4.1.3 .Phân loại hệ thống lái
4.1.4. 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 trước với độ chính xác 10 trong điều kiện tốc độ của tàu lớn hơn 6 hải lý /giờ.
- Biên độ dao động trung bình của con tàu với hướng đi cho trước khơng vượt q 100 nếu biển có sóng cấp 3 và tốc độ của tàu 6 hải lý /giờ. Không vượt quá 2030 khi sóng tới
cấp 6.
- Cho phép thay đổi hướng đi cho trước bằng cách điều chỉnh núm đặt hướng đi ở góc phù hợp ( không vượt quá 50 mỗi lần điều khiển )
- Có khả năng điều chỉnh được các hệ số khuếch đại của các khâu nằm trong hệ thống cho phù hợp với tình trạng mặt biển, tốc độ và trọng tải của tàu.
- 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 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, mất nguồn chính, nguồn điều khiển, mức dầu thuỷ lực trong két thấp…
- Hệ thống phải đảm bảo hoạt động bình thường ngay cả khi tàu bị lắc ngang tới 220, chu kỳ dao động là 8-22s và lắc dọc tới 100 vớ chu kỳ 610s. Chịu được rung động nghiêng từ (530)Hz.
- Hệ thống đảm bảo độ hoạt động chính xác ngay cả khi nhiệt độ thay đổi từ (-100
+500), độ ẩm của môi trường tới (9598)%.
- Không gây nhiễu cho các thiết bị thông tin liên lạc. 4.2. Các chế độ hoạt động của hệ thống lái
Trên tàu thuỷ hiện nay hệ thống lái có thể thực hiện được các chế độ lái sau :
+ Chế độ lái tự động
+ Chế độ lái lặp + Chế độ lái đơn giản + Chế độ lái sự cố
4.2.1 Chế độ lái đơn giản
- Chế độ lái đơn giản được dùng khi tàu có sự cố ở chế độ lái lặp, lái tự động
- Ở chế độ này vị trí bánh lái khơng phụ thuộc vào vị trí của tay điều khiển. Khi nào người điều khiển cịn tác động vào hệ thống thì bánh lái cịn quay và người điều khiển phải kiểm tra vị trí của bánh lái thơng qua thiết bị chỉ báo góc bánh lái.
- Nếu là lái điện cơ tay điều khiển trực tiếp đưa nguồn tới phần tử thực hiện để quay bánh lái.
- Nếu lái điện thuỷ lực thì tay điều khiển trực tiếp cấp nguồn điện vào bộ phân phối thuỷ lực, cấp dầu vào xilanh lực hoặc tác động cấp nguồn trực tiếp cho động cơ secvô làm dịch tâm bơm biến lượng. Hệ thống bẻ lái sang trái, phải phụ thuộc vào chiều cấp dầu tới động cơ thuỷ lực hay chiều dịch tâm bơm. Đối với chế độ lái đơn giản, tín hiệu bẻ lái khơng qua bất kỳ một khâu khuếch đại nào.
4.2.2. Chế độ lái lặp
Sơ đồ khối cơ bản
H4.3.Sơ đồ cấu trúc của chế độ lái lặp
Đối tượng điều khiển là bánh lái Cơ cấu điều khiển là bánh lái
Tham số cho trước là góc quay vơ lăng Với : Góc quay vơ lăng lái
: Góc quay của bánh lái K1: Khối biến đổi tín hiệu đặt
K4 : Khối khuyếch đại tín hiệu phản hồi góc bẻ lái KĐ : Khối khuếch đại
TH: Khối thực hiện trung gian ML,BL : Máy lái,bánh lái CT : Con tàu
y : Tín hiệu điều khiển : Hướng đi thật của tàu
Ta có phương trình thuật tốn điều khiển y = K10 - K4
Ở chế độ này vị trí của bánh lái được quyết định bởi vị trí của tay điều khiển. Khi tay điều khiển quay đi 1 góc về một mạn nào đó thì bánh lái cũng quay đến góc tương ứng. Khi = 0 tín hiệu điều khiển khơng có, bánh lái nằm ở vị trí phù hợp với vị trí của tay điều khiển. Khi quay vơ lăng lái đi một góc thì tín hiệu điều khiển qua các phần tử khuếch đại trung gian được gửi đến máy lái làm cho bánh lái quay. Khi góc quay của bánh lái thì , tín hiệu y = 0 bánh lái ngừng quay.
Chế độ này thường được sử dụng khi tàu hành trình trên biển với sóng gió to hoặc ở chế độ điều động. - α KĐ THTG CT BL ML K4 K1 CT β0
4.2.3 Chế độ lái tự động
Cấu trúc hệ thống lái tự động:
H4.4. Sơ đồ cấu trúc đầy đủ của hệ thống lái tự động
Đối tượng điều khiển là con tàu Cơ cấu điều khiển là bánh lái
đ : Hướng đi đặt trước; T : Hướng đi thực của tàu ;
: Độ lệch hướng đi;
K2d/dt : Khối tạo tín hiệu vi phân độ lệch hướng đi; K3dt : Khối tạo tín hiệu tích phân độ lệch hướng đi; K1 : Khối tạo tín hiệu tỷ lệ độ lệch hướng đi; KĐ : Khối khuếch đại;
TH: Khối thực hiện trung gian; ML: Máy lái;
BL,CT: Bánh lái, con tàu;
: Góc quay của bánh lái;
K4: Khối tạo tín hiệu tỷ lệ góc quay bánh lái ; K5d/dt :Khối tạo tín hiệu vi phân góc quay bánh lái; f : Tác động của nhiễu ;
y : Tín hiệu điều khiển của hệ thống
*/ Nguyên tắc điều khiển:
- Phương trình thuật tốn điều khiển hệ thống lái tự động:
y = K1 + K2d/dt + K3dt – K4 – K5d/dt.
- Khi hướng đi của con tàu trùng với hướng đi đặt trước ( = 0)thì , , y = 0. - Giả sử nhiễu tác động làm tàu lệch khỏi hướng đi cho trước ( 0), khi đó hướng
đi thực tế của tàu sẽ được 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 được đưa vào khâu khuếch đại sẽ
qua khối thực hiện trung gian tác động bẻ lái đưa tàu về hướng 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 hướng đi đặt trước thì = 0. Trong quá trình tàu dần trở về hướng đi đặt trước, tín hiệu điều khiển đổi dấu, bánh lái được quay theo chiều ngược lại dần trở về mặt phẳng đối xứng của con tàu.
Như vậy khi mũi tàu trở về hướng đi đặt trước thì đồng thời bánh lái cũng trở về mặt phẳng đối xứng. Do có qn tính, tàu có xu hướng dao động một vài lần sau đó tàu sẽ trở lại hướng đi ban đầu.
Vai trị khâu tỷ lệ, tích phân, vi phân trong hệ thống lái tự động.
1, Khâu tỷ lệ góc lệch hướng đi K1
- Trong điều khiển tự động đây là một trong các thành phần cơ bản của tín hiệu điều khiển. Khi bị tác động đột ngột tàu lệch nhanh khỏi hướng đi cho trước khâu này đưa tín hiệu đến khâu khuếch đại để điều khiển bánh lái.
4.3 Các khâu hiệu chỉnh cơ bản trong hệ thống lái
4.3.1 Khâu tỷ lệ góc lệch hướng 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 đột ngột tàu lệch nhanh khỏi hướng đi cho trước, khâu này đưa tín hiệu đến khâu khuếch đại để điều khiển bánh lái.
4.3.2.Khâu vi phân độ lệch hướng đi K2d/dt
t t 0 0 d chưa có vi phân có vi phân t
H4.5. Khâu vi phân độ lệch hướng đi
- Khi con tàu bị lệch khỏi hướng đi nhờ khâu vi phân ta có tín hiệu d/dt đạt giá trị max. Như vậy tín hiệu điều khiển được tăng một lượng đáng kể. Mặc dù khi đó cịn nhỏ
nhưng tín hiệu y1=0+ d/dt đã đủ lớn để đưa hệ thống vào làm việc bánh lái được quay về phía có xu hướng đưa tàu trở lại hướng đi đặt trước.
- Khi tàu có xu hướng trở lại hướng đi cho trước giảm dần, d/dt đổi dấu làm y1
nhanh chónh giảm đi. Nhờ đó biên độ hướng đi của con tàu giảm. Khi tàu trở về hướng đặt tín hiệu vi phân đổi dấu và đưa nhanh bánh lái về mặt phẳng đối xứng của tàu.
- Vậy tín hiệu này có tác dụng tăng độ nhạy, giảm số lần dao động rút ngắn thời gian quá độ và nâng cao chất lượng hệ thống.
4.3.3. Khâu tích phân độ lệch hướng đi K3dt
- Trong thực tế khai thác con tàu có thể phải chịu các tác động của ngoại lực từ một phía. Bản thân con tàu có thể khơng hồn tồn đối xứng. Sau một thời gian do tác động của các nhiễu loạn như sóng gió, dịng hải lưu, hướng đi thực của con tàu có thể bị lệch hẳn về một phía so với hướng đi đặt trước một góc nào đó. Để tăng độ chính xác cho hệ thống người ta đưa thêm vào khâu tích phân độ lệch hướng đi.
- Khâu tích phân này sẽ tích luỹ độ lệch hướng đi đó, thơng qua khâu khuếch đại
tín hiệu này tăng dần lên và tác động trở lại làm tăng chính xác trong việc điều chỉnh hướng đi cho hệ thống. Tuy nhiên khâu này cũng làm tăng độ dao động dẫn tới tính ổn định của hệ thống kém.
- Khi thời tiết xấu để tránh cho hệ thống lái tự động phải làm việc quá tải cần phải ngắt khâu tích phân ra khỏi hệ thống.
4.3.4.Khâu tỷ lệ góc bẻ lái K4
- Tín hiệu này tỷ lệ với góc quay của bánh lái. Đây cũng là một trong các tín hiệu cơ bản điều khiển chính của hệ thống.
4.3.5.Khâu tỷ lệ vi phân góc lái K5d/dt
Tín hiệu này cũng có tác động tương tự như tín hiệu vi phân góc lệch hướng đi của tàu. Đây là khâu phản hồi âm mềm làm tăng tính ổn định của hệ thống, khử tính quán tính của máy lái, bánh lái và giảm bớt thời gian quá độ. Khâu này chỉ làm việc ở chế độ động.
4.4. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống lái.
*Khối nguồn:
+ Cấp nguồn cho hệ thống từ MSB .
+ Cung cấp nguồn AC 440V và 220V cho khối điều khiển bơm . + Cung cấp nguồn DC 24V cho mạch điều khiển.
* Hộp khởi động:
- Khởi động động cơ M từ khối Starter. Động cơ được trang bị là loại động cơ dị bộ Roto lồng sóc.
- Việc khởi động động cơ có thể thực hiện tại chỗ trên hộp khởi động hoặc điều khiển từ xa tại buồng lái .
- Động cơ được khởi động trực tiếp .
* Hộp điều khiển :
- Gồm các thiết bị điều khiển và các khối xử lý trung gian truyền tín hiệu điều khiển . - Các khối điều khiển:
+ Auto steering (Khối lái tự động) .
+ Hand steering (Khối lái lặp) .
+ Non-Follow-up Steering (Khối lái đơn giản) . - Các bộ xử lý trung gian:
+ Khối AUTO TERMINAL BOARD . + MANUAL TERMINAL BOARD .
- Các thiết bị chỉ báo, các thiết bị định vị, la bàn … Có thể bao gồm:
+Lái điện cơ :
Động cơ thực hiện truyên tín hiệu điều khiển tới bánh lái thơng qua một cơ cấu truyền cơ khí mà có thể là xích hoặc dây curua, các cặp bánh răng hay trục vít .
+Lái điện thuỷ lực :
- Cơ cấu truyền thuỷ lực bao gồm : Bơm thuỷ lực .
Động cơ thuỷ lực .
Hệ thống đường ống, van kết nối giữa bơm và động cơ thuỷ lực . + Bơm thuỷ lực: Có hai loại :
- Bơm có lưu lượng khơng đổi (Q=const) .
Được sử dụng trên tàu có trọng tải nhỏ D8000T vòng quay do động cơ thực hiện sinh ra và được điều khiển bằng hệ thống thuỷ lực .
- Bơm có lưu lượng thay đổi(Q=var) .
và được điều khiển bằng cách dịch tâm bơm . + Động cơ thuỷ lực thì có hai loại :
- Xi lanh lực (thường phổ biến hơn) . - Xi lanh momen .
Kết cấu giữa bơm và động cơ thực hiện được thực hiện bằng các đường ống và các van. + Có các loại van :
- Van an toàn .
- Van cản bằng tay. - Van điện từ . + Có hai loại van điện từ :
- Van áp (input) DC hoặc AC .
Đầu ra được miêu tả trên biểu đồ kết nối các cửa của van . Van có hai trạng thái 0 và 1.
- Van dòng: Cuộn dây là cuộn dòng ngươi ta cho giá trị từ IminImax tuỳ với lưu lượng của van từ QminQmax. Việc điều khiển van phức tạp hơn nhiều so với van điện áp .
Ưu điểm là độ điều khiển tốt .
+ Động cơ lai bơm là động cơ dị bộ Roto lồng sóc .
Khi có tín hiệu điều khiển phát ra từ hệ thống điều khiển (có thể bằng tay hay tự động) điều khiển mở đường dầu thuỷ lực tác động làm quay bánh lái đi một góc tương ứng .
* Trục bánh lái và bánh lái :
Trục bánh lái được điều khiển bởi hệ thống thuỷ lực. Dầu thuỷ lực được bơm hút từ két đưa qua hệ thống thuỷ lực điều khiển, tới máy lái tác động làm quay bánh lái .
Hệ thống lái thường được trang bị hai hệ thống thuỷ lực độc lập nhau. Khi một hệ thống làm việc thì hệ thống kia sẽ được dự trữ để có thể sẵn sàng hoạt động khi có sự cố ngồi ra thì hệ thống cịn có một mạch thuỷ lực dùng dự trữ khi mất điện.
* Hệ thống chỉ báo góc lái :
Trong quá trình điều khiển tàu phải luôn luôn xác định và kiểm sốt được vị trí của bánh lái. Việc xác định vị trí bánh lái phải được thực hiện trên buồng lái. Để phục vụ cho
việc điều khiển tàu vì khoảng cách từ buồng lái đến buồng máy lái phụ là xa nên người ta sử dụng hệ thống chỉ báo góc lái .
Có hai hệ thống chỉ báo góc lái phổ biến là : + Hệ thống chỉ báo góc lái sử dụng Xenxin .
+ Hệ thống chỉ báo góc lái sử dụng cầu điện trở .
Chương 5
PHÂN TÍCH CÁC HỆ THỐNG LÁI. §1. HỆ THỐNG LÁI HOKUSHIN
Hệ thống này được sản xuất từ Nhật Bản, hệ thống kết hợp điện –thuỷ lực. Hệ thống cho phép thực hiện 4 chế độ lái:
+ Lái đơn giản ( NON – FOLLOW UP ) + Lái lặp ( HAND )
+ Lái lặp từ xa ( REMOTE CONTROL ) + Lái tự động ( AUTO )
Máy lái là loại thuỷ lực với bơm biến lượng hình sao dùng động cơ SECVO để điều khiển dịch tâm bơm. Động cơ thuỷ lực là các xilanh lực lắc được. Hệ thống điều khiển dùng vi mạch bán dẫn và các sensin.
1.1. Phân tích đặc điểm kỹ thuật của hệ thống.
1.1.1 Giới thiệu phần tử :(SƠ ĐỒ 03)
Nguồn xoay chiều 440V- 60Hz cấp cho cuộn sơ cấp của biến áp T2 khi các tiếp điểm A1- A2 của công tắc cấp nguồn chính SWA đóng.
- T2: Biến áp hạ áp, phía thứ cấp của biến áp có 2 cuộn dây. Cuộn thứ nhất đưa nguồn đối xứng 80V tới các mạch khuyếch đại cịn ở cuộn thứ hai có một đầu 22V cấp cho các đèn báo và một đầu dây nguồn 100V cấp cho sensin , A .
- A: Sensin nhận tín hiệu độ lệch hướng đi từ la bàn chuyển về. Tín hiệu ra từ sensin này có tín hiệu xoay chiều có độ lớn tỉ lệ với độ lệch hướng đi của tàu so với hướng đi đặt trước, pha của nó thay đổi tuỳ thuộc vào hướng lệch của mũi tàu. Tín hiệu này được lấy từ 2 pha của các cuộn dây stato để đưa tới chân 10, 11 của khối H2111 của chế độ lái tự động.
- H: Rơto của sensin này có liên hệ cơ khí với vơ lăng lái,dùng để phục vụ cho chế độ
lái lặp. Tín hiệu ra từ sensin này là tín hiệu xoay chiều có độ lớn tỉ lệ với độ lớn của góc lệch bánh lái. Tín hiệu này được cấp từ 2 pha của các cuộn dây stato để đưa tới chân HR1, HR2 của khối H2135 của chế độ lái lặp.
- : Rôto của sensin này có liên hệ cơ khí với trụ lái. Tín hiệu ra từ sensin là tín hiệu
xoay chiều có độ lớn tỷ lệ với với độ lớn góc quay của bánh lái, pha của nó thay đổi tuỳ