Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор.

Если в рассмотренном выше регуляторе принять Тос = Тим, то коэффициент пропорциональности регулятора Кр = 1.

Это означает, что в данном случае обратная связь представляет собой модель ИМ.

При Кр = 1 положение ИМ на равновесных режимах работы регулятора равно входному сигналу, то есть предыдущий регулятор становится следящей системой с передаточной функцией

Wcc (s) @ 1.

Поэтому, дополнив предыдущий регулятор последовательным КУ, получим регулятор, схема которого приведена на рис. 8.11.

Передаточная функция КУ W ку(s) может соответствовать любому типовому закону регулирования, сформированному по любому варианту согласно разделу 3.

Как правило, применяются варианты универсального ПИД закона регулирования, что дает возможность пользователю выбрать необходимый закон регулирования.

 

 

Рис. 8.11  Структурная схема ПИД регулятора с интегрирующей обратной
      связью на модуле нечувствительности.

 

Следует отметить, что интегрирующая обратная связь накапливает погрешность воспроизведения положения ИМ, и дистанционное управление в данном регуляторе применять нецелесообразно.

 

9 ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ

 

 

В автоматике судового энергетического оборудования достаточно широко применяются электропневматические регуляторы, содержащие пневматические исполнительные механизмы.

Это объясняется следующими обстоятельствами:
-  пневматические ИМ при малых габаритах развивают большие перестановочные усилия;
- пневматические ИМ могут перемещать регулирующие органы с перемен-
ной скоростью, уменьшая скорость при выходе САР на равновесный ре-
жим, что благоприятно сказывается на качестве работы системы;
- пневматические элементы могут размещаться в пожаро- и взрывоопасных
помещениях судна, например, на танкере.

Поэтому соединение электрических (микропроцессорных) элементов, позволяющих формировать сложные алгоритмы управления, и пневматических ИМ, обладающих приведенными выше положительными свойствами, дает возможность получать системы автоматики с хорошими рабочими свойствами.

Для перехода от электрических элементов к пневматическим в регуляторах применяются электропневматические преобразователи (ЭПП) двух типов:
- релейные,
- непрерывные.

Схема электропневматического регулятора с релейным электропневматическим преобразователем показана на рис. 9.1.

Регулятор по своему устройству и рабочим свойствам, в основном, подобен электрическому регулятору с последовательным КУ и следящей системой (см. рис. 6.1).

Рис. 9.1 Схема электропневматического регулятора с релейным
   электропневматическим преобразователем.

 

В отличие от упомянутого регулятора следящая система рассматриваемого регулятора является электропневматической и содержит следующие элементы:
- модуль нечувствительности МН, такой же как и в чисто электрическом ре-
гуляторе (рис. 4.2, 6.1);
- релейный электрический усилитель РУ, мощность которого в данном слу-
чае должна быть достаточной для преобразования электрического сигнала
в давление сжатого воздуха (а не для питания электрического ИМ);
- релейный электропневматический преобразователь РЭПП, преобразующий
выходной сигнал РУ U у в давление сжатого воздуха Ру по характеристике,

приведенной на рис. 9.2;
- пневматический исполнительный механизм ПИМ, который преобразует давление воздуха Ру, поступающего на ПИМ от РЭПП, в механическое перемещение.

Рис. 9.2 Характеристика релейного электропневматического
преобразователя.

 

Пример конструкции РЭПП и ПИМ, использованной в электропневматическом регуляторе частоты вращения главных дизелей DGS 8800 фирмы Norcontrol, показан на рис. 9.3.

 

 

Рис. 9.3 Схема релейного электропневматического преобразователя
и пневматического исполнительного механизма.

 

 

В данном регуляторе в качестве ПИМ использован пневматический двухсторонний поршневой сервомотор.

РЭПП представляет собой комплект из 4-х запорных клапанов с электромагнитным приводом. Управление клапанами производится сигналами от усилителя U у таким образом:
- при U у > 0 в верхнюю полость сервомотора поступает сжатый воздух с
давлением Рпит, нижняя полость сервомотора соединяется с атмосферой, и
поршень и шток сервомотора перемещаются вниз;
- при U у < 0 действие рассматриваемых элементов является противоположным.

Следует отметить, что постоянно действующие малые возмущения в системе регулирования частоты вращения дизеля вызывают периодическое открытие и закрытие клапанов РЭПП с довольно большой частотой. Это иногда приводит к потере плотности клапанов и отказу регулятора.

Кроме того, в данной следящей системе ПИМ перемещается с постоянной скоростью, что может вызвать автоколебания в следящей системе, рассмотренные в разделе 7.1.

Схема регулятора с непрерывным электропневматическим преобразователем и последовательным КУ приведена на рис. 9.4.

Регулятор содержит следующие элементы:
- последовательное КУ,
- непрерывный электропневматический преобразователь НЭПП,
- непрерывный пневматический усилитель ПУ,
- пневматический исполнительный механизм ПИМ.

По своим рабочим свойствам данный регулятор аналогичен типовому регулятору с последовательным КУ, рассмотренному в разделе 2.2.

 

Рис. 9.4 Схема регулятора с непрерывным электропневматическим
    преобразователем и последовательным КУ.

 

Непрерывный электропневматический преобразователь имеет небольшую выходную мощность и формирует сигнал давления воздуха Рку, соответствующий электрическому выходному сигналу последовательного КУ U ку, то есть Рку изменяется по закону регулирования, заложенному в КУ.

Для работы НЭПП достаточно значение давление рабочего воздуха Рпит = 1.2 бар. Характеристика НЭПП приведена на рис. 9.5.

Диапазон изменения Рку составляет 0.2 – 1.0 бар, поскольку за пределами этого диапазона невозможно получить требуемую линейность характеристики преобразователя.

Впрочем, в микропроцессорных регуляторах линейность характеристики НЭПП может быть получена коррекцией этой характеристики программным способом.

Как правило, в электропневматических регуляторах применяется НЭПП типа «сопло-заслонка», пример устройства которого показан на рис. 9.6.

НЭПП содержит следующие элементы:
- электромагнит постоянного тока 1, который преобразует напряжение U вх в
усилие на сердечнике 2 (функционально U вх представляет собой сигнал на
выходе последовательного КУ U ку);
-  звено 3, соединяющее сердечник 2 с рычагом 4,
- рычаг 4, поворачивающийся вокруг опоры 5,
-  сопло 6, для которого правый конец рычага 4 играет роль заслонки,
- дроссель 7, через который в сопло подается сжатый воздух давлением Рпит,
- блок обратной связи 8,
- пружина 9 настройки смещения характеристики НЭПП,
- винт 10 настройки смещения характеристики НЭПП.

 

Принцип действия НЭПП:
-  при изменении напряжения на входе НЭПП U вх, например, при увеличе-
нии, изменяется (возрастает) усилие на сердечнике электромагнита,
-  сердечник 2через звено 3 стремится повернуть рычаг 4 вокруг опоры 5
против часовой стрелки,
- это уменьшает зазор между соплом 6 и правым концом рычага 4
(заслонкой),
- давление в корпусе сопла и на выходе НЭПП Рэпп возрастает,
- увеличение давления Рэпп вызывает уменьшение направленного вниз усилия
на мембранном блоке обратной связи 8 и уменьшение момента, действующе-
го против часовой стрелки, на рычаге 4,
- рычаг 4 поворачивается по часовой стрелке, зазор между соплом 6 и заслон-
кой увеличивается и давление Рэпп уменьшается.

Если пренебречь силовым воздействием струи воздуха, выходящего из сопла на заслонку (рычаг 4), то работа НЭПП будет определяться соотношением:

Рэпп = Кэпп U вх,
где Кэпп - коэффициент передачи НЭПП, имеющий размерность бар/В.

 

Рис. 9.5 Характеристика непрерывного электропневматического
преобразователя.

 

Рис. 9.6 Принципиальная схема непрерывного электро-
   пневматического преобразователя.

 

Конструкция пневматического усилителя, часто используемая в судовой автоматике, приведена на рис. 9.7.

Данный усилитель содержит следующие элементы:
- корпус 1,
- сдвоенный клапан 2,
- мембранный блок 3.

  

 

Рис. 9.7 Принципиальная схема непрерывного
         пневматического усилителя.

 

 

Принцип действия усилителя:
- давление питания сжатым воздухом Рпит подводится под сдвоенный клапан 2,
- управляющее давление воздуха Рэпп подводится сверху на мембранный блок 3,
- при изменении (например, при увеличении) давления Рэпп мембранный блок3 перемещается вниз,
- закрывается проходное сечение выпуска рабочего воздуха в атмосферу,

- дальнейшее перемещение мембранного блока перемещает вниз клапан 2,
что увеличивает площадь проходного сечения для воздуха из полости с
давлением питания на выход усилителя, и давление Ру возрастает.

Подбором конструктивных данных усилителя можно получить принципиально различные его свойства:
- ограниченный коэффициент усиления для регуляторов с последовательным КУ,
- большой коэффициент усиления для регуляторов со следящей системой,
- релейную характеристику усилителя.

Схема электропневматического регулятора с НЭПП, по своим рабочим свойствам эквивалентного типовому регулятору с последовательным КУ (см. раздел 2.2), приведена на рис. 9.8.

Рис. 9.8 Принципиальная схема регулятора с непрерывным ЭПП
и последовательным КУ

 

Если в регуляторе необходима следящая система, то она может быть либо пневматической либо электропневматической.

Функциональная схема электропневматического регулятора с пневматической следящей системой показана на рис. 9.9, а принципиальная система на рис. 9.10.

 

Рис. 9.9 Функциональная схема регулятора с непрерывным ЭПП
и пневматической следящей системой.

 

Особенностью пневматической следящей системы является силовая жесткая обратная связь ЖОС, состоящая из:
-  рычага 1,
- опоры рычага 2,
- пружины обратной связи 3,
- штока обратной связи 4.

Изменение входного сигнала следящей системы – давления воздуха на выходе НЭПП Рэпп, вызывает изменение давления воздуха на выходе усилителя Ру,перемещение ПИМ и такое изменение усилия от пружины обратной связи на мембранном блоке усилителя, которое изменяет сигнал Ру в обратном направлении и останавливает перемещение ПИМ.

 

Рис. 9.10 Принципиальная схема регулятора с непрерывным ЭПП и
 пневматической следящей системой.

 

Функциональная схема электропневматического регулятора с электропневматической следящей системой показана на рис. 9.11, а принципиальная система на рис. 9.12.

 

Рис. 9.11 Функциональная схема регулятора с непрерывным ЭПП и
      электропневматической следящей системой.

 

     Электропневматическую следящую систему здесь образуют элементы: НЭПП, усилитель, пневматический ИМ, жесткая обратная связь.

Жесткую обратную связь в регуляторе образуют:
- рычаг 1,
- опора 2,
- пружина 3.

Рис. 9.12 Принципиальная схема регулятора с непрерывным ЭПП и
      электропневматической следящей системой.

 

В данном случае жесткая обратная связь охватывает НЭПП, усилитель и ПИМ. Это дает возможность упростить конструкцию НЭПП, за счет устранения блока обратной связи в НЭПП.

              10 РЕГУЛЯТОРЫ С ПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТЬЮ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА

Использование в исполнительных механизмах электрических систем регулирования и управления электродвигателей с постоянной частотой вращения позволяет получить наиболее простые по устройству и надежные системы автоматизации.

Рассмотренные выше электрические регуляторы такого типа обеспечивают необходимые показатели поддержания регулируемых величин большинства судовых агрегатов и механизмов.

       Однако, в ряде случаев требуемое качество регулирования (например, регулирования частоты вращения судовых дизелей) при постоянной скорости перемещения ИМ получить невозможно.

Основной причиной применения в судовой автоматике регуляторов с переменной скоростью ИМ является инерционность ИМ и регулирующего органа, которая не позволяет уменьшить зону нечувствительности регулятора настолько, чтобы обеспечить требуемую точность поддержания регулируемой величины и отсутствие автоколебаний в контуре регулятора.

Эта проблема имеет особо важное значение для регуляторов частоты вращения судовых дизелей, которые должны перемещать топливные рейки дизелей со скоростью на один-два порядка большей скоростей перемещения регулирующих органов остальных агрегатов и механизмов судовой энергетической установки, обеспечивая при этом повышенную точность установки топливных реек в заданное положение.

  Устройство конкретных регуляторов с переменной скоростью ИМ определяется:
- типом электродвигателя ИМ и усилителя,
- способом управления усилителем, обеспечивающим переменную скорость
ИМ,
- типами элементов, используемых как задатчики и обратные связи.

 

Как правило, такие регуляторы имеют типовую схему с последовательным КУ и следящей системой. 

Данную схему имеют судовые регуляторы фирмы Norcontrol, имеющие в своем составе универсальные микропроцессорные контроллеры [27], [34], [35].

Схема системы регулирования с переменной скоростью ИМ, содержащая упомянутые контроллеры, приведена на рис. 10.1.

Рис. 10.1 Функциональная схема САР с переменной
скоростью ИМ.

 

Таким образом, рассматриваемая система регулирования является 2-х каскадной (см. подраздел 2.4).

Следящая система представляет собой внутренний контур регулирования положения ИМ. (1-й каскад).

На схеме выделены как отдельные элементы:
- электродвигатель исполнительного механизма ЭД;
- последовательное корректирующее устройство КУ, формирующее сигнал заданного положения ИМ Мз, в соответствии с законом регулирования;
- датчик положения исполнительного механизма ДПИМ, формирующий сигнал
жесткой обратной связи Мд по положению ИМ с коэффициентом обратной связи Кос = 1,
- корректирующее устройство позиционирования исполнительного механизма КУП.

Усилитель в таких регуляторах является довольно сложным устройством, который, однако, по своему поведению можно рассматривать как усилитель с
непрерывной линейной характеристикой, описываемой передаточной функцией:

                                         W у(s) = Ку,
где Ку   -  коэффициент усиления усилителя.

Можно считать, что выходной сигнал усилителя U у изменяется пропорционально сигналу входному сигналу U куп. Вследствие этого частота вращения электродвигателя F эд и скорость ИМ являются переменными величинами.

Электродвигатель ИМ рассматривается обычно как типовое динамическое инерционное звено с передаточной функцией

Независимо от технического исполнения можно считать, что ДПИМ имеет передаточную функцию равную 1.

Передаточная функция КУП W куп(s) выбирается таким образом, чтобы обеспечить требуемое качество переходных процессов перемещения ИМ.

Чаще всего, КУП формирует П или ПИ закон регулирования.

В большинстве случаев КУП может отсутствовать, то есть при расчетах можно принять W куп(s)=1.

Динамическое поведение рассматриваемого регулятора отражается его структурной схемой, показанной на рис. 10.2.

 

Рис. 10.2 Структурная схема регулятора с переменной скоростью ИМ.

 

В ряде случаев, например, при регулировании частоты вращения судовых дизелей, оказывается эффективным применять следящие системы с внутренним контуром регулирования частоты вращения электродвигателя ИМ [28], [30], [32].

Схема такой САР приведена на рис. 10.3. Система регулирования в данном случае является 3-х каскадной.

2-й каскад представляет собой контур регулирования положения ИМ.

3-й каскад – это контур регулирования величины Х на выходе объекта регулирования.

1-й каскад является контур регулирования частоты вращения электродвигателя ИМ.

 

Рис. 10.3 Функциональная схема САР с контуром регулирования
частоты вращения электродвигателя ИМ.

 

По сравнению с предыдущим регулятор имеет следующие дополнительные элементы:

- датчик частоты вращения электродвигателя ДЧВЭД, выходной сигнал которого F д соответствует действительной частоте вращения ЭД F эд;

- корректирующее устройство контура регулирования частоты вращения электродвигателя КУЧВ, которое формирует сигнал U кч таким образом, чтобы обеспечить требуемое качество поддержания задаваемой частоты вращения ЭД.

КУП в данной схеме является задатчиком частоты вращения электродвигателя ЗЧВЭД, который по сигналу еМ отклонения положения ИМ от заданного формирует сигнал заданной частоты вращения ЭД F з.

В судовых электрических регуляторах используются КУЧВ с передаточными функциями W куч(s), соответствующимитиповым законам регулирования.

Динамические свойства ДЧВЭД, отражаемые передаточной функцией W дч(s), зависят от конкретного вида датчика и приводятся далее.

Структурная схема регулятора приведена на рис. 10.4.

 

 

Рис. 10.4 Структурная схема регулятора с контуром регулирования
частоты вращения электродвигателя ИМ.

Анало­гично предыдущему регулятору усилитель в данном случае обеспечивает перемен­ную скорость перемещения ИМ и по своим динамическим свойствам может рассматриваться как непрерывное пропорциональное звено.

11 Системы автоматического регулирования
сО следящей системой

 

Наиболее эффективной электрической системой регулирования можно считать систему с последовательным корректирующим устройством (КУ) и следящей системой.

Следящая система [15] перемещает исполнительный механизм таким образом, что положение ИМ с требуемой точностью воспроизводит задающее воздействие, являющееся произвольной функцией времени.

Последовательное КУ позволяет подобрать наиболее подходящий для каждого конкретного элемента судовой энергетической установки закон регулирования и определить настроечные параметры регулятора, обеспечивающее требуемое качество функционирования САР.

Следящая система перемещает исполнительный механизм по выходному сигналу КУ, что обеспечивает формирование регулирующего воздействия на объект регулирования с наименьшим отклонением от закона регулирования.

Кроме того, следящие системы дают возможность дистанционного управления агрегатами и механизмами при отключенном регуляторе или при отказе его элементов.

В нормативной документации по судовой автоматике отсутствуют какие-либо особые требования к следящим системам. Исходя из их назначения, можно сформулировать следующие требования к качеству работы следящих систем судовых регуляторов [15]:

- отсутствие статической ошибки,

- максимальное быстродействие системы,

- максимально допустимое динамическое отклонение (перерегулирование) 5%.

Основным элементом следящей системы является исполнительный механизм.

Достаточно подробное описание конструкций электрических исполнительных механизмов, их особенностей и характеристик можно найти в [7], [17].

Исполнительный механизм представляет собой устройство, перемещающее регулирующий орган в соответствии с алгоритмом работы регулятора.

Регулирующими органами судовых объектов регулирования являются:
- клапаны,
- золотники,
- поворотные затворы,
- задвижки и др.

Электрические ИМ состоят из следующих основных элементов:

- электродвигатель, служащий источником силового механического воздействия на регулирующий орган;

- редуктор как передаточно-преобразовательное устройство, предназначенное для получения определенной скорости регулирующего органа и требуемого перестановочного усилия на нем;

-  датчик положения выходного вала редуктора ИМ;

- концевые выключатели, предназначенные для автоматической остановки регулирующего органа в конечных или промежуточных положениях;

- тормозное устройство, фиксирующее положение регулирующего органа при отсутствии питания электродвигателя,

- устройства защиты электродвигателя по току и тепловому режиму и др.

Как правило, в регуляторах судовых агрегатов и механизмов применяются однооборотные ИМ, выходной вал редуктора которых поворачивается на некоторый угол, лежащий в пределах одного оборота.

Блок-схема электрического исполнительного механизма приведена на рис. 1.1.

Конструктивно электрический исполнительный механизм выполняется как блок, содержащий следующие упомянутые выше элементы:
- электродвигатель ЭД,
- блок ручного управления РУ, позволяющий вручную перемещать регулирующий орган,
- тормозное устройство Т,
- редуктор Р,
- датчик положения исполнительного механизма ДП,
- блок конечных выключателей КВ.

Подачей напряжения на электродвигатель управляет усилитель У. Выходной вал редуктора через механическую передачу перемещает регулирующий орган РО. Сигнал ДПИМ может подаваться на прибор ПП, показывающий положение ИМ (и РО).

 

Рис. 1.1 Блок-схема электрического исполнительного механизма.

 

Примеры общего вида электрических исполнительных механизмов показаны на рис. 1.2.

Рис. 1.2 Примеры общего вида электрических исполнительных механизмов.

 

Функциональная схема системы регулирования с последовательным КУ и наиболее простой по устройству следящей системой (первого типа) приведена на рис. 1.3.

 

 

Рис. 1.3 Функциональная схема системы автоматического регулирования
           со следящей системой первого типа.

 

Данная САР является двухкаскадной, в которой первый (внутренний) каскад составляет следящая система.

Система регулирования содержит следующие функциональные элементы:

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

З - задатчик, формирующий сигнал Хз заданного значения регулируемой величины;

ДРВ - датчик регулируемой величины (измерительный элемент), выходной сигнал которого Хд соответствует действительному значению регулируемой величины Х;

ЭС1 - элемент сравнения, формирующий сигнал еХ отклонения регулируемой величины от заданного значения (еХ= Хз-Хд);

КУ - последовательное корректирующее устройство, предназначенное для обеспечения требуемого качества работы САР (допустимого изменения регулируемой величины);

ЭС2 -  элемент сравнения, формирующий сигнал отклонения положения ИМ от заданного (eM =Мз-Мд);

У - усилитель, который повышает мощность входного сигнала еМ до уровня U у, необходимого для перемещения ИМ (и регулирующего органа регулятора) с требуемой скоростью;

ЭД - электродвигатель, частота вращения которого F эд определяется выходным сигналом усилителя U у;

МП - механическая передача, состоящая из понижающего редуктора, рычагов и тяг, преобразующая частоту вращения ЭД F эд в механическое перемещение М;

ДП - датчик положения исполнительного механизма, выходной сигнал которого Мд соответствует фактическому положению механизма М;

РО - регулирующий орган, связанный с ИМ и преобразующий перемещение М в непосредственное регулирующее воздействие на ОР G.

Электродвигатель и механическая передача представляют собой единый механический блок – исполнительный механизм (ИМ).

Рассматриваемая система регулирования содержит следящую систему, которая состоит из элементов, входящих в контур системы (см. рис. 1.3).

Следящая система перемещает ИМ в положение М, заданное сигналом на входе контура Мз, следовательно, она представляет собой внутренний контур регулирования положения ИМ.

Пример работы следящей системы при скачкообразном изменении сигнала заданного положения ИМ Мз приведен на рис. 1.4.

 

 

Рис. 1.4 Примеры графиков работы 1-го типа следящей системы.

 

Графики изменения величин на рис. 1.4 показывают, что после изменения сигнала заданного положения ИМ Мз на входе системы выходной рычаг ИМ начинает перемещаться и занимает положение М, равное сигналу задания.

Рассмотрим принцип действия следящей системы при увеличении сигнала заданного положения ИМ по графикам рис. 1.4:

- в начальном состоянии сигнал заданного положения ИМ Мз= 10% и, соответственно, положение ИМ М =10%;

- сигнал задания ИМ увеличивается до Мз= 90%;

- при пока еще неизменном положении ИМ и, следовательно, неизменном сигнале Мд на выходе ДПбудет возрастать сигнал отклонения положения ИМ от заданного еМ = Мз - Мд;

- напряжение на выходе усилителя U у увеличивается;

- электродвигатель начнет вращаться с увеличивающейся частотой F эд и через механическую передачу увеличивать положение ИМ М;

- возрастание М приведет к соответствующему росту сигнала Мд на выходе датчика ДП;

- сигнал еМ отклонения положения ИМ от заданного начнет уменьшаться;

- это вызовет уменьшение сигнала U у на выходе усилителя и соответствующее уменьшение частоты вращения электродвигателя F эд, а также скорости перемещения ИМ;

- в конечном результате сигнал отклонения еМ становится равным нулю, вращение ЭД прекращается, а положение ИМ становится равно заданному, то есть М=Мз= 90%.

Принцип действия САР со следящей системой (см. рис. 1.5) рассматривается для конкретного случая – увеличения нагрузки объекта регулирования:

- в начальном состоянии системы регулирования значение регулируемой величины постоянно и равно заданному значению Х= Хз;

- увеличение нагрузки ОР вызовет уменьшение регулируемой величины Х;

- уменьшится сигнал Хд на выходе датчика ДРВ;

- возрастет сигнал ошибки регулирования e Х = Хз – Хд;

- после преобразования в КУ сигнала ошибки по заложенному в КУ закону регулирования возрастет сигнал на выходе КУ Мз;

- контур позиционирования будет увеличивать положение ИМ М;

- регулирующий орган начнет увеличивать регулирующее воздействие на ОР G;

- регулируемая величина Х возрастет и ошибка регулирования еХ уменьшится;

- если система регулирования устойчива, то с течением времени ИМ займет положение, при котором значение регулирующего воздействия G будет соответствовать новой нагрузке ОР F и регулируемая величина Х снова станет постоянной и равной ее заданному значению Хз.

Графики на рис. 1.5 показывают, что вследствие достаточного медленного изменения сигнала заданного положения ИМ Мз перемещение ИМ М в данном примере практически совпадает с заданием.

В следящей системе первого типа, требуемое качество ее работы можно обеспечить за счет выбора:

- коэффициента усиления усилителя,
- времени полного хода ИМ.

Данные параметры регулятора являются конструктивными, то есть их нельзя изменять при настройке регулятора.

 

 

Рис. 1.5 Пример переходных процессов в САР со следящей системой.

 

По этой причине более удобным для настройки является следящей система второго типа с внутренним корректирующим устройством положения КУП, схема которой представлена на рис. 1.6.

Система регулирования также является двухкаскадной.

 

Рис. 1.6 Функциональная схема системы автоматического регулирования
                                 со следящей системой второго типа.

 

В КУП можно использовать любой из типовых законов регулирования и путем настройки параметров КУП получить требуемое качество работы следящей системы.

Следящие системы с переменной скоростью перемещения ИМ (системы третьего типа) обычно дополнительно содержат контур регулирования частоты вращения электродвигателя ИМ. Схема данной САР приведена на рис. 1.7.

 

Рис. 1.7 Функциональная схема системы автоматического регулирования
                            со следящей системой третьего типа.

 

Следящая система третьего типа дополнительно содержит:
ДЧВ – датчик частоты вращения электродвигателя ИМ, который формирует
          сигнал F д, соответствующий фактической частоте вращения ЭД F эд;
КУЧВ – последовательное корректирующее устройство контура регулирования
          частоты вращения ЭД.

Система регулирования является трехкаскадной:
- контур регулирования частоты вращения ЭД образует 1-й каскад,
- вся следящая система образует 2-й каскад.

В КУЧВ также можно использовать любой из типовых законов регулирования и путем настройки параметров КУЧВ получить требуемое качество поддержания частоты вращения ЭД.

Примером САР с такой следящей системой может служить система регулирования частоты вращения главного судового малооборотного дизеля DGS-8800e [21].

Техническое устройство и рабочие свойства следящей системы и, в целом, САР в значительной степени определяются типом применяемого в исполнительном механизме электродвигателя:
- асинхронный переменного тока,
- бесконтактный постоянного тока.

В первом случае исполнительный механизм перемещается с постоянной скоростью, во втором – с переменной.

12 следящие системы с постоянной скоростью
перемещения ИМ

 

12.1 Принципы управления электрическим ИМ
 с асинхронным электродвигателем

 

В электрических регуляторах практически всех судовых объектов регулирования (за исключением, дизелей как объектов регулирования частоты вращения) используются исполнительные механизмы с асинхронными электродвигателями переменного тока.

Данные электродвигатели имеют следующие особенности:

- ротор двигателя вращается с постоянной частотой, вследствие чего исполнительный механизм перемещается с постоянной скоростью;

-  управление двигателем заключается в подаче и отключении напряжения тока, то есть усилитель регулятора имеет релейную характеристику (см. рис. 12.1).

Рис. 12.1 Блок-схема и характеристика релейного усилителя.

 

Значения сигнала на выходе релейного усилителя имеют следующий технический смысл:

U у = 0 - напряжение на электродвигатель ИМ не подается, и ротор электродвигателя не вращается;

U у = 1 - напряжение на электродвигатель ИМ подается таким образом, что ротор электродвигателя вращается в направлении, обеспечивающем открытие регулирующего органа;

U у = -1 - напряжение на электродвигатель ИМ подается таким образом, что ротор электродвигателя вращается в направлении, обеспечивающем закрытие регулирующего органа.

Для перемещения регулирующих органов судовых регуляторов с такой скоростью, чтобы полный ход РО происходил за время от 2-х до 100 с ИМ содержит понижающий редуктор.

Схема элементов, общих для следящих систем с асинхронными электродвигателями, показана на рис. 12.2.

К этим общим элементам относятся:
- электрический исполнительный механизм,
-  релейный усилитель (РУ),
- модуль нечувствительности (МН).

 

Рис. 12.2 Схема управления исполнительным механизмом
с асинхронным электродвигателем.

 

Модуль нечувствительности формирует сигнал U мн, управляющий усилителем, по релейной характеристике, показанной на рис. 12.2.

Характеристика МН имеет зону нечувствительности D н и зону возврата D в.

Зона нечувствительности необходима для обеспечения работы системы регулирования на равновесных режимах, когда регулирующий орган должен занимать постоянное положение. Это достигается отключением питания электродвигателя ИМ.

Зона возврата D в предотвращает частое включение ИМ при небольших случайных изменениях сигнала U вм на входе МН.

Для наглядности на рис. 12.2 показан усилитель с контактными ключами Б и М. Замыкание и размыкание ключей подает на электродвигатель напряжение Uf или отключает подачу напряжения.

В ИМ судовых электрических регуляторов используются, как правило, однофазные асинхронные конденсаторные электродвигатели, схема обмоток статора которых показана на рис. 12.2.
    Рассмотрим принцип действия комплекса элементов, изображенных на рис. 2.2.

Если входной сигнал МН лежит в зоне нечувствительности  
(| U вм| < D н), то:
-  сигнал на выходе МН U мн = 0,
- ключи РУ разомкнуты,
- на обмотки статора электродвигателя ИМ напряжение питания не подается,
-  ротор электродвигателя РЭД и выходной рычаг ВР неподвижны.

Если входной сигнал