Тема: Общие направления развития ТАУ. 7 страница

(27.3)

Исключим из (27.3) сначала Dz

а затем исключим Dy

(27.4)

Характеристическое уравнение САУ ГД

(27.5)

Так как характеристическое уравнение имеет 2-ю степень, то для устойчивости САУ достаточно, чтобы все коэффициенты уравнения (27.5) были бы положительными числами. В характеристическом уравнении постоянная времени Т_К всегда положительное число. Знак постоянной времени Т_Д совпадает с знаком фактора устойчивости F_Д дизеля. Обычно F_Д>0, иначе ГД невозможно бы было управлять в ручном режиме. Значит коэффициент Т_ДТ_К при старшей производной р² в характеристическом уравнении положительное число. САУ будет устойчива при условии, что коэффициент при р и свободный член уравнения (27.5) также положительны:

(27.6)

С учётом ранее определённых переменных

рассчитываем значения

и преобразуем систему неравенств (27.6) к виду

(27.7)

После преобразований (27.7) получим

(27.8)

Из предыдущих расчётов регуляторной характеристики следовало, что минимальная неравномерность d достигается при оптимальной жесткости с₂ пружины центробежного датчика скорости. При этом фактор устойчивости F_Ц»0, что примем во внимание при анализе неравенства (27.8).

Второе неравенство системы (27.8) будет выполняться при подключенном катаракте, когда с₁>0 и достаточно большом значении коэффициента передачи i рычага 3 РЧВ.

Первое неравенство системы выполняется при тех же условиях на значения с₁ и i. Нужно учесть также то, что постоянная времени Т_К катаракта зависит от с₁ (см. 25.5), и упругое подключение катаракта способствует устойчивости работы РЧВ.

Выводы по результатам расчётов устойчивости и регуляторной характеристики:

1. Для уменьшения неравномерности регуляторной характеристики и, следовательно, повышения точности регулирования частоты вращения винта в центробежном датчике скорости нужно применять не очень жесткую пружину с₂ (график 2 на рис.26.1) и одновременно увеличивать передаточное число i рычага регулятора.

2. При указанных условиях САУ ГД может потерять устойчивость. Подключение катаракта позволяет сохранить устойчивость работы ГД, причём с увеличением как жёсткости с₁ пружины катаракта, так и с увеличением постоянной времени Т_К катаракта запас устойчивости повышается.

Дополнительными исследованиями можно установить, что слишком большое увеличение с₁ и Т_К ведет к снижению быстродействия САУ. Следовательно, величины с₁ и Т_К должны быть ограничены сверху.

28. Система дистанционного автоматического управления главным двигателем (ДАУ ГД)

Для ГД рыболовных судов, находящихся на промысле, характерна многорежимность их работы, связанная с необходимостью частых изменений мощности, скорости и направления движения судна. Решения об изменении режима работы принимаются судоводителями в зависимости от ситуации, которая складывается на промысле. Требуемые изменения режима выполняются САУ ГД и членами машинной команды так, чтобы были обеспечены необходимые показатели качества регулирования и исключены аварийные режимы.

ДАУ ГД - это совокупность технических средств управления, защиты и сигнализации, с помощью которых все операции по изменению режимов работы ГД выполняются судоводителем посредством только одного органа управления, например, рукоятки. Основной эффект от применения ДАУ ГД состоит в том, что судоводитель, будучи освобожденным от необходимости контроля правильности и допустимости своих действий по отношению к ГД, все свое внимание сосредотачивает на решении задач управления судном. ДАУ ГД обеспечивает подготовку двигателя к пуску, пуск двигателя, ввод в режим, заданные характеристики мощности и частоты при работе, останов двигателя.

По Регистру флота все суда со знаками автоматизации А2 должны иметь ДАУ ГД. К классу А2 относятся суда, на которых обслуживание механизмов машинного отделения (МО) в ходовом и промысловом режимах ведётся вахтой центрального поста управления (ЦПУ), а при стоянке - обслуживание безвахтенное.

ДАУ поднадзорна Регистру и должна удовлетворять ряду требований [1]:

1. Быть структурно максимально простой, все изменения режима работы ГД должны выполняться без задержек одной рукояткой, установленной на мостике.

2. Рукоятка управления должна быть совмещена с машинным телеграфом.

3. При наличии нескольких постов управления должна быть обеспечена возможность их параллельного подключения.

4. Регулятор частоты вращения должен быть всережимным, допускающим глубокое регулирование частоты вращения винта.

5. Ошибка регулирования частоты вращения не должна превышать 1,5% от номинальной частоты.

6. Иметь не менее трёх программ управления ГД: нормальную, аварийную и плавного разгона.

7. Обеспечивать три попытки автоматического пуска при ограничении на время их выполнения, причём в последней попытке - с увеличенной подачей топлива.

8. Обеспечивать качество пуска на уровне квалифицированного ручного пуска.

9. Обеспечивать возможность перехода на ручное управление за время не более 10 с.

10.Иметь защиту ГД по максимальной и минимальной подаче топлива, что, соответственно, исключает перегрузку дизеля и не даёт ему заглохнуть.

11.Иметь защиту ГД по состоянию вспомогательных механизмов (питательных насосов, насосов смазки и т.д.).

12.Иметь достаточно развитую систему контроля состояния всех элементов ДАУ ГД и сигнализации.

13.Быть устойчивым к прекращению электропитания.

Наилучшими по многим показателям являются ДАУ ГД на основе микропроцессоров, которые:

· позволяют реализовать оптимальные законы и алгоритмы управления ГД (для судовых микропроцессорных САУ практически не существуют ограничений на сложность алгоритма управления);

· позволяют, при необходимости, просто вносить изменения в алгоритм управления, так как выполняется это путём изменения содержания программы, записанной в памяти микропроцессорной системы управления, без изменения аппаратной части;

· имеют развитую систему самоконтроля и самодиагностики с выводом сообщений в виде текста.

Функциональная схема ДАУ ГД приведена на рис.28.1.

На схеме показано два ГД, которые могут работать в параллель через редуктор Р. Подключаются ГД1 и ГД2 к редуктору через пневмомуфты ПМ1 и ПМ2. Главный вал подключается к редуктору через пневмомуфту ПМ3. На валу имеется гидротормоз вала ГТВ. С помощью механизма изменения шага МИШ поворачивают лопасти винта. К главным двигателям обычно подключены валогенераторы ВГ1 и ВГ2. Один из валогенераторов постоянного тока и к нему подключается траловая лебедка, которая содержит двигатель постоянного тока. Другой валогенератор переменного тока, к нему подключены неответственные потребители, которые не поднадзорны Регистру. Использование валогенераторов позволяет эксплуатировать главные двигатели с максимальным КПД при всех возможных нагрузках на главном валу.

Для управления ГД предусмотрено 3 поста управления: Мостик, ЦПУ и МО. Управление из главного распределительного щита (ГРЩ) вводится временно только при аварии на судовой электростанции. В ДАУ ГД реализованы следующие функции управления:

1. Дистанционный пуск/остановка ГД1 и ГД2 из ЦПУ.

2. Дистанционное управление пневмомуфтами ПМ1 и ПМ2 из ЦПУ и МО.

3. Дистанционное управление пневмомуфтой ПМ3 и гидротормозом вала ГТВ из ЦПУ, МО и с мостика.

4. Дистанционное регулирование частоты вращения w с трёх постов:

· из ЦПУ в режиме раздельного регулирования частоты w в диапазоне 90-100% с целью равномерного распределения нагрузки между ГД1 и ГД2;

· из МО в режиме раздельного регулирования частоты w в диапазоне 50-100% с целью равномерного распределения нагрузки между ГД1 и ГД2;

· из секции управления ГРЩ в случае, когда из-за дефицита мощности главных генераторов судовой электростанции (например, при внезапном аварийном отключении генератора защитой или остановке дизеля) требуется подключение параллельно к судовой сети (к шинам ГРЩ) валогенератора переменного тока. В этом случае вахтенный электромеханик вручную подгоняет частоту валогенератора к частоте сети 50 Гц и затем вручную поддерживает частоту на установленном уровне в течении времени ликвидации аварии на судовой электростанции. Регистром не предусматривается постоянная работа валогенератора на судовую сеть, так как частота вращения главного двигателя должна изменяться в больших пределах, что требуется для эффективного решения задач судовождения.

5. Дистанционное управление механизмом изменения шага (МИШ) винта с мостика.

6. Дистанционное аварийное управление шагом винта из ЦПУ при помощи гидросистемы запасного управления МИШ.

7. Экстренная ручная остановка ГД1 и ГД2 с отключением всех пневмомуфт из ЦПУ.

8. Принудительная блокировка защиты по аварийному давлению смазки ГД с помощью переключателей, находящихся на мостике и в ЦПУ.

9. Автоматическая разгрузка ГД путём уменьшения шага винта при возникновении перегрузки ГД от ВГ1 и ВГ2.

10.Автоматическое ограничение установленной в пределах 65-100% нагрузки ГД путём ограничения подачи топлива и уменьшения шага винта.

11.Автоматическая защита каждого ГД по предельной частоте и состояниям вспомогательных механизмов с отключением всех пневмомуфт.

12.Автоматическая защита всех пневмомуфт по трём параметрам:

· низкое давление воздуха в системе;

· аварийное давление масла смазки редуктора;

· исчезновение напряжения на шинах судовой сети.

29. Обобщенная структурная схема САУ курсом судна. Показатели качества САУ

Обобщенная структурная схема САУ курсом судна (рис.29.1) содержит судно С как объект управления, рулевую машинку РМ (простой гидравлический

Рис.29.1

сервопривод), исполнительный механизм ИМ (электродвигательный сервопривод), авторулевой АР, состоящий из регулятора Рег и электронного усилителя У мощности. Входным сигналом САУ является заданный курс a судна, выходным - фактический курс g судна. Выходным сигналом РМ является угол b отклонения пера руля от диаметральной плоскости судна, а входным - перемещение h поршня золотника сервопривода. Выходным сигналом ИМ является линейное перемещение h, которое образуется на выходе редуктора, присоединенному к электродвигательному сервоприводу. Входным сигналом авторулевого является величина ошибки e курса судна. Регулятор Рег обеспечивает заданные показатели качества управления курсом судна.

Судно как объект управления описывается следующей передаточной функцией (29.1)

где k_C=0,02...0,1 - коэффициент передачи судна по управлению;

Т₁=10...60 с, Т₂=3...20 с, t=1...5 c - постоянные времени судна.

Вариант знака ± перед 1 в (29.1) определяется составляющими сил и моментов, зависящих от загрузки и скорости движения судна, от действия волн, ветра и течения.

Табл.29.1

Загрузка судна	Скорость, узлов	kC, c-1	T1, c	T2, c
Порожнее	10,7 8,5 6,5	0,017 0,021 0,024		4,5 6,5
С грузом	9,5	0,014 0,016 0,018		12,3 15,5 20,8

Рис.29.2

На рис.29.2 приведены зависимости параметров k_C , Т₁ , Т₂ , t передаточной функции от скорости движения судна (все графики в относительных единицах), а в табл.29.1 - от загрузки судна [6].

По передаточной функции судно является инерционным астатическим звеном и, следовательно, самовыравниванием не обладает. Если из ± в знаменателе передаточной функции для судна подходит знак -, то судно будет неустойчиво при любом значении угла b=0. Если из ± в знаменателе передаточной функции для судна подходит знак +, то при любом отклонении b пера руля от диаметральной плоскости курс судна g будет непрерывно возрастать - судно войдёт в режим циркуляции (непрерывного движения по кругу). Только теоретически при b=0 судно будет следовать заданным курсом. Практически всегда будет b¹0. Поэтому во всех случаях применение автоматического управления необходимо.

САУ курсом судна имеет следующие особенности:

1. Большая инерционность судна как объекта регулирования (табл.29.1). Это создает технические сложности в реализации И -части (интегральной части) регулятора, которая должна иметь большую постоянную времени интегрирования порядка нескольких десятков минут.

2. Значительные изменения параметров судна k_C , Т₁ , Т₂ , t при изменении загрузки судна и условий плавания (рис.29.2, табл.29.1).

3. Многорежимность работы САУ, которая работает как в режиме стабилизации курса, так маневрирования.

4. На судно действуют мощные случайные помехи в виде волн, ветра, течения и др.

Основными показателями качества САУ курсом судна являются [6]:

1. Точность удержания судна на курсе не ниже ±1^О при скорости не менее 6 узлов независимо от погоды и загрузки судна

2. Амплитуда рыскания судна под действием волн и ветра не должна быть выше 1^О при состоянии моря до 3 баллов, 2...3^О при состоянии моря до 6 баллов 4...5^О при состоянии моря более 6 баллов.

3. Изменения курса судна должны происходить с перерегулированием не выше 10% от заданного штурманом изменения курса.

4. В схеме САУ должны быть органы настройки на достижение заданных показателей качества при изменении состояния погоды, загрузки и скорости судна.

5. В САУ должны быть реализованы три режима работы: "Простой" (аварийный), "Следящий" (полуавтоматический) и "Автомат". Переход с одного режима на другой не должен превышать 3 секунд. Должна быть световая сигнализация режима работы, о перегрузке силовых элементов, а также звуковая при недопустимом отклонении судна от заданного курса.

6. Управление рулём должно быть реализовано по двум независимым каналам, проложенным по правому и левому бортам.

7. САУ должна быть работоспособной при бортовой качке с амплитудой до 22,5^О и периодом 8...12 с, килевой качке с амплитудой до 10^О и периодом 6...10 с, постоянном крене судна до 22,5^О и дифференте до 10^О, амплитуде вибраций 0,3...3,5 мм при частоте 30...5 Гц.

8. Срок службы технических средств САУ при длительном режиме работы должен быть не менее 10 лет.

Требования к силовым элементам САУ:

1. Должно быть установлено 2 привода рулевой машинки - основной и резервный.

2. Электродвигательные сервоприводы рулевой машинки должны выдерживать полуторакратную перегрузку в течение 1 мин, а также минутную стоянку под током в нагретом состоянии.

3. Рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля от -35^О до +30^О за 28 с.

4. Рулевой привод должен выдерживать интенсивность перекладки руля 350 перекладок в час.

5. В режиме маневрирования на полной скорости хода рулевой привод должен выдерживать непрерывную перекладку с борта на борт в течение 0,5 часа.

6. Защита электродвигателей рулевого привода должна быть только от коротких замыканий, а при перегрузке должна быть сигнализация.

30. САУ курсом судна с авторулевым АИСТ

в режимах "Простой" и "Следящий"

САУ курсом судна называется авторулевым. На судах отечественной постройки применяются авторулевые типов АТР, АИСТ, "Печора" и АРМ-2М. Зарубежные авторулевые включают десятки наименований [6]. Авторулевые реализуют как детерминированные (с фиксированным алгоритмом работы), так и адаптивные законы регулирования

Структурная схема авторулевого АИСТ приведена на рис.30.1, оборудование которого размещено в пульте управления ПУ, блоке исполнительного механизма ИМ и в рулевой машине РМ. В схеме имеются как электрические линии связи (тонкие линии), так и механические (толстые линии).

Насос переменной производительности (НПП), выступающий в качестве регулирующего органа расхода, подаёт на гидравлический сервопривод (ГСП) масло с заданным давлением и расходом. ГСП поворачивает руль на угол b. Сельсин-датчик руля (СР) преобразует угол поворота b в пропорциональный ему электрический сигнал. Этот сигнал используется для управления, а также для контроля положения руля по прибору - аксиометру. Исполнительный двигатель (ИД) изменяет сигнал h (поступательного или вращательного движения), которым управляется НПП. На ИД напряжение поступает с ПУ. Сигнал h сельсином СИ преобразуется в сигнал электрический.

Переключателем S1 устанавливаются следующие режимы работы авторулевого: "Простой", "Следящий" и "Автомат" (соответственно положения 1, 2 и 3 переключателя S1).

В режиме "Простой" с помощью клавишей (педалей) "Лево руля" и "Право руля" на ИД подаются напряжения, при которых двигатель вращается то в одну сторону, то в другую. Соответственно руль также поворачивается по разные стороны от диаметральной плоскости. Угол b перекладки руля пропорционален времени нажатия клавиши. Чтобы остановить перекладку, надо отпустить клавишу. Чтобы вернуть руль в нулевое положение, совпадающем с диаметральной плоскостью судна, нужно нажать другую клавишу, контролируя угол b по шкале аксиометра. В режиме "Простой" цепь "клавиши - руль" не обладает самовыравниванием, так как и ИМ, и РМ являются интегрирующими звеньями. Даже после прекращения питания ИД руль продолжает поворачиваться, так как остаётся ненулевой сигнал h, пропорциональный углу поворота ИД за время удержания клавиши нажатой.

В режиме "Следящий" угол b поворота руля пропорционален углу a поворота штурвала Ш. Через механический дифференциал МД, который в этом режиме работает как простой редуктор, так как ось от сельсина гирокомпаса СГ заторможена, поворачивается ротор сельсина СО. Выходной электрический сигнал с СО поступает на прямой (плюсовой) вход усилителя мощности исполнительного двигателя (УИД). Для того, чтобы b было бы пропорционально a, вводятся два контура отрицательной обратной связи, охватывающих ИМ и РМ, превращая их в устойчивые звенья, обладающими самовыравниванием. Эти превращения иллюстрируются рис.30.2, вытекающем из рис.30.1, и нижеприведенными расчётами. На рисунке k_ОС - коэффициент обратной связи (КОС) рулевой машины, который определяется коэффициентом передачи сельсина СР.

Эквивалентная передаточная функция охваченных обратной связью усилителя УИД и исполнительного механизма равна

(30.1)

Передаточная функция всего рулевого привода, охваченного двумя обратными связями, имеет вид

(30.2)

Это устойчивое звено 2-го порядка. Выходной сигнал b в установившемся режиме прямо пропорционален сигналу u, а сигнал u, в свою очередь, пропорционален углу a поворота штурвала.

Вид переходного процесса (апериодический или колебательный) определяется видом корней характеристического уравнения, которые зависят от знака дискриминанта, рассчитываемого при решении уравнения: (k_У×k_ИМ)² - 4k_OC×k_У×k_ИМ×k_РМ Если k_У×k_ИМ>4 k_OC×k_РМ, то корни действительные и переходный процесс апериодический без перерегулирования. Если k_У×k_ИМ<4 k_OC×k_РМ, то корни комплексные, а переходный процесс колебательный затухающий с перерегулированием. Коэффициенты передачи k_У, k_ИМ и k_РМ постоянные величины. Вид переходного процесса можно регулировать только изменением КОС, величина которого для следящего режима рекомендуется равной 1 из диапазона его значений 0,2...2.

В режиме "Следящий" предусмотрен автоматический возврат в нулевое положение руля после того, как со штурвала сняли руки. Цепь автовозврата штурвала содержит сельсин СВ, усилитель мощности двигателя возврата (УДВ), двигатель возврата (ДВ) и муфту скольжения (МС). Двигатель ДВ вращается в ту или иную сторону в зависимости от знака сигнала e. Пока штурвал удерживается руками муфта проскальзывает. При освобождении штурвала двигатель через муфту поворачивает штурвал до тех пор, пока сигнал e не обратится в ноль, что достигается при нулевом положении штурвала. Вслед за нулевым положением штурвала также в нулевое положение установится и руль.

31. САУ курсом судна с авторулевым АИСТ

в режиме "Автомат"

Наиболее полно возможности авторулевого реализуются в режиме "Автомат". В этом режиме поддерживается с заданными показателями качества величина угла g курса судна, сигнал которого поступает на пульт управления от гирокомпаса (рис.30.1). Переключатель S1 устанавливается в положение 3. Цепь автовозврата штурвала отключается.

Поворот штурвала a является сигналом заданного курса судна. На механический дифференциал МД поступают два сигнала курса - заданного a и фактического g. В МД эти сигналы механически вычитаются и на выходе МД образуется сигнал ошибки e=a-g регулирования курса. Сельсин СО преобразует механический сигнал (угол) ошибки в пропорциональный электрический сигнал. Этот сигнал поступает по прямой цепи на УИД и одновременно на блок коррекции БК. Блок коррекции содержит интегро-дифференциальный регулятор (ИД-регулятор). Прямой сигнал является сигналом пропорционального регулятора (П-регулятора). На сумматоре прямой сигнал и сигнал БК складываются, образуя в целом ПИД-регулятор. На качественном уровне назначение каждой части ПИД-регулятора соответствует рассмотренному в лекции 9, а именно: П-часть является основным каналом передачи сигнала (именно П-часть используется в режиме "Следящий"), И-часть вводится для сведения части ошибок регулирования к нулю, а Д-часть вводится для повышения быстродействия САУ и снижения величины перерегулирования.

Структурная схема САУ судна в режиме "Автомат" приведена на рис.31.1.

Передаточные функции регулятора, рулевого привода и судна имеют, соответственно, вид

(31.1)

(31.2)

(31.3)

Передаточная функция разомкнутой САУ имеет вид

W_РАЗ(p)=W_Р(p)×W_РП(p)×W_С(p), (31.4)

а замкнутой

(31.5)

После подстановки в (31.4) выражений (31.1), 31.2) и (31.3) и преобразований будет получена дробь, в знаменателе которой в качестве сомножителя будет содержаться р². Следовательно САУ будет астатической 2-го порядка и, поэтому, статическая и скоростные ошибки регулирования будут равны нулю. Максимальная степень символа р как в W_РАЗ(p), так и в W_ЗАМ(p) будет равна 5 и, следовательно САУ курсом судна будет описываться дифференциальным уравнением 5-го порядка. Такую САУ аналитически исследовать сложно из-за высокого порядка характеристического уравнения.

Обоснуем ряд упрощений в описаниях элементов САУ, вводимых с целью понижения порядка дифференциального уравнения САУ в целом.

Постоянная времени Т_И И-части регулятора имеет порядок нескольких десятков минут. Поэтому, влияние И-части из-за её инерционности на форму переходного процесса в его начале невелико. Это позволяет принять Т_И=¥ и далее считать 1/(Т_Ир)=0. Действие И-части проявляется спустя десятки минут, когда ошибка регулирования курса судна становится равной нулю.

Коэффициент усиления k_У усилителя УИД реально представляет собой очень большую величину. Если принять k_У=¥, то в знаменателе выражения W_РП(р) можно пренебречь слагаемым р² как намного меньшим по величине слагаемых k_У k_ИМ p и k_ОС k_У k_ИМ k_РМ.

После указанных упрощений передаточные функции звеньев САУ примут вид

(31.6)

Передаточная функция разомкнутой САУ согласно (31.4)

(31.7)

а замкнутой согласно (31.5)

(31.8)

В установившемся режиме при р=0 из (31.8) следует g=a, т.е. фактический курс g будет точно равным заданному a и ошибка регулирования курса будет нулевая.

Характеристическое уравнение замкнутой САУ имеет 3-й порядок

T_C p³+(1+k_OCk_PMT_C)p²+k_PM(k_CT_Д+k_OC)p+k_PMk_Ck_P=0 (31.9)

На судно, рулевую машину и авторулевой кроме полезных сигналов, отмеченных на рис.31.1, действуют также сигналы возмущения. В частности, на судно действуют волны, ветер, течения, которые изменяют его курс случайным образом. САУ должна и в этих условиях обеспечить качество удержания заданного курса судна. Для этого надо рассматривать передаточные функции по возмущающим сигналам.

Пусть действующие на САУ возмущения f₁ и f₂ приложены, соответственно, к рулю и к судну (рис.31.2).

Передаточная функция САУ по возмущению f₁

(31.10)

а по возмущению f₂

(31.11)