điện chínhtheo 2 đường đi cách xa nhau ở mức tối đa Trên những tàu có trạmphát sự cố thì một trong hai đường cáp nên đi qua trạm phát sự cố, nếucông suất của trạm này có đủ Nếu theo quy phạm, không quy định có

lái dự trữ thì thiết bị lái nên có 2 bộ và mỗi bộ phải lấy điện năng từnguồn dự phòng.

• Tất cả các mạch điện và máy điện của hệ thống truyền động điện cholái phải có bảo vệ đối với dòng ngắn mạch Ngoài ra, phải lắp rơlenhiệt hoặc thiết bị khác nối với còi để báo hiệu khi hệ thống quá tải.Cần phải có nhiều trạm hoặc một trạm kép để điều khiển hệ thống lái,

ở mỗi trạm điều khiển phải có đồng hồ báo góc lái Khi có hai trạmđiều khiển trở lên thì phải có cầu dao chuyển trạm để tránh khả năngcùng

• Một lúc điều khiển lái từ nhiều trạm, nếu trạm điều khiển bằng tay đặt

ở buồng lái thì trạm điều khiển bằng điện thứ hai không cần nữa

• Để điều khiển động cơ lái hệ thống hoặc động cơ quay bơm biến lượngphải dùng bộ khởi động từ, bộ này có 2 nút điều khiển, một nút đặtngay gần bộ khởi động và nút điều khiển từ xa đặt ở buồng lái hoặc ởbảng phân phối điện chính, nếu ở đây trực ban suốt ngày đêm Nếuđiều khiển trực tiếp thì phải dùng bảng công tắc tơ - rơle nhằm đảmbảo động cơ có thể khởi động lại khi điện áp được hồi phục

• Hệ thống công tắc tơ điều khiển lái cần có 2 bộ khởi động từ hoặc gồm

2 bộ truyền động điện độc lập, cầu dao chuyển trạm có thể đặt ở buồnglái hoặc ở bảng phân phối điện chính nếu ở đó có trực ban suốt ngàyđêm Mặt khác, cần có còi đặt ở buồng lái để báo hiệu khi lái hoạtđộng Hệ thống công tắc tơ điều khiển lái có thể chỉ có một trạm từ nếu

ở buồng lái có truyền động điện lái bằng tay

• Trong buồng lái cần có đèn tín hiệu chỉ rõ máy lái đang hoạt động,nghĩa là không bị các thiết bị bảo vệ ngắn mạch Nếu ở bảng điệnchính có trực ban suốt ngày đêm thì đèn tín hiệu cần đặt ở bảng điệnchính

• Mỗi hệ thống lái, ngoài hệ thống lặp cần có ngắt cuối để bánh láikhông quay qua góc lớn nhất cho phép Hệ thống cần đảm bảo có khảnăng khởi động động cơ theo chiều ngược lại sau khi bánh lái dừng lại

ở một mạn nào đó bởi công tắc ngắt cuối

• Bộ cảm phát của hệ chỉ thị góc lái phải được nối chắc chắn với trụ lái, độchính xác của hệ chỉ thị góc lái phải trong phạm vi ±1 so với vị trí thực củabánh lái

2.2 CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI HỆ THỐNG LÁI TỰ ĐỘNG

- Hệ thống lái tự động phải giữ cho con tàu đi theo một hướng đi cho trướcvới độ chính xác trong điều kiện tốc độ của tàu lớn hơn 6 hải lý/ h

- Biên độ dao động trung bình của con tàu so với hướng đi cho trước khôngvượt quá 1 nếu biển có sóng cấp 3 và tốc độ của tàu lớn hơn hoặc bằng 6 hảilý/h Không vượt quá 2 ÷ 3 khi sóng tới cấp 6

- Cho phép thay đổi hướng đi cho trước bằng cách điều chỉnh núm đặthướng đi ở góc phù hợp (không vượt quá 5 mỗi lần điều khiển)

- Có khả năng điều chỉnh được các hệ số khuyếch đại của các khâu nằmtrong hệ thống cho phù hợp với tình trạng mặt biển, tốc độ và trọng tải củatàu

- Ngoài chế độ tự động, hệ thống phải có các chế độ lái lặp, lái đơn giản, lái

sự cố để đảm bảo an toàn tối đa cho con tàu

- Phải có thiết bị báo động bằng âm thanh khi hệ thống bị quá tải, góc lệch

so với hướng đi cho trước quá lớn

- Hệ thống phải đảm bảo hoạt động bình thường ngay cả khi tàu bị lắc ngangtới 22, chu kỳ dao động là 8 - 22 giây và lắc dọc tới 10 với chu kỳ (6 ÷ 10)giây Chịu được rung động riêng từ (5 ÷ 30)Hz

- Hệ thống đảm bảo hoạt động chính xác ngay cả khi nhiệt độ thay đổi từ-100C ÷ + 500C; độ ẩm của môi trường tới (95 ÷ 98)%

- Không gây nhiễu quá nhiều đối với thiết bị radio

2.3 CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG LÁI

Trên tàu thuỷ hiện nay, hệ thống lái tự động có thể thực hiện được các

chế độ lái sau: Chế độ lái tự động, lái lặp, lái đơn giản.

2.3.1 Chế độ lái tự động

Trong chế độ này, đối tượng điều khiển là con tàu trong môi trường nước vớitốc độ khác nhau, chịu tác động của sóng, gió, hải lưu và có trọng tải khácnhau Nếu gọi α là hướng đi thực, β là góc bẻ lái thì ta có phương trình độngcủa tàu là:

αp(T2p2 + T1p + 1) = Kc (1 + τ p)β (2.1)Trong đó:

- Hệ thống lái tự động phải có tín hiệu phản hồi âm ứng với góc bẻ lái thì hệthống mới hoạt động được

- Hệ thống lái tự động có ảnh hưởng lớn tới việc khai thác con tàu một cáchkinh tế

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc đầy đủ của hệ thống lái tự động

Với:

0

α : Hướng đi đặt trước

α : Hướng đi thực tế của tàu

α

∆ : Độ lệch hướng đi

K1 : Khối tạo tín hiệu tỷ lệ

K2d∆ α /dt : Khối tạo tín hiệu vi phân

K3∫∆α dt : Khối tạo tín hiệu tích phân

KĐ : Khối khuyếch đại

TH : Khối thực hiện trung gian

ML : Máy lái

BL, CT : Bánh lái, con tàu

β : Góc quay của bánh lái

K4 : Khối tạo tín hiệu tỷ lệ góc quay bánh lái

K5dβ/dt : Khối tạo tín hiệu vi phân góc quay bánh lái

f : Tác động của nhiễu (sóng, gió, hải lưu )

y : Tín hiệu điều khiển tác động tới máy lái

• Phương trình thuật toán điều khiển:

y = K1 ∆ α + K2d∆ α/dt + K3∫∆αdt - K

4 β - K5dβ/dt (2.2)Hình vẽ minh họa:

Khi hướng đi cuả tàu trùng với hướng đi đặt trước (ϕ = ϕ) thì ∆ α = 0, β = 0,

y = 0

Giả sử, nhiễu tác động làm tàu lệch khỏi hướng đi cho trước (ϕ ≠ ϕ), khi đó,

hướng đi thực tế α của tàu sẽ được phản ảnh qua la bàn về so sánh với góclệnh lái α → ∆ α ≠ 0 Các tín hiệu tỷ lệ, vi phân, tích phân sau khi được đưavào khâu khuyếch đại sẽ qua khối thực hiện trung gian tác động bẻ lái tàu đưatàu trở về hướng đi ban đầu

Khi bánh lái quay, xuất hiện tín hiệu phản hồi K4β và

dt

d

K5 β làm giảm tínhiệu điều khiển y Khi tàu trở về hướng đi đặt trước thì ∆ α = 0

Do có quán tính, tàu có xu hướng lệch khỏi hướng đi đặt trước theo hướngngược lại một góc ∆ α 1 Tín hiệu điều khiển đổi dấu làm bánh lái quay theo

chiều ngược lại một góc β 1 để đưa tàu trở về hướng đi đặt Khi bánh lái quay

lại xuất hiện K4 β 1 và

dt

d

K5 β1 làm giảm tín hiệu điều khiển tổng Tàu từ từquay trở lại hướng đi đặt, ∆ α 1 giảm dần về 0 Do tính quán tính, tàu lại bị lệch

về phía ban đầu một góc ∆ α 2 (∆ α ∆ 2 〉 α 1) Quá trình cứ lặp lại như trên Sau

một số lần dao động, tàu sẽ trở lại hướng đi ban đầu

 Vai trò của các khâu vi, tích phân trong hệ thống lái tự động

 Khâu tỷ lệ góc lệch hướng đi K1∆ α :