Tổng quan về hệ thống lái tàu thủy. nghiên cứu các xê ry máy lái hãng roll royce

  • 54 trang
  • file .doc
LỜI CẢM ƠN
Được sự phân công của khoa Điện – Điện tử, trường Đại học Hàng Hải
Việt Nam và được sự đồng ý giúp đỡ của thầy giáo, ThS. Bùi Văn Dũng đã giúp
em hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Tổng quan về hệ thống lái tàu
thủy. Nghiên cứu các xê-ry máy lái hãng Roll-Royce”.
Để hoàn thành được đồ án này, lời đầu tiên cho phép em được gửi lời cảm
ơn tới các thầy, cô trong khoa Điện – Điện tử nói chung và thầy giáo, ThS. Bùi
Văn Dũng nói riêng cùng các bạn sinh viên trong khoa đã nhiệt tình giúp đỡ em
trong quá trình làm hoàn thành đồ án này.
Tuy nhiên, do hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm thực tế nên đồ án của
em khó có thể tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của các
thầy cô và các bạn để đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn.!
1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan công trình này là của riêng tôi. Mọi số liệu và kết quả
trong đề tài này là trung thực, chưa được đăng trên bất cứ tài liệu nào.
Hải phòng, ngày 30 tháng 11năm 2015
Sinh viên thực hiện
Vũ Trọng Tân
2
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................2
LỜI MỞ ĐẦU......................................................................................................6
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI TÀU THỦY........................7
1.1 Chức năng, yêu cầu, phân loại.....................................................................7
1.1.1 Khái niệm – chức năng..............................................................................7
1.1.2 Yêu cầu........................................................................................................7
a. Điều kiện làm việc của hệ thống lái...............................................................7
b. Yêu cầu khai thác............................................................................................8
c. Yêu cầu về cấu trúc.........................................................................................9
1.1.3 Phân loại....................................................................................................10
a. Phân loại theo chế độ công tác của hệ thống..............................................10
b. Phân loại theo cấu tạo thiết bị điều khiển...................................................10
c. Phân loại theo nguyên lý hoạt động của thiết bị điều khiển......................11
d. Phân loại theo hình dạng của bánh lái (Cách phân loại theo truyền động
điện)....................................................................................................................12
e. Phân loại theo dạng năng lượng truyền động.............................................12
1.2 Các chế độ làm việc, cấu trúc và thuật toán điều khiển của từng chế độ
13
1.2.1 Chế độ lái tự động....................................................................................13
1.2.2 Chế độ lái truy theo (lái lặp)....................................................................14
1.2.3 Chế độ lái đơn giản...................................................................................15
1.3 Sơ đồ khối của hệ thống lái tự động tàu thủy...........................................16
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY LÁI TÀU THỦY...........17
2.1 Yêu cầu đối với hệ thống máy lái tàu thủy................................................17
2.2 Máy lái Điện - Cơ........................................................................................18
2.3 Máy lái Điện – Thủy Lực............................................................................18
2.3.1 Máy lái Điện – Thủy Lực với bơm lưu lượng ra không đổi..................19
2.3.2 Máy lái Điện – Thủy Lực với bơm lưu lượng ra thay đổi.....................20
2.3.3 Máy lái Điện – Thủy Lực sử dụng bơm thủy lực có đảo chiều quay.. .20
3
Chương 3: NGHIÊN CỨU CÁC XÊ RY MÁY LÁI HÃNG ROLL-ROYCE
21
3.1 Giới thiệu chung về máy lái hãng Roll-Royce...........................................21
3.2 Máy lái hãng Roll-Royce có sử dụng biến tần, bơm thủy lực có đảo chiều
quay.....................................................................................................................22
3.2.1 Sơ đồ tổng thể hệ thống máy lái Roll-Royce có sử dụng biến tần, bơm
thủy lực có đảo chiều quay...............................................................................22
3.2.2 Nguyên lý hoạt động.................................................................................23
a. Mạch điều khiển tại chỗ và lái đơn giản tại buồng máy lái (Bản vẽ
0000_0650 - trang 1/4).......................................................................................23
b. Mạch khởi động từ xa (Hình 3.2)................................................................24
c. Mạch lái đơn giản từ trên buồng lái (Hình 3.3)..........................................25
d. Mạch lái đơn giản ở chế độ vượt cấp (Hình 3.4)........................................27
e. Mạch điều khiển chế độ lái lặp (Hình 3.5)...................................................29
g. Chế độ lái tự động (Hình 3.6 – bản vẽ W_1320_01_04 – trang 6/6)..........31
h. Mạch ngắt cuối (Bản vẽ 0000_0650 – trang 2/4).........................................32
i. Các báo động và bảo vệ (Bản vẽ 0000_0650,W1680_00_07)......................33
3.3 Máy lái Roll – Royce với bơm thủy lực không đảo chiều quay, không sử
dụng biến tần. ....................................................................................................36
3.3.1 Sơ đồ tổng thể máy lái Roll – Royce với bơm lưu lượng không đổi.....36
3.3.2 Nguyên lý hoạt động các chế độ điều khiển...........................................37
a. Mạch khởi động tại chỗ (Bản vẽ: W_1700_01_01).....................................37
b. Mạch khởi động từ xa...................................................................................38
c. Mạch lái đơn giản từ trên buồng lái.............................................................39
d. Mạch lái lặp....................................................................................................41
e. Mạch điều khiển chế độ lái tự động.............................................................43
f. Mạch ngắt cuối (Bản vẽ: W_1700_01_01)....................................................44
g. Các báo động và bảo vệ.................................................................................46
3.4 Nhận xét về các hệ thống máy lái hãng Roll-Royce..................................49
3.4.1 Bơm thủy lực.............................................................................................49
3.4.2 Hệ thống báo động....................................................................................49
4
3.4.3 Phương thức khởi động.............................................49
Số hình Tên hình Trang
Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống lái tự động tàu thủy 13
Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái lặp 14
Hình 1.3 Cấu trúc chung của hệ thống lái tự động tàu thủy 16
Hình 2.1 Cấu trúc máy lái điện cơ. 18
Hình 2.2 Cấu trúc chung của máy lái Điện – Thủy Lực 18
Cấu trúc máy lái Điện – Thủy Lực với bơm lưu lượng không thay
Hình 2.3 19
đổi
Cấu trúc máy lái Điện – Thủy Lực với lưu lượng ra thay đổi (Điều
Hình 2.4 20
khiển bằng Servo Motor)
Máy lái Điện – Thủy Lực dùng bơm có lưu lượng ra thay đổi, có đảo
Hình 2.5 20
chiều quay (Điều khiển bằng biến tần)
Hình 3.1 Sơ đồ tổng thể hệ thống máy lái bơm lưu lượng thay đổi 22
Hình 3.2 Mạch khởi động động cơ từ xa 23
Hình 3.3 Mạch lái đơn giản từ trên buồng lái 25
Hình 3.4 Mạch lái đơn giản trong chế độ vượt cấp 27
Hình 3.5 Mạch điều khiển chế độ lái lặp 29
Hình 3.6 Mạch điều khiển chế độ lái tự động 31
Hình 3.7 Mạch báo động 33
Sơ đồ tổng thể hệ thống máy lái Roll-Royce với bơm có lưu lượng
Hình 3.8 36
đầu ra không đổi
Hình 3.9 Mạch khởi động từ xa (máy lái có bơm lưu lượng đầu ra không đổi) 38
Hình 3.10 Mạch lái đơn giản từ trên buồng lái 39
Hình 3.11 Mạch lái lặp 41
Hình 3.12 Mạch lái tự động 43
Hình 3.13 Mạch ngắt cuối 44
Hình 3.14 Mạch báo động 46
3.4.4 Tín hiệu điều khiển...................................................................................50
KẾT LUẬN........................................................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................52
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
5
LỜI MỞ ĐẦU
Là một sinh viên chuyên ngành Điện tự động tàu thủy, khoa Điện – Điện
Tử, trường Đại học Hàng Hải Việt Nam. Sau 4 năm học tập và rèn luyện tại
trường, được sự quan tâm dạy dỗ và truyền đạt kiến thức của các thầy cô trong
khoa Điện – Điện Tử, em đã được trang bị tương đối đầy đủ kiến thức về ngành
điện nói chung và ngành điện tàu thủy nói riêng. Cùng với hai tháng thực tập tại
công ty eL-Tech Việt Nam, đã giúp e tìm hiểu thêm những kiến thức thực tế và
môi trường làm việc trên tàu thủy. Sau khi kết thúc đợt thực tập, em đã được
Khoa và Nhà trường giao đề tài tốt nghiệp:
“Tổng quan về hệ thống lái tàu thủy. Nghiên cứu các xê ry máy lái hãng
Roll – Royce”.
Sau thời gian hai tháng, với nỗ lực tự tìm hiểu của bản thân, cùng với sự
hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn Th.S Bùi Văn Dũng và các thầy cô
trong Khoa Điện – Điện Tử đã giúp em hoàn thành đồ án của mình. Tuy nhiên,
do kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế, do đó khó có thể
tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự bổ sung, góp ý của các
thầy cô và các bạn để đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn.!
Hải Phòng, ngày 30 tháng 11 năm 2015
Sinh viên: Vũ Trọng Tân
6
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI TÀU THỦY
1.1 Chức năng, yêu cầu, phân loại.
1.1.1Khái niệm – chức năng
Trên tàu thuỷ hệ thống lái là một hệ thống đặc biệt quan trọng. Nó đảm
nhiệm chức năng ổn định con tàu theo hành trình cho trước, nhanh chóng thay
đổi hướng đi của tàu theo hướng 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 hướng, hệ
thống lái còn phải đảm bảo cho tàu đi theo một con đường gần nhất và thời gian
hành trình được rút ngắn. Nếu hệ thống lái thực hiện được tốt những chức năng
trên thì hiệu quả kinh tế trong vận chuyển hàng hoá sẽ được tăng cao, con người
và thiết bị trên tàu sẽ được đảm bảo an toàn. Ngược 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 nhà sản xuất đã liên tục cải tiến hệ thống lái để nó luôn thích ứng
được với những yêu cầu cao hơn được 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 trường. Đó là các chế độ lái tự động hành trình theo quỹ đạo, tự thích nghi,
tối ưu, kinh tế... Nó có kết cấu gọn nhẹ, điều khiển đơn giản và tính kinh tế
cao...
1.1.2 Yêu cầu
a. Điều kiện làm việc của hệ thống lái
Môi trường hoạt động của con tàu là trên biển nên các hệ thống trên tàu
thuỷ nói chung và hệ thống lái nói riêng hoạt động trong điều kiện hết sức khắc
nghiệt:
 Sự thay đổi nhiệt độ môi trường là rất lớn, có vùng lạnh -30 0C, có vùng
nóng hơn 450C. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến điều kiện tỏa nhiệt cũng
như khả năng công tác của hệ thống.
 Độ ẩm môi trường dao động lớn 80%  95%.
 Độ ăn mòn đối với thiết bị lớn vì môi trường biển có nồng độ muối rất cao.
7
 Các thiết bị trên tàu chịu sự rung lắc lớn, biên độ lắc ngang 22 0 với chu kỳ
8s  22s, biên độ lắc dọc đến 100 với chu kỳ dao động 6s  10s.
Với những điều kiện trên để đảm bảo hiệu quả kinh tế, độ an toàn cho tàu
và người vận hành thì hệ thống lái phải được chế tạo chắc chắn, kết cấu gọn nhẹ,
dễ lắp đặt, hoạt động một cách tin cậy, dễ dàng sửa chữa, bảo dưỡng và thay thế,
vận hành khai thác đơn giản, an toàn.
b. Yêu cầu khai thác
 Hệ thống điều khiển cho phép chỉnh định các thông số khi điều kiện khai
thác của tàu thay đổi để đáp ứng được yêu cầu về chất lượng và an toàn
của hệ thống.
 Trong chế độ tự động giữ hướng đi cho trước với độ chính xác  10
trong điều kiện vận tốc của tàu V t 6 hải lý/h và không phụ thuộc vào
trạng thái mặt biển cũng như trọng tải thực của tàu. ( = 0 - , 0 là
hướng đi cho trước,  là hướng đi thực của tàu).
 Biên độ dao động trung bình của con tàu so với hướng đi cho trước:
 Không vượt quá 10 khi sóng biển không quá cấp 3 và tốc độ tàu V t 6
Hải lý/h
 Không vượt quá từ 2 – 30 khi sóng biển lớn hơn cấp 3 và không quá cấp
6
 Biên độ dao động trung bình 4  50 khi sóng biển quá cấp 6
 Hệ thống lái tự động phải đảm bảo có thể thay đổi hướng đi của con tàu.
Trong quá trình thay đổi đó ta phải thay đổi từ từ, mỗi lần chỉ thay đổi
không quá 10% tổng giá trị góc thay đổi hướng đi. Thực tế thay đổi khoảng
50 một lần, tránh xảy ra lật tàu. Với tàu chở chất lỏng, chở nước sự thay đổi
hướng đi phụ thuộc vào tốc độ góc cho phép.
 Hệ thống có khả năng cho phép chỉnh định các thông số khi chế độ chuyển
động của con tàu và điều kiện trạng thái mặt biển thay đổi để đảm bảo chất
lượng an toàn.
 Hệ thống thông thường có thể điều khiển được ở 3 chế độ lái.
 Lái đơn giản
 Lái lặp (truy theo) dùng khi tàu điều động ra vào bến và thay đổi hướng
đi.
8
 Lái tự động (tự động giữ hướng đi) dùng cho tàu khi hành trình trên
biển.
Ngoài ra còn có chế độ điều khiển sự cố tại buồng máy lái khi các chế độ
lái trên không làm việc được hay mất điện hệ thống lái
 Hệ thống phải đảm bảo thuận lợi khi khai thác, phải có tín hiệu báo động
khi khai thác bằng đèn và còi: mất nguồn la bàn, mất nguồn máy lái, hệ
thống lái quá tải, lệch hướng đi quá góc cho phép ...
 Hệ thống hoạt động bình thường, an toàn, khi tàu lắc ngang 22 0 chu kỳ 8s
 22s hoặc chúi dọc 100 chu kỳ (6  10)s, chịu được rung lắc có tần số (5
 30) Hz, biên độ (0,3  3,5) mm.
 Hệ thống đảm bảo độ chính xác khi nhiệt độ môi trường thay đổi trong
khoảng
(-10 +50)0, độ ẩm (95 – 98)%.
 Các mạch điện của hệ thống phải có bảo vệ ngắn mạch. Động cơ quá tải
không được ngắt mà chỉ báo động.
c. Yêu cầu về cấu trúc
 Cấu trúc các khí cụ và các phản ứng của hệ thống phải có khả năng làm
việc 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 được thử thách về cơ
học, thời tiết...
 Cấu trúc các phần tử phải đơn giản, thuận tiện, an toàn cho việc sửa chữa,
bảo quản. Trụ điều khiển đặt ở buồng lái phải kín nước, các thiết bị đặt ở
buồng máy lái phải chống nước (tia nước bắn vào).
 Hoạt động của hệ thống không gây nhiễu đối với thiết bị vô tuyến quá mức
cho phép.
 Thiết bị chỉ thị, chỉnh định cũng như là các cơ cấu điều khiển cần bố trí trên
bề mặt trụ điều khiển hay là nơi thuận tiện cho khai thác, bên cạnh phải có
tem ghi chức năng.
 Trụ điều khiển phải có đèn chiếu sáng riêng ở bảng chia độ, cường độ sáng
có thể điều chỉnh được từ 0  Max.
 Cần có biện pháp đề phòng điện giật đối với người sử dụng khi tháo mở
quan sát các thiết bị.
9
 Các nắp đậy, các cửa phải được mở dễ dàng bằng các khí cụ thông thường
khi cần sửa chữa, bảo quản.
 Vỏ máy phải được nối đất với vỏ tàu
 Các cơ cấu điều khiển, các núm điều chỉnh cần có định vị.
 Bề mặt khí cụ cần bọc lớp chống rỉ, không cho phép dùng các vật liệu dễ
nóng chảy để chế tạo các linh kiện dẫn điện.
1.1.3Phân loại
a. Phân loại theo chế độ công tác của hệ thống
 Chế độ 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 di chuyển khi tay điều khiển được đưa về
vị trí “0”, người điều khiển phải thường xuyên theo dõi hệ thống chỉ báo
góc lái để xác định được vị trí thực của bánh lái.
 Chế độ 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 cho người điều khiển kiểm tra tính chính xác trong hoạt động của hệ
thống.
 Chế độ lái tự động giữ hướng: Là hệ thống có khả năng giữ cho con tàu đi
theo một hướng đi đặt trước mà không cần có sự tác động của con người.
Các hệ thống lái tự động mới hiện nay còn thực hiện các chế độ khác như
tự động thích nghi (tự động điều chỉnh các tham số điều khiển), điều khiển tối
ưu theo nhiên liệu, quãng đường (chế độ kinh tế)…
b. Phân loại theo cấu tạo thiết bị điều khiển
 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 như sensin, biến áp quay,
máy phát tốc, động cơ dị bộ 2 pha, khuếch đại từ…Ưu điểm của loại này là
có độ tin cậy cao, chắc chắn, chịu quá tải tốt. Nhược điểm là kích thước,
trọng lượng lớn, chế tạo phần cơ phức tạp, khó chính xác. Loại này thường
là các thế hệ cũ như các lái AASP (Liên xô cũ), ARM, ART (Đức),
Anchutz (Mỹ)…
 Hệ thống lái dùng các phần tử bán dẫn, vi mạch rời rạc: Thiết bị điều
khiển có cấu tạo từ linh kiện bán dẫn: Transistor, IC...cơ bản là sử dụng
điều khiển tương tự.Ưu điểm của loại này là kích thước nhỏ, trọng lượng
10
bé, công suất tiêu hao ít, độ tin cậy cao, chính xác, dễ chế tạo thay thế.
Nhược điểm là trong quá trình làm việc đặc tính công tác phụ thuộc nhiều
vào điều kiện môi trường. Đặc trưng cho các hệ thống lái thế hệ này là: Lái
tự động Brown-X (Anh), Hokushin, Gylot PR 200 – 2600 (Nhật), Decca
Arkass (Đan Mạch) ...
 Hệ thống lái dùng các bộ vi xử lý: Trong hệ thống lái dùng các bộ vi xử
lý, vi điều khiển hoặc máy tính với mục đích để tính toán trong điều khiển.
Thực hiện các thuật điều khiển như PID, thuật điều khiển tối ưu (nhiên liệu,
tối ưu quảng đường..) hay các luật thích nghi, mờ, nơ ron, điều khiển bền
vững… Các phương pháp điều khiển này có thể điều khiển hành trình tàu
theo các phương pháp mới hết sức hiệu quả như tự động điều chỉnh thời
tiết, tự động điều khiển tàu theo toạ độ, hiển thị các thông số cần kiểm tra,
kết nối với các hệ thống điều khiển khác… Các hệ thống lái này có ưu
điểm là kích thước gọn nhẹ, tín hiệu điều khiển được sử dụng bằng phương
pháp số do đó thực hiện được những chức năng có tính kỹ thuật và kinh tế
theo yêu cầu điều khiển, tiện lợi cho phép nối với máy tính để tạo ra một
mạng điều khiển từ xa và tập trung, có thể kết nối với các thiết bị vô tuyến
điện hàng hải như GPS, Ra đa, … nhằm tự động hoá trong quá trình dẫn
đường, tự động điều khiển vị trí tàu (Hệ thống DP), tự động điều khiển tàu
theo quỹ đạo, theo chương trình rất hiệu quả. Hệ thống lái loại này thuộc
các series mới đang đóng trên các tàu đóng mới ở nước ta như: Hokushin
PT11, Yokogawa – PT500, PT70, Gylot PR6000…
c. Phân loại theo nguyên lý hoạt động của thiết bị điều khiển
 Hệ thống hoạt động theo nguyên tắc liên tục
Là hệ thống chứa các phần tử hoạt động liên tục. Ưu điểm của hệ liên tục
là đảm bảo độ láng của điều khiển, độ chính xác tương đối cao khi nhiễu tác
11
động vào đối tượng bé. Tuy nhiên, khi có nhiễu tác động vào làm tín hiệu ra bị
méo, làm chất lượng hệ thống bị suy giảm. Mặt khác hệ tuyến tính không có khả
năng tính toán điều khiển tối ưu, thích nghi bởi không có sự hỗ trợ của các thiết
bị tính toán.
 Hệ thống hoạt động theo nguyên tắc không liên tục
Là hệ thống có một hoặc nhiều hơn một phần tử hoạt động không liên tục.
Ưu điểm của hệ là tận dụng tốt hơn công suất của phần tử nhất là các phần
tử thực hiện có công suất lớn vì tác động năng lượng theo xung. Hệ thống được
chế tạo với các chíp gọn nhẹ, khả năng liên kết mạnh theo kiểu mạng nên rất
gọn nhẹ. Hệ thống có khả năng điều khiển theo nhiều chức năng từ đơn giản đến
phức tạp do sử dụng các phép tính trên các vi xử lý. Kết cấu đơn giản, dễ lắp ráp
và ghép nối. Nhược điểm của hệ thống rời rạc là làm mất tuyến tính, tính liên
tục gây tác động đột biến cho các phần tử.
d. Phân loại theo hình dạng của bánh lái (Cách phân loại theo truyền động
điện)
 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.
e. Phân loại theo dạng năng lượng truyền động
 Máy lái điện - cơ
 Máy lái điện - thủy lực.
 Máy lái điện - thủy lực với bơm lưu lượng không đổi
 Máy lái điện - thủy lực với bơm lưu lượng thay đổi
12
1.2 Các chế độ làm việc, cấu trúc và thuật toán điều khiển của từng chế độ
1.2.1Chế độ lái tự động
Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống lái tự động tàu thủy
Trong đó:
K1: Khối tạo tín hiệu tỷ lệ góc bẻ lái.
K2d/dt: Khối tạo tín hiệu vi phân góc bẻ lái.
K3dt: Khối tạo tín hiệu tích phân góc bẻ lái.
LB: La bàn lấy tín hiệu phản hồi hướng đi thực của con tàu.
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 (sóng, gió, hải lưu,…).
y: Tín hiệu điều khiển của hệ thống.
Phương trình thuật toán điều khiển hệ thống lái tự động đầy đủ như sau:
y = K1 + K2d/dt + K3dt - K4 - K5d/dt
Khi hướng đi của con tàu trùng với hướng đi đặt trước (= 0) thì  = 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 cảm nhận từ la bàn về so sánh với hướng
đi cho trước 0 xuất hiện  = 0 -  0.
13
Các tín hiệu tỷ lệ, vi phân, tích phân sau khi được đưa vào khâu khuếch
đại, 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 quán tính, tàu có xu hướng dao động một vài lần sau đó tàu sẽ trở
lại hướng đi ban đầu.
Đối với sơ đồ cấu trúc đầy đủ của hệ thống lái như 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
1.2.2 Chế độ lái truy theo (lái lặp)
Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái lặp
ĐL: Khối đặt tín hiệu lái
KĐ: Khối khuếch đại tín hiệu lái
THTG: Khối thực hiện trung gian
ML: Máy lái của tàu
14
BL: Bánh lái
CT: Đối tượng điều khiển lúc này là (bánh lái)
0: Góc đặt lái
: Góc bẻ lái của bánh lái
Hệ thống lái lặp – truy theo là lái bằng tay để ra lệnh cho bánh lái truy
theo lệnh đặt trước góc lái bằng vô lăng lái (khối ĐL).
Dùng khi cần điều động vào cảng, hành trình trên khoảng hẹp, khi cần
chuyển hướng đi ở chế độ tự động thì chuyển sang lái lặp để điều khiển lái
(dùng vô lăng lái lặp, khi con tàu đã đi đúng hướng đi mới thì mới chuyển sang
chế độ lái tự động).
Phương trình thuật toán điều khiển
Y = K10 - K4
Khi người điều khiển thực hiện bẻ vô lăng lái, 00  y  0  tác động
qua KĐ, THTG, ML  Làm bánh lái quay theo và bánh lái quay đi 1 góc tương
ứng đến khi  = 0 thì y = 0, bánh lái dừng lại.
1.2.3 Chế độ lái đơn giản
Chế độ lái đơn giản là tác động trực tiếp vào cơ cấu thực hiện trung gian
(Hình 1.2). Khi ta muốn bẻ lái 1 góc nào đó thì phát lệnh bẻ lái, sau khi đã đạt
được góc bẻ lái theo yêu cầu ta phải trả tay lệnh về 0 (lái không phản hồi), nếu
không đưa tay lái về 0 thì bánh lái sẽ bẻ hết mạn. Thường sử dụng tay lệnh lái
đơn giản là công tắc hoặc nút ấn, ít khi dùng chung với tay lái lặp.
15
1.3 Sơ đồ khối của hệ thống lái tự động tàu thủy
Hình 1.3: Cấu trúc chung của hệ thống lái tự động tàu thủy
Nguyên lý hoạt động:
Để điều khiển tàu theo ý muốn, người ta đưa tín hiệu đặt lái vào khối điều
khiển lái. Tín hiệu này có thê được lấy từ vô lăng (chế độ lái lắp) hoặc la bàn
(trong chế độ lái tự động) hoặc nút ấn hay cần gạt (trong chế độ lái đơn giản).
Tín hiệu đặt lái sau đó được đưa đến điều chỉnh, khuếch đại, thực hiện trung
gian, cấp đến cho máy lái. Máy lái bẻ lái, đưa bánh lái sang trái hay phải theo ý
muốn, đưa tàu đi đúng hướng. Khi hành trình, nếu sai lệch hướng đi xảy ra tín
hiệu phản hồi hướng đi đưa về khối xử lý tín hiệu lái, tại đây nó được so sánh
với tín hiệu đặt ban đầu và tạo ra tín hiệu điều khiển để quay bánh lái, đưa tàu
về hướng hành trình cũ. Khi tàu đã về đúng hành trình ban đầu, tín hiệu bẻ lái sẽ
được ngắt, bánh lái trở về vị trí 00.
16
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY LÁI TÀU THỦY
2.1 Yêu cầu đối với hệ thống máy lái tàu thủy
 Hệ thống phải có cấu tạo đơn giản, độ bền cao. Hệ thống điều khiển phải
được thiết kế đơn giản, sử dụng ít nhất các thiết bị. Các thiết bị cấu thành bộ
điều khiển phải được chế tạo và kiểm tra đặc biệt trước khi lắp đặt và sử
dụng trên tàu
 Có hệ số dự trữ cao: Những phần tử quan trọng trong hệ thống được lắp đặt
dưới dạng kép, có thể làm việc song song hoặc độc lập với nhau.
 Có khả năng quá tải momen lớn. Phải đảm bảo momen bẻ lái luôn lớn hơn
momen cản cực đại xuất hiện trên trụ lái.
 Phải đảm bảo thời gian bẻ lái. Khi tàu hành trình với tốc độ lớn nhất, thời
gian để bẻ lái từ 350 mạn này sang 350 mạn kia không quá 28 giây. Nếu góc
lái δ < 350 thì thời gian bẻ lái được tính theo công thức:
Đối với tàu quân sự, hoặc tàu công trình (tàu cuốc, tàu lai dắt...) thì thời
gian bẻ lái từ góc bẻ lái lớn nhất mạn này sang mạn kia là 20 (giây), hoặc có thể
còn nhỏ hơn nữa.
 Đơn giản và thuận tiện trong điều khiển. Mọi thao tác điều khiển cần được
thực hiện qua một cơ cấu điều khiển. Cần có ít nhất hai đến ba trạm điều
khiển. Việc chuyển từ trạm điều khiển này sang trạm điều khiển khác cần
phải được thực hiện nhanh chóng, dễ dàng.
 Phải có thiết bị kiểm tra vị trí thực của bánh lái. Thiết bị này phải hoạt động
tin cậy với độ chính xác cho phép. Ở vùng bẻ lái nhỏ, sai số cho phép là
, ở vùng góc bẻ lái lớn, sai số cho phép lên tới .
 Phải có hệ thống lái sự cố. Thời gian chuyển từ lái chính sang lái sự cố
không quá hai phút
 Cấu tạo đơn giản, giá thành hạ.
17
2.2 Máy lái Điện - Cơ
Hình 2.1: Cấu trúc máy lái điện cơ.
Bánh lái được dẫn động bằng động cơ điện thông qua bộ truyền động cơ
khí (bánh răng, hộp số).
Loại máy lái này có ưu điểm là có kết cấu đơn giản, vận hành dễ dàng.
Tuy nhiên thì hiệu suất không cao, nặng nề, quay trở kém, khó lắp đặt và tuổi
thọ khá cao.
Ngày nay, trên các tàu đóng mới, người ta chỉ dùng hệ thống máy lái Điện
– Thủy lực vì có độ tin cậy và hiệu suất cao. Hệ thống máy lái Điện – Cơ chỉ
còn tồn tại trên các tàu được đóng từ thời gian trước.
2.3 Máy lái Điện – Thủy Lực
Hình 2.2: Cấu trúc chung của máy lái Điện – Thủy Lực
18
Với loại máy lái này, bánh lái được dẫn động nhờ áp lực của dầu thủy lực
tác động lên piston nằm trong xylanh thông qua cơ cấu truyền động thủy lực.
Động cơ điện chỉ có chức năng lai bơm thủy lực để tạo ra dòng thủy lực có áp
lực cao, cấp cho cơ cấu chấp hành quay bánh lái do đó nó có thể hoạt động ở chế
độ dài hạn. Máy lái dạng này có khả năng tạo ra momen quay trở lớn. Hiệu suất
cao hơn nhiều so với máy lái Điện - Cơ.
Máy lái Điện – Thủy Lực có hai dạng:
 Máy lái Điện – Thủy Lực với bơm lưu lượng không đổi.
 Máy lái Điện – Thủy Lực với bơm lưu lượng thay đổi.
2.3.1 Máy lái Điện – Thủy Lực với bơm lưu lượng ra không đổi.
Hình 2.3: Cấu trúc máy lái Điện – Thủy Lực với bơm lưu lượng không thay đổi
Với máy lái dạng này, động cơ điện lai bơm thủy lực luôn hoạt động với
một tốc độ không đổi, dài hạn. Lưu lượng dòng thủy lực do đó cũng không thay
đổi. Việc bẻ lái được thực hiện bằng cách điều khiển đóng mở các van điện từ
cấp dầu thủy lực vào các xylanh lực. Ưu điểm của nó là cho phép thay đổi đột
xuất năng lượng thủy lực cấp cho máy lái, tăng hiệu suất của hệ thống. Tuy
nhiên, nó chứa các phần tử không tuyến tính (rơ le...), làm cho hệ thống dễ dao
động, mất tính liên tục.
19
2.3.2 Máy lái Điện – Thủy Lực với bơm lưu lượng ra thay đổi
Hình 2.4: Cấu trúc máy lái Điện – Thủy Lực với lưu lượng ra thay đổi
(Điều khiển bằng Servo Motor)
Trong cấu trúc máy lái dạng này, động cơ điện lai bơm cũng sẽ hoạt động
liên tục (công tác chế độ dài hạn). Lưu lượng dòng thủy lực đầu ra được thay đổi
bởi Servo Motor. Khi điều khiển Servo Motor làm dịch tâm bơm của bơm thủy
lưc, lưu lượng ra của dòng thủy lực cũng thay đổi theo, từ đó thay đổi áp suất tới
cơ cấu chấp hành của hệ thống máy lái, tốc độ bẻ lái cũng được thay đổi theo đó.
2.3.3 Máy lái Điện – Thủy Lực sử dụng bơm thủy lực có đảo chiều quay.
Hình 2.5: Máy lái Điện – Thủy Lực dùng bơm có lưu lượng ra thay đổi, có đảo
chiều quay (Điều khiển bằng biến tần)
Với máy lái điện thủy lực thông thường thì sử dụng động cơ lai bơm thủy
lực chỉ có một chiều quay, không điều chỉnh tốc độ. Tuy nhiên, trên một số tàu
người ta sử dụng bơm thủy lực có khả năng đảo chiều quay, cấp dòng thủy lực
theo 2 chiều. Để có thể đảo chiều quay bơm thủy lực thì người ta đảo chiều quay
động cơ lai bơm. Để thực hiện điều này, bộ biến tần công nghiệp được sử dụng
để điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ lai bơm.
20