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【摘 要】 本文通过实例分析，进而对舵机自激振荡的分析、自动操舵系统的主要故障修理，以及原舵机系统故障源分析与改造对策这三个方面对船舶舵机控制系统故障分析及其改造进行阐述。
【关键词】 船舶舵机；控制系统；故障分析；改造
前言：
随着我国航海运输行业的不断发展，人们对于船舶舵机的控制系统提出了更高的要求，为了保障系统的稳定，我们需要对系统中出现故障进行分析，以便找出相对应的解决方法。
1、实例分析
“胜利221”轮配有左、右舵两套舵机装置、两台舵机油泵和两个控制箱，2台舵机油泵可同时工作，也可单独工作。无论哪台油泵工作，均可同时对左、右舵机进行转舵控制。操舵系統操舵控制方式较多，设有舵机房应急操舵方式、驾驶台操舵方式。驾驶台操舵可以在前台操作，也可以在后台操作。前台和后台均可进行随动、手动操舵，随动和手动又均可进行单动和联动控制。舵机控制系统目前采用继电器及分立和集成电子元件控制，在控制箱中有4块电子电路板，是操舵控制的核心部件，随动操舵时由自整角机检测的舵角偏差信号送至电子电路板进行处理，并输出转舵控制信号，由控制箱中继电器控制转舵电磁阀通断电。
2、舵机自激振荡的分析
众所周知，工程中往往要求根据实际需要在放大电路中引入适当的负反馈，以改善放大电路的性能。不同的负反馈类型对放大电路性能的改善侧重不同，应根据实际要求的功能选择合适的组态。为了获得运算放大器的精度-必须提高其开环放大倍数，但对于多级放}大电路（超过三级），在引入负反馈之后容易产生高频自激振荡。放大电路中耦合电容、旁路电容等越多，引人负反馈后就越易产生低频自激振荡。若电路组成不合理，反馈程度过深，反而会使放大电路产生自激振荡而不能稳定工作。
自激振荡是由放大器A和正反馈F网络组成的闭合环路，其幅度条件|AF|=1，相位条件∠AF=2nп，这是形成自激振荡必须满足的振荡条件，这两个条件缺一不可。附加相移ФAF，能使负反馈转变为正反馈，极易产生自激振荡，破坏放大器的正常工作。
自动舵控制系统为了提高反馈放大电路的稳定性，工作在深度负反馈状态，|1+AF|>>1，不受除输入量以外的干扰因素的影响。但是，自动舵P.C.B部分不可避免地受到电源电压、温度、湿度等外界因素变化的影响。这些变化引起半导体器件的特性和回路参数变化，同时，其内部存在固有噪声，即使它工作在稳定状态，也将引起回路振荡。要设法消除电路振荡，常用RC校正网络，在电路中加入电容C，或利用R、C元件进行相位补偿，改变电路的高频特性，从而破坏自激条件。舵机抖动严重影响舵机工作和船舶航行，其发生的可能原因有舵机自激、舵输入信号波动、电源自激、舵机与惯性传感器形成电路闭环等。经过对实船舵系统和电源进行认真的测试分析后，发现电源、传感器正常，同时排除了控制组合线路中的通道控制信号波动造成的影响。因此舵机抖动原因可能是：控制电路P.C.B中某个运算放大环节的自激；线路增益异常、线路幅频或相频特性不正常；舵系统幅频或相频特性不正常。
3、自动操舵系统的主要故障修理
3.1、自动舵不工作的修理
执行装置系统的电源电路要进行的检查：（1）检查主电源、主变压器、机组等电源是否正常；（2）在舵机房用手柄操舵时，检查电源工作是否正常；（3）在驾驶室用手柄操舵时，检查电路的电源是否正常；（4）操手动舵，检查液压源、机械传动和电动机电磁阀的工作是否正常。
随动、自动操舵系统的电源电路要进行的检查：（1）主变压器初级绕组供电是否正常；（2）变压器次级绕组输出电压是否正常；（3）各整流电路、稳压电路等线路端电压是否正常；（4）若有异常，对电路进行修理、调试，元件损坏换新；（5）检查自动舵指令发讯部分工作是否正常；（6）检查机械传动部分，观察齿轮的啮合状态；（7）放大电路和开关电路要进行的检查：（a）信号比较单元的检查；（b）运算放大器电路的检查；（c）脉冲形成与开关电路的检查；（d）继电开关或可控硅电路的检查。
3.2、自动舵不准确的修理
（1）检查舵叶机械零位是否准确；
（2）检查分罗经跟随主罗经是否准确；
（3）检查接收机机械传动，其阻力距不得大于0.01NM；
（4）对舵讯的发送、接收、反馈，若采用自整角机，需对自整角机进行以下检查：（a）自整角机的校零，其方法为：确定机械零位，松开自整角机外壳的固定件，用万用表测量自整角机的输出电压，用手轻轻转动自整角机外壳，直到接线之间的电压达到最小为止。若该点又是稳定零点，即可紧固自整角机的固定件；（b）若自整角机找不出稳定零点，可检查激磁绕组是否断路，整步绕组是否短路或开路，先排除故障，再校零点；（c）检查相敏整流电路；（d）检查输出是否平衡，即当相敏整流电路输入为零时，相敏整流输出电压不应超过0.02V，否则需调整；（e）检查电源变压器付边电压是否对称；（f）检查四个桥臂的二极管特性和电阻是否相同。若以上检查都没有出现异常，可调整四个桥臂电阻和输出电阻，使之输出平衡。
（5）检查放大电路：（a）对集成运算放大电路，检查各结点工作电压是否正常；（b）对分离件放大电路，检查各元件工作是否正常；（c）检查放大器的灵敏度调节电路；（d）检查开关电路、可控硅电路、电磁阀和执行电机的工作是否正常；（e）检查自动舵比较环节工作是否正常；（f）检查自动舵执行机构和传动机构运行是否灵活，部件磨损是否严重。
3.3、自动舵不灵敏的修理
（1）自动舵不灵敏与自动舵不准确有很大关系；（2）检查机械传动部分是否滑动；（3）检查液压源和执行电机等执行部分是否正常；（4）检查电子电路的增益。
3.4、自动舵不稳定的修理
（1）检查放大器的增益，增益选择过高，系统易振荡； （2）检查开关放大器电路的继电器特性，其宽度不超过灵敏度的1/2。继电器特性过宽引起系统的不稳定；
（3）检查舵令的发送、反馈相位是否正确；
（4）检查舵令信号的发送、接收、反馈的自整角机工作是否正确；
（5）检查舵的旋转速度，旋转速度取得不合适，也会造成系统的振荡；
（6）舵机液压系统油路漏油，有空气造成舵机爬行或振荡也能引起系统不稳定。
4、原舵机系统故障源分析与改造对策
原舵机系统由继电控制系统、土接触器电机和制动装置等环节组成。
4.1、继电控制系统
它由中间继电器和时间继电器组成，这些触点带电频繁运动，由于电弧灼伤，触头接触不良或熔焊，引起高故障率，使系统逻辑失控。尤其电动舵机的能耗制动时间长短是由时间继电器控制的，后者触点或机械运动部件的失灵，将引起机械制动装置的严重磨损和余舵。
显然，废除触点控制方式，直接采用微机进行逻辑控制是最佳选择，而时间继电器则由微机中的定时器（CTC）来替代。
4.2、主接触器
系统中有正、反向两个大电流主接触器用于直接驱动电动舵机，由于控制环节的失控和紊乱，以及接触器本身运动部件吸合不当，会造成下触头拉弧、熔焊、接触器线圈烧毁。将仁接触器改革为无触点的电力电子开关，不仅先进可靠，而且结构紧凑，使用方便。
4.3、制动装置
原系统的能耗制动和機械抱闸制动都存在着体积庞大、动作迟钝、维护困难的缺点。取而代之的是一种新的制动方式—反接制动方式。这也是微机实时控制的核心任务。
4.4、电机
根据ZC规范，舵机允许堵转1min，以往的堵转保护由热继电器实现，由护热继电器常受巨大堵转电流冲击易产生永久性变形，加之RJ长期未清洁等原因，热继电器动作失灵引起电机损坏。
革去热继电器，采用三相电流检测方法得到准确的保护整定值，并由微机CTC作延时计时。电机则选用力矩马达，它的堵转电流与额定电流之比相对较小，“胜利”号上最后选用的是JLJ一HD25/6，力矩250N·m，堵转电流100A。
5、结语
船舶的舵机控制系统对于舵机的控制是十分必要，如果控制系统出现故障将会发生极大的事故。因此，我们不仅仅要对控制系统进行故障的排除，还应当积极对系统进行升级改造。
参考文献：
[1]张桂臣，何文雪.船舶舵机控制系统故障分析及其改造[J]《船舶工程》ISTICPKU-2012年5期-
[2]李冰，朱田，张玉廷，李莉红.基于层次分析法的船舶舵机等效性分析[J]《仪器仪表学报》ISTICEIPKU-2013年2期-
[3]张桂臣，任光，何文雪.船舶自动舵控制系统实施改造的研究及实现[J]《中国造船》ISTICPKU-2012年4期-
[4]慕香永，裴润，刘志林，张军.用于船舶舵机的电液负载模拟器之控制系统[J]《控制理论与应用》ISTICEIPKU-2010年3期-
【关键词】 船舶舵机；控制系统；故障分析；改造
前言：
随着我国航海运输行业的不断发展，人们对于船舶舵机的控制系统提出了更高的要求，为了保障系统的稳定，我们需要对系统中出现故障进行分析，以便找出相对应的解决方法。
1、实例分析
“胜利221”轮配有左、右舵两套舵机装置、两台舵机油泵和两个控制箱，2台舵机油泵可同时工作，也可单独工作。无论哪台油泵工作，均可同时对左、右舵机进行转舵控制。操舵系統操舵控制方式较多，设有舵机房应急操舵方式、驾驶台操舵方式。驾驶台操舵可以在前台操作，也可以在后台操作。前台和后台均可进行随动、手动操舵，随动和手动又均可进行单动和联动控制。舵机控制系统目前采用继电器及分立和集成电子元件控制，在控制箱中有4块电子电路板，是操舵控制的核心部件，随动操舵时由自整角机检测的舵角偏差信号送至电子电路板进行处理，并输出转舵控制信号，由控制箱中继电器控制转舵电磁阀通断电。
2、舵机自激振荡的分析
众所周知，工程中往往要求根据实际需要在放大电路中引入适当的负反馈，以改善放大电路的性能。不同的负反馈类型对放大电路性能的改善侧重不同，应根据实际要求的功能选择合适的组态。为了获得运算放大器的精度-必须提高其开环放大倍数，但对于多级放}大电路（超过三级），在引入负反馈之后容易产生高频自激振荡。放大电路中耦合电容、旁路电容等越多，引人负反馈后就越易产生低频自激振荡。若电路组成不合理，反馈程度过深，反而会使放大电路产生自激振荡而不能稳定工作。
自激振荡是由放大器A和正反馈F网络组成的闭合环路，其幅度条件|AF|=1，相位条件∠AF=2nп，这是形成自激振荡必须满足的振荡条件，这两个条件缺一不可。附加相移ФAF，能使负反馈转变为正反馈，极易产生自激振荡，破坏放大器的正常工作。
自动舵控制系统为了提高反馈放大电路的稳定性，工作在深度负反馈状态，|1+AF|>>1，不受除输入量以外的干扰因素的影响。但是，自动舵P.C.B部分不可避免地受到电源电压、温度、湿度等外界因素变化的影响。这些变化引起半导体器件的特性和回路参数变化，同时，其内部存在固有噪声，即使它工作在稳定状态，也将引起回路振荡。要设法消除电路振荡，常用RC校正网络，在电路中加入电容C，或利用R、C元件进行相位补偿，改变电路的高频特性，从而破坏自激条件。舵机抖动严重影响舵机工作和船舶航行，其发生的可能原因有舵机自激、舵输入信号波动、电源自激、舵机与惯性传感器形成电路闭环等。经过对实船舵系统和电源进行认真的测试分析后，发现电源、传感器正常，同时排除了控制组合线路中的通道控制信号波动造成的影响。因此舵机抖动原因可能是：控制电路P.C.B中某个运算放大环节的自激；线路增益异常、线路幅频或相频特性不正常；舵系统幅频或相频特性不正常。
3、自动操舵系统的主要故障修理
3.1、自动舵不工作的修理
执行装置系统的电源电路要进行的检查：（1）检查主电源、主变压器、机组等电源是否正常；（2）在舵机房用手柄操舵时，检查电源工作是否正常；（3）在驾驶室用手柄操舵时，检查电路的电源是否正常；（4）操手动舵，检查液压源、机械传动和电动机电磁阀的工作是否正常。
随动、自动操舵系统的电源电路要进行的检查：（1）主变压器初级绕组供电是否正常；（2）变压器次级绕组输出电压是否正常；（3）各整流电路、稳压电路等线路端电压是否正常；（4）若有异常，对电路进行修理、调试，元件损坏换新；（5）检查自动舵指令发讯部分工作是否正常；（6）检查机械传动部分，观察齿轮的啮合状态；（7）放大电路和开关电路要进行的检查：（a）信号比较单元的检查；（b）运算放大器电路的检查；（c）脉冲形成与开关电路的检查；（d）继电开关或可控硅电路的检查。
3.2、自动舵不准确的修理
（1）检查舵叶机械零位是否准确；
（2）检查分罗经跟随主罗经是否准确；
（3）检查接收机机械传动，其阻力距不得大于0.01NM；
（4）对舵讯的发送、接收、反馈，若采用自整角机，需对自整角机进行以下检查：（a）自整角机的校零，其方法为：确定机械零位，松开自整角机外壳的固定件，用万用表测量自整角机的输出电压，用手轻轻转动自整角机外壳，直到接线之间的电压达到最小为止。若该点又是稳定零点，即可紧固自整角机的固定件；（b）若自整角机找不出稳定零点，可检查激磁绕组是否断路，整步绕组是否短路或开路，先排除故障，再校零点；（c）检查相敏整流电路；（d）检查输出是否平衡，即当相敏整流电路输入为零时，相敏整流输出电压不应超过0.02V，否则需调整；（e）检查电源变压器付边电压是否对称；（f）检查四个桥臂的二极管特性和电阻是否相同。若以上检查都没有出现异常，可调整四个桥臂电阻和输出电阻，使之输出平衡。
（5）检查放大电路：（a）对集成运算放大电路，检查各结点工作电压是否正常；（b）对分离件放大电路，检查各元件工作是否正常；（c）检查放大器的灵敏度调节电路；（d）检查开关电路、可控硅电路、电磁阀和执行电机的工作是否正常；（e）检查自动舵比较环节工作是否正常；（f）检查自动舵执行机构和传动机构运行是否灵活，部件磨损是否严重。
3.3、自动舵不灵敏的修理
（1）自动舵不灵敏与自动舵不准确有很大关系；（2）检查机械传动部分是否滑动；（3）检查液压源和执行电机等执行部分是否正常；（4）检查电子电路的增益。
3.4、自动舵不稳定的修理
（1）检查放大器的增益，增益选择过高，系统易振荡； （2）检查开关放大器电路的继电器特性，其宽度不超过灵敏度的1/2。继电器特性过宽引起系统的不稳定；
（3）检查舵令的发送、反馈相位是否正确；
（4）检查舵令信号的发送、接收、反馈的自整角机工作是否正确；
（5）检查舵的旋转速度，旋转速度取得不合适，也会造成系统的振荡；
（6）舵机液压系统油路漏油，有空气造成舵机爬行或振荡也能引起系统不稳定。
4、原舵机系统故障源分析与改造对策
原舵机系统由继电控制系统、土接触器电机和制动装置等环节组成。
4.1、继电控制系统
它由中间继电器和时间继电器组成，这些触点带电频繁运动，由于电弧灼伤，触头接触不良或熔焊，引起高故障率，使系统逻辑失控。尤其电动舵机的能耗制动时间长短是由时间继电器控制的，后者触点或机械运动部件的失灵，将引起机械制动装置的严重磨损和余舵。
显然，废除触点控制方式，直接采用微机进行逻辑控制是最佳选择，而时间继电器则由微机中的定时器（CTC）来替代。
4.2、主接触器
系统中有正、反向两个大电流主接触器用于直接驱动电动舵机，由于控制环节的失控和紊乱，以及接触器本身运动部件吸合不当，会造成下触头拉弧、熔焊、接触器线圈烧毁。将仁接触器改革为无触点的电力电子开关，不仅先进可靠，而且结构紧凑，使用方便。
4.3、制动装置
原系统的能耗制动和機械抱闸制动都存在着体积庞大、动作迟钝、维护困难的缺点。取而代之的是一种新的制动方式—反接制动方式。这也是微机实时控制的核心任务。
4.4、电机
根据ZC规范，舵机允许堵转1min，以往的堵转保护由热继电器实现，由护热继电器常受巨大堵转电流冲击易产生永久性变形，加之RJ长期未清洁等原因，热继电器动作失灵引起电机损坏。
革去热继电器，采用三相电流检测方法得到准确的保护整定值，并由微机CTC作延时计时。电机则选用力矩马达，它的堵转电流与额定电流之比相对较小，“胜利”号上最后选用的是JLJ一HD25/6，力矩250N·m，堵转电流100A。
5、结语
船舶的舵机控制系统对于舵机的控制是十分必要，如果控制系统出现故障将会发生极大的事故。因此，我们不仅仅要对控制系统进行故障的排除，还应当积极对系统进行升级改造。
参考文献：
[1]张桂臣，何文雪.船舶舵机控制系统故障分析及其改造[J]《船舶工程》ISTICPKU-2012年5期-
[2]李冰，朱田，张玉廷，李莉红.基于层次分析法的船舶舵机等效性分析[J]《仪器仪表学报》ISTICEIPKU-2013年2期-
[3]张桂臣，任光，何文雪.船舶自动舵控制系统实施改造的研究及实现[J]《中国造船》ISTICPKU-2012年4期-
[4]慕香永，裴润，刘志林，张军.用于船舶舵机的电液负载模拟器之控制系统[J]《控制理论与应用》ISTICEIPKU-2010年3期-