Электрические системы автоматизации судового энергетического оборудования

 

 

Тексты лекций

 

Специальность 24.05.00

«Эксплуатация судовых энергетических установок»

 

 

Новороссийск

2008

 

О Г Л А В Л Е Н И Е

В В Е Д Е Н И Е.. 5

1 ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ.. 7

1.1 Регулирование по отклонению... 7

1.2 Регулирование по возмущению... 9

1.3 Комбинированное регулирование. 10

2 ТИПОВЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ.. 12

2.1 Система с параллельным корректирующим устройством.. 12

2.2 Система с последовательным корректирующим устройством.. 15

2.3 Комбинированная система.. 16

2.4 Каскадные системы.. 19

3 законы регулирования.. 23

3.1 Обзор законов регулирования. 23

3.2 Формирование законов регулирования в последовательных корректирующих устройствах.. 25

3.3 Изменение сигналов на выходе последовательных корректирующих устройств. 30

4 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ.. 37

5 РЕГУЛЯТОР С ЖЕСТКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ.... 40

6 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ С ТИПОВЫМИ ЗАКОНАМИ РЕГУЛИРОВАНИЯ.. 44

7 АВТОКОЛЕБАНИЯ В СИСТЕМАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ РЕГУЛЯТОРАМИ.. 46

7.1 Автоколебания в контуре регулятора.. 46

7.2 Автоколебания в системе регулирования. 47

8 РЕГУЛЯТОРЫ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ, ОХВАТЫВАЮЩЕЙ МОДУЛЬ НЕЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ.. 49

8.1 Регуляторы с инерционной обратной связью... 49

8.2 Регуляторы с интегрирующей обратной связью... 56

9 ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ... 59

10 РЕГУЛЯТОРЫ С ПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТЬЮ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА.. 65

11 Системы автоматического регулирования сО следящей системой.. 68

12 следящие системы с постоянной скоростью перемещения ИМ... 73

13 следящие системы с пЕРЕМЕнной скоростью перемещения ИМ... 77

13.2.1 Энкодеры.. 82

13.2.2 Резольверы.. 84

14 УПРАВЛЕНИЕ БЕСКОНТАКТНЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА.. 87

15 Динамические свойства электрических исполнительных механизмов.. 96

16 Следящие системы с постоянной скоростью перемещения ИМ... 100

17 Следящие системы с переменной скоростью перемещения ИМ... 105

18 векторное управление БДПТ.. 112

19 НАЛАДКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ.. 114

19.1 Определение требований к качеству работы САР. 114

19.2 Экспериментальное определение характеристик объектов регулирования. 118

19.3 Определение оптимальных параметров настройки регуляторов. 120

19.4 Наладка по незатухающим колебаниям.. 121

19.5 Алгоритмический метод наладки.. 124

19.6 Проверка работы регулятора и уточнение настроечных параметров. 127

19.7 Наладка каскадных систем.. 129

Л И Т Е Р А Т У Р А.. 134

 

 

Принятые сокращения

АОС - апериодическая (инерционная) обратная связь
АУ   -  автоматическое управление,

БДУ - блок дистанционного управления,

ВР    - выходной рычаг,

Д       -   датчик,

ДПИМ - датчик положения исполнительного механизма,

ДУ    - дистанционное управление,

ДЧВЭД – датчикчастоты вращенияэлектродвигателя,

З             - задатчик,

ЗГ     - задающий генератор,

ЗПИМ -   задатчик положения исполнительного механизма,

ЗЧВЭД – задатчикчастоты вращенияэлектродвигателя,
ЖОС - жесткая обратная связь,
ИМ  - исполнительный механизм,

ИОС - интегрирующая обратная связь,

КУ   - корректирующее устройство,
КУП - корректирующее устройство следящей системы (позиционирования),

КУЧВ -  корректирующее устройство частоты вращения,
ЛАЧХ - логарифмическая амплитудная частотная характеристика,

МЗР - модуль законов регулирования,

МН   - модуль нечувствительности,

НУ   - нормирующий усилитель,

НЭПП - непрерывный электропневматический преобразователь,

ОР    -  объект регулирования,
П      - пропорциональный,

ПД    - пропорционально-дифференциальный,
ПДКУ  - пропорционально-дифференциальное корректирующее устройство,

ПИ  -  пропорционально-интегральный,

ПИД - пропорционально-интегрально-дифференциальный,

ПИКУ - пропорционально-интегральное корректирующее устройство,

ПИМ - пневматический исполнительный механизм,

РЕД - редуктор,

РУ  - релейный усилитель,
РО  - регулирующий орган,

РСИ - реверсивный счетчик импульсов,

РЭПП - релейный электропневматический преобразователь,
САР   - система автоматического регулирования.

СЭУ - судовая энергетическая установка,
ТУ  - тиристорный усилитель,

У    - усилитель,

ЭИМ -  электрический исполнительный механизм,
ЭС  -  элемент сравнения.

 

                            

В В Е Д Е Н И Е

 

Современные средства автоматизации судового энергетического оборудования широко используют электрическую, электронную и микропроцессорную технику.

Согласно международному Кодексу подготовки, дипломирования моряков и несения вахты (ПДМНВ-78/95) судовые механики должны иметь надлежащие теоретические знания в области электронных систем управления
и их компетентность должна быть достаточной для эксплуатации электронного оборудования управления, включая его проверку, обнаружение неисправностей, ремонт и поддержание в рабочем состоянии.

В соответствии с данными требованиями к квалификации судовых механиков настоящие тексты лекций предназначены для курсантов и студентов, обучающихся по специальности 24.05.00 «Эксплуатация судовых энергетических установок».

Тексты лекций подготовлены на базе многолетнего опыта преподавания автором дисциплины «Электрические системы автоматизации судового энергетического оборудования» на судомеханическом факультете Морской государственной академии им. адм. Ф.Ф. Ушакова.

Энергетические установки современных морских транспортных судов имеют высокий уровень автоматизации, что достигается применением в системах автоматики электронной и микропроцессорной техники.

Данные средства автоматики:
- позволяют использовать достаточно сложные алгоритмы управления,
-  имеют широкие возможности настройки автоматики на получение требуемого качества работы судового энергетического оборудования.

Поэтому применение электрических средств в судовой автоматике предъявляют к судо­вым механикам и электромеханикам повышенные требования по умению управлять СЭУ с помощью данных средств, а также по их настройке и поддержанию работоспособности.

В связи с этим, данное пособие может оказаться полезным для получения судовыми специалистами необходимых знаний в области электрических систем автоматизации судового энергетического оборудования.

Электронные и микропроцессорные системы автоматизации судового энергетического оборудования, как правило, выполняются на основе фундаментальных принципов и схемных решений общей теории автоматического регулирования. Поэтому было принято целесообразным вначале рассмотреть такие общие темы как: принципы регулирования, типовые системы регулирования, законы регулирования.

При этом особое внимание уделялось особенностям перечисленных тем, связанным с применением в системах автоматики электронной и микропроцессорной техники.

В лекциях рассмотрены принципы построения типовых электрических и  электропневматических регуляторов, применяемых на судах. Описаны их принципы действия, показано экспериментальное определение фактических конструктивных и настроечных парамет­ров.

Учитывая то, что пособие предназначено для специалистов по эксплуатации судовых энергетических установок, в него включен раздел, посвященный инженерной наладке электрических регуляторов в судовых условиях.

Для понимания материала данного пособия обучаемый должен иметь необходимые знания в области техники электронных и микропроцессорных средств, материалы по которым можно найти в учебной литературе [17], [18], [25].

Кроме того, обучаемые должны знать и уметь применять понятия теории автоматического управления, используемые в данном пособии при рассмотрении схемных решений и рабочих свойств электрических систем автоматизации:

- дифференциальныеуравнения, операторные уравнения и передаточные функции элементов и систем автоматического регулирования,

- структурные схемы и их преобразования,

- типовые динамические звенья,

- амплитудно-фазовые частотные характеристики элементов и систем автоматического регулирования,

- типовые регуляторы.

Графические материалы, иллюстрирующие работу электрических регуляторов, получены на компьютерных тренажерах соответствующих регуляторов, разработанных автором.

1 ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

 

Все системы автоматического регулирования, в том числе, и судовые, строятся по одному из следующих трех принципов, определяющих устройство системы и ее фундаментальные рабочие качества:
- регулирование по отклонению,
- регулирование по возмущению,
- комбинированное регулирование.

 

Регулирование по отклонению

Принцип регулирования по отклонению отражен в схеме системы регулирования, приведенной на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Схема системы регулирования по отклонению.

 

Объектом регулирования в нашем случае является какой-либо механизм или агрегат СЭУ, например, судовой паровой котел как объект регулирования давления пара.

При решении задач регулирования состояние ОР характеризуется следующими переменными величинами:
X - регулируемая величина,
G - регулирующеевоздействие,
F - возмущающее воздействие (нагрузка объекта).

Для судового парового котла, как объекта регулирования давления пара:
- регулируемой величиной является давление пара в котле,
- регулирующим воздействием служит расход топлива в котел,
- нагрузкой котла является расход пара из котла на потребители.

Регулирование по отклонению заключается в следующем:
- датчик измеряет значение регулируемой величины X, так что сигнал на его
выходе X д соответствует действительному значению регулируемой вели-
чины;
- на регулятор подается сигнал eX отклонения регулируемой величины от
заданного значения X з (ошибка регулирования):

eX = X з – X д;

- регулятор по сигналу eX изменяет регулирующее воздействие G таким об-
разом, чтобы уменьшить отклонение eX.

Например, в системе регулирования давления пара в котле:
- увеличение расхода пара из котла (нагрузки F) вызовет уменьшение давления пара в котле (регулируемой величины X);
- соответственно уменьшится сигнал на выходе датчика X д и появится сиг-
нал отклонения eX,
- регулятор давления пара по сигналу eX увеличит расход топлива в котел G,
- давление пара в котле возрастет, что уменьшит отклонение давление пара в
котле X от его заданного значения X з, то есть ошибку регулирования eX.

Пример работы системы регулирования по принципу отклонения показан на графиках изменения во времени величин системы, приведенных на рис. 1.2.

Рис. 1.2 Переходные процессы в устойчивой системе регулирования.

 

Особенности регулирования по отклонению:

- системы регулирования, работающие по данному принципу, являются
замкнутыми, когда сигнал с выхода системы подается на ее вход (см. рис. 1.1);
- для таких систем существует проблема их устойчивости, рассмотренная далее;
- регулятор работает (то есть изменяет регулирующее воздействие) независимо от причины, вызвавшей появление ошибки (изменения нагрузки ОР или его эксплуатационных характеристик);

- ошибка регулирования в данной системе принципиально неустранима,поскольку регулирующее воздействие формируется только по ошибке (отклонению) eX;

- измерение регулируемых величин (давления, уровня, температуры, частоты вращения и др.) производится более простыми техническими средствами, чем измерение возмущений ОР (для регулирования по возмущению).

Рассмотрим проблему устойчивости системы регулирования.

В переходных процессах для увеличения нагрузки объекта F, приведенных на рис. 1.2, величины системы G и X с течением времени принимают постоянные значения. Это соответствует устойчивой работе САР.

Однако параметры регулятора могут быть подобраны неверно или измениться в процессе эксплуатации САР, и регулирующее воздействие будет изменяться слишком сильно или несвоевременно.

В результате при изменении нагрузки объекта величины системы не примут постоянные значения, а будут, например, изменяться колебательно с возрастающей амплитудой так, как это показано на рис. 1.3.

Следовательно, САР работает неустойчиво и является неработоспособной.

Проблема устойчивости является весьма существенной, и ее решению посвящена целый раздел теории автоматического управления.

Однако, эта проблема, как правило, решается успешно и не является препятствием для того, чтобы САР, использующие принцип отклонения, получили наибольшее распространение во всех областях техники, включая судовую.

 

Рис. 1.3 Переходные процессы в неустойчивой системе регулирования.

 

 

Регулирование по возмущению

 

Регулирование по возмущению производится в соответствии со схемой системы, приведенной на рис. 1.4.

 

Рис. 1.4 Схема системы регулирования по возмущению.

 

Регулирование по возмущению заключается в следующем:
- датчик нагрузки измеряет значение нагрузки ОР, так что сигнал на его
выходе F д соответствует действительному значению нагрузки F;
- на регулятор подается сигнал измеренной нагрузки F д;

- регулятор по сигналу F д изменяет регулирующее воздействие G таким об-
разом, чтобы регулируемая величина X оставаласьпостоянной.

Например, при регулировании по возмущению давления пара в котле увеличение расхода пара из котла на 50% должно вызвать одновременное увеличение регулятором расхода топлива в котел на 50% (без учета изменения полезного действия котла в зависимости от нагрузки).

Особенности регулирования по возмущению:

- системы регулирования, работающие по возмущению, являются разомкнутыми, следовательно, в данном случае отсутствует проблема устойчивости системы;

- поскольку регулирующее воздействие формируется одновременно с возмущением на ОР, в данных САР теоретически возможно регулирование без ошибки;

- регулятор реагирует только на измеряемое возмущение и не учитывает изменение других воздействий на ОР и изменение его эксплуатационных характеристик;

- практически невозможно абсолютно точно установить значение регулирующего воздействия G соответственно нагрузке объекта F и получить, тем самым, требуемую точность регулирования.

Последняя особенность имеет существенное значение для нейтральных ОР, когда даже небольшое несоответствие между нагрузкой и регулирующим воздействием приведет к непрекращающемуся изменению регулируемой величины, что может привести к аварии элемента СЭУ.

Данный эффект показан на рис. 1.5, на котором приведен пример переходных процессов при регулировании по возмущению. Так может работать система регулирования по возмущению уровня воды в паровом котле. Из графиков переходных процессов следует, что неравенство нагрузки ОР (расхода пара из котла) и регулирующего воздействия (расхода питательной воды в котел) вызывает такое уменьшение регулируемой величины (уровня воды в котле), которое может привести к аварии котла.

Вследствие рассмотренных особенностей регулирования по возмущению данный принцип в судовых системах регулирования практически не применяется.

 

Рис. 1.5 Пример переходных процессов при регулировании по
           возмущению в САР с нейтральным объектом.