Виды управления рулевыми электроприводами

Структурная схема следящего управления рулевым электроприводом

Структурная схема простого управления рулевым электроприводом

Основные сведения

Нического и электрогидравлического рулевых приводов

Структурные схемы управления судов с использованием электромеха

Изменение направления подачи масла от насоса на рулевую машину, необходимое для перекладки руля, производится специальным управляющим устройством – сервомеханизмом.

В РЭГ-приводах с насосами постоянной подачи оконеч­ный каскад сервомеханизма представляет собой дросселирующий золот­ник, посредством которого насос связывается с рулевой машиной. Уп­равление золотником осуществляется магнитным (соленоид) или ма­шинным серводвигателем, который воздействует на золотник непосред­ственно или через промежуточный гидроусилитель.

В приводах с насосами переменной подачи сервомеханизм включает в себя электрический двигатель - серводвигатель, связанный через кинематическую передачу с манипулятором насоса.

Весьма часто в со­став управляющей кинематики включают гидроусилитель, что сущест­венно снижает мощность электрического серводвигателя.

Напомним, что при простом управления в качестве органов управления используют кнопки «Лево руля», «право руля» или рычаг управления («джостик»).

Руль перекладывается все то время, пока нажата одна из кнопок или рычаг вы

веден из нейтрального положения. Перекладка пре­кращается, если отпустить кнопку или вернуть рукоятку поста в исходное - нулевое по­ложение.

Об угловом состоянии руля в каждый момент времени судят по рулевому указателю - аксиометру.

Обобщенная разомкнутая схема ручного управления рулем по времени показана на рис. 10.17.

Здесь представлены: РМ - рулевая ма­шина; Н - насос переменной подачи (ГЗ - гидрозолотник в системе управления с насосом нерегулируемой подачи); ГУ – гидроусили

тель; СР - серводвигатель; У - электрический усилитель.

Рис. 10.17. Обобщенная разомкнутая система ручного управления РЭГ-приводом

При простом управлении рулем контур регулирования разомкнут. При подаче управляющего напряжения U последовательно отрабатывают все звенья и начинается перекладка руля.

Шток поршня гидроусилителя ГУ жест­ко связан с манипулятором насоса Н. Перемещение манипулятора ог­раничено. Поэтому пропорциональность между движением золотника гидроусилителя и ходом его поршня характерна только при сравнитель­но малых перемещениях.

При снятии управляющего напряжения U серводвигатель СР останавливается, но подача насоса Н не прекра­щается.

Для остановки руля необходимо, чтобы серводвигатель включением в обратную сторону сместил манипулятор насоса в исходное положе­ние. Таким образом, разовая перекладка руля содержит четыре опера­ции:

1. включение серводвигателя;

2. его остановку;

3. включение серводвигателя в обратном направлении;

4. его остановку.

Поворот руля на заданный угол описанным способом даже опытному оператору (например, рулевому матросу) выполнить практически невоз­можно.

Для нормальной работы требуется, чтобы при снятии входного уп­равляющего сигнала U = 0 серводвигатель занимал исходное по­ложение, что соответствует прекращению подачи масла на рулевую ма­шину.

В некоторых современных отечественных схемах управления (АТР, АИСТ) это делается специальным пружинным нуль-установите­лем, задача которого вернуть серводвигатель или, точнее, золотник гид­роусилителя ГУ в нулевое положение (е= 0) после отключения.

Ино­странные фирмы часто используют сервопривод с электромагнитным управлением. Золотник такого привода всегда имеет пружинный само­возврат.

Таким образом, простое управление рулем по структурной схеме рис.10.17 принципиально возможно.

Для этого требуется только, чтобы элементы сервопривода автоматически возвращались в исходное поло­жение после отключения серводвигателя.

Напомним, что при следящем управления в качестве органа управления используют штурвал поста управления в рулевой рубке.

При повороте штурвала на определенный угол в необходимую сторону (влево или вправо относительно нулевого положения) перо руля повернется на такой же (или пропорциональный) угол и автоматически остановится.

Иначе говоря, перо руля повторяет поворот штурвала, как бы следит за движением штурвала, отсюда название – следящее управление.

При этом угол поворота пера руля тем больше, чем больше угловое расстояние (угловой путь), описанное штурвалом, отсюда второе название – управление по пути.

Из сказанного следует, что у каждому положению штурвала после отработки соответствует определен­ное положение руля.

Таким образом, следящее управление является полуавтоматическим – на первом этапе управления участвует человек (поворачивает вручную штурвал), на втором этапе используются элементы автоматики (сельсин-датчик руля в румпельном отделении), обеспечивающие автоматическую (без участия человека) остановку руля.

Аксиометр является средством дополнительного контроля положения руля.

Система следящего управления может быть создана путем замыкания входа и выхода разомкнутой системы (рис. 10.16) через соответству­ющие преобразующие устройства.

Внутри следящего контура оказываются последовательно включенными два интегрирующих звена СР и РМ. Такие системы являются структурно неустойчивыми. Для прида­ния устойчивости одно из интегрирующих звеньев должно быть охва­чено жесткой обратной связью.

Широко распространены схемы (рис. 10.18), где обратной связью ох­вачены два звена: рулевая машина РМ и насос регулируемой подачи.

Рис. 10.18. Структурная схема следящего управления РЭГ-приводом с механической обратной связью

Образование внутреннего следящего контура превращает интегрирующее и апериодическое звенья, характерные для гидравлического привода, в обобщенное колебательное звено, передаточная функция которого имеет следующий вид:

где К— коэффициент усиления обратной связно масштабно увязывающий воз­действие на подачу насоса со стороны руля и со стороны усилителя.

Решение характеристического уравнения, соответствующего данной пере­даточной функции, показывает, что при соблюдении условия 4TKKK< 1 оба корня уравнения будут отрицательными и ве­щественными, поэтому движение руля при управления со стороны сер­вопривода будет носить апериодический характер.

При обратном соотношении в рулевом электроприводе возникают автоколебания, т.е. перо руля даже в отсутствие управляющего сигнала совершает самопроизвольные колебания влево-вправо по отношению к диаметральной плоскости судна.

Для подавления автоколебаний в схему управления рулевым электроприводом вводят отрицательную обратную связь по выходному напряжениию, при помощи которой часть сигнала (напряжения) с выхода оконечного каскада усилителя подают в противофазе на вход усилителя.

В результате коэффициент усиления усилителя по напряжению (а значит, и по мощности) уменьшается, но достигается главное – исчезают автоколебания пера руля.

При подаче сигнала αна вход суммирующего устройства А баллер руля повернется на соответствующий угол α.

Таким образом, задача следящего управления рулем превращается в задачу синфазного пово­рота поста управления ПУ и выходного органа сервомеханизма (СР, ГУ) α.

Общая схема следящего управления рулем распадается на два независимых замкнутых контура I и II.

Поворот поста управления ПУ на некоторый угол вызывает перемещение выхода сервомеханизма на тот же угол, что в свою очередь определит угол перекладки руля. Эле­менты Ки Кявляются преобразователями углового поворота в экви­валентные электрические сигналы.

При углах перекладки α = α-а> 5°, поворот манипулятора насоса ограничивает-

ся (ε ).

Движение же задающего органа αможет продолжаться из-за наличия специаль-

ной аккумулирующей пружины. Следовательно, при больших углах пере­кладки насос работает с максимальной подачей и начинает снижать ее за 5° до подхода к заданному положению.

При разомкнутом контуре II возможно простое управление рулем.

Постом управления непосредственно на вход усилителя подается уп­равляющий сигнал. Серводвигатель СР через ГУ или, в случае его от­сутствия, через кинематический механизм перемещает на некоторый угол αзадающий элемент, угол поворота которого после отработки определит положение руля.

Контроль перекладки производится по двухстрелочному аксиометру заданного и действительного положения руля. Датчики аксиометра связаны соответственно с заданным αи фактическим α углами поворота пера руля. Отключе­ние серводвигателя производится по достижении αтребуемого значения.

Рассмотренные решения по обеспечению устойчивости работы сис­темы управления рулевого электропривода (см. рис. 10.18) не являются единственно возможными. За последнее время появились новые струк­турные схемы управления рулем (АТР, АИСТ), где для обеспечения структурной устойчивости в следящем и автоматическом режимах об­ратной связью охватывается не рулевая машина, а серводвигатель (рис. 10.19).

Рис. 10.19. Структурная схема управления РЭГ-приводом с электрической обратной связью

Эти схемы комплектуются аксиально-поршневыми насоса­ми типа IIД. Поворот люльки насоса осуществляется встроенным гид­роусилителем, управление которым производится поворотным золот­ником. Поэтому выход от серводвигателя СР имеет не линейное, а уг­ловое перемещение γ.

Передаточная функция эквивалентного звена внутреннего контура найдется так:

Этой передаточной функции соответствует характеристическое урав­нение второго порядка. Вещественные и отрицательные корни этого уравнения определяют условия устойчивости контура и отсутствие ко­лебательных процессов в динамическом режиме.

Численно эти условия выразятся неравенством 4TKKK<1.

Повышению устойчивости способствует снижение постоянной времени сервопривода. Поэтому в схемах такого рода наиболее широко применяются двухфазные асин­хронные электродвигатели с полым ротором, имеющие малый маховой момент.

Увеличение коэффициента усиления усилителя повышает точ­ность обработки, но отрицательно сказывается на устойчивости.

При работе в следящем режиме общий сигнал, подаваемый на вход усилителя, состоит из трех составляющих:

U= U- U- U,

где U - напряжение, пропорциональное повороту α поста управления;

U - напряжение, пропорциональное перемещению γзолотника гидроусили­теля;

U - напряжение, пропорциональное углу α поворота пера руля.

В согласованном положении, когда α = 0, U= 0 (γ= 0, на­сос не имеет подачи) U= U. При задании перекладки перемещени­ем поста управления равновесие U= U нарушается (например, U> U).

Люлька насоса поворачивается, появляется напряжение U, которое стремится компенсировать утраченное равновесное состояние.

При малых углах перекладки (до 5°) U уравновешивает U, и серводвигатель в этом случае останавливается.

По мере поворота руля происходит увеличение U, так что сумма (U+ U) становится больше U. Серводвигатель изменяет направление вращения. Насос уменьша-

ет подачу. В новом согласованном положении U = 0, равно­весие восстанавливается U= = U.

Поворот золотника гидроусилителя γне превышает 15 - 30°. При учете масштаб-

ных соотношений, принятых в схеме формирования уп­равляющего сигнала U, это соответствует углу поворота руля 5 - 10°.

Поэтому при перекладке на большие углы после выхода насоса на мак­симальную подачу параметр U сохраняет постоянное значение, со­ответствующее принятому пре-

дельному повороту золотника γ.

Суммарное напряжение U+ U не уравновешивает задающее U и на серводвига-

теле СР образуется положительный управляющий сигнал. Серводвигатель развивает вращающий момент.

В то же время золот­ник гидроусилителя достиг конечного положения и его дальней

ший по­ворот невозможен.

Для облегчения теплового режима работы серводви­гателя в кинематической связи между ним и золотником предусматри­вается пружинная муфта проскальзывания.

При подходе к заданному положению (α = 4 - 5°) серводвигатель останавливается, и в дальнейшем обратным вращением уменьшает по­дачу насоса от максимальной до нуля, так же как и при перекладке на малые углы.

По характеру формирования управляющего сигнала различают 4 вида управления рулевыми приводами:

1. простое;

2. следящее;

3. автоматическое;

4. аварийное.

При простом управлении используют кнопки «Лево руля», «Право руля» или вер-

тикально расположенный рычаг («джостик»), который можно наклонять влево или впра-

во.

При нажатии какой-либо кнопки или наклоне рычага начинается перекладка руля. Для остановки руля надо отпустить нажатую кнопку или вернуть рычаг в вертикальное положение.

Таким образом, кладка пера руля продолжается все то время, пока нажата кнопка или наклонен рычаг. Поэтому этот вид управления называют управлением по времени.

Для возврата руля в прежнее положение ЭД реверсируют нажатием другой кнопки или наклоном рычага в противоположную сторону.

Положение руля определяется визуально по шкале рулевого указателя (аксио-

метра).

В этой системе при перекладке руля в сторону от диаметральной плоскости и об-

ратно следует осуществить 4 опера­ции (на примере рычага): перекладку рычага в сторо-

ну (например, вправо), возврат его в среднее положение, перекладку в обратную сторону (влево) и возврат опять в среднее положение.

При следящем управлении используют штурвал. При повороте штурвала, напри-

мер, вправо на определенный угол, начинается перекладка пера руля. При повороте пера руля на угол, заданный штурвалом, перо руля остановится автоматически. Таким обра-

зом, перо руля как бы следит за поворотом штурвала, отсюда название – «следящее управ

ление».

Поскольку угол поворота пера руля равен (или пропорционален) углу поворота штурвала, этот вид управления называют управлением по пути (пройденному штурвалом при его повороте).

Штурвал механи­чески связан со стрелкой, указывающей заданное положение руля. После отработки руль автоматически перекладывается на требуе­мый угол, что может быть проверено по аксиометру. В некоторых случаях указательные стрелки задан

ного и действительного положе­ний руля работают на общую шкалу совмещенного (сдвоенного) аксиометра.

Для перекладки руля к борту и обратно рулевому нужно совершить только 2 опе

рации: переложить штурвал на нужный угол и вернуть его в нулевое положение. У Следящее управление значи­тельно проще и удобнее, требует меньшей затраты физических сил и внимания.

При автоматическом управлении удержание судна на курсе осуществляется авто-

матически, без участия человека. Предварительно рулевой матрос, по команде вахтенного помощника (старшего помощника, капитана) выводит судно на необходимый курс, используя простое или следящее управление.

После этого, в момент, когда судно на заданном курсе, а перо руля - в диаметраль-

ной плоскости, переключатель видов управления на тумбе рулевого устройства переводят в положение «Автоматическое управление» («Автомат»).

На судах с центральной ЭВМ автоматическое управление предполагает задание угла пере­кладки руля по определенной программе, разрабатываемой автома­тически судовым счетно-вычислительным комплексом (составной частью центральной ЭВМ) в зависи­мости от решаемых навигационных или иных задач.

В настоящее время на транспортных судах применяют наиболее простые руле­вые автоматы, обеспечивающие автоматическую стабилизацию суд­на на заданном кур-

се.

Применение авторулевых позволяет:

1. сократить численность экипажа;

2. за счет уменьшения углов кладки руля увеличить среднюю скорость судна и

уменьшить путь, проходимый судном (в среднем на 2,5-3% по сравнению с ручным уп-

равлением).

Внимание!

Современные авторулевые при работе на «Автомате» позволяют изменить курс судна в нужную сторону простым поворотом штурвала, без перехода на следя-