Кафедра судовой электроавтоматики

Кафедра судовой электроавтоматики

 

 

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.

 

Комбинированная система

 

Комбинированная система автоматического регулирования выполнена в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2.7.

Система содержит два корректирующих устройства:
КУ - последовательное корректирующее устройство,
ЖОС - параллельное корректирующее устройство типа жесткой обратной связи.

 

 

Рис. 2.7 Функциональная схема САР с последовательным и параллельным
корректирующими устройствами.

 

Последовательное КУ формирует закон регулирования, необходимый для работы САР с требуемым качеством.

Действие ЖОС определяется выражением:

Хос = Кос М,                                (2.8)

причем в данных системах обычно принимается Кос = 1.

Технически такое значение Кос означает равенство входного и выходного сигнала ЖОС в относительных величинах:

Хос = М.                                 (2.9)

Соответствующая характеристика ЖОС для относительных и размерных величин сигналов приведена на рис. 2.8. 

На равновесных режимах работы данной системы сигнал на входе усилителя 

eU у = U ку – Хос = 0,

 вследствие чего на этих режимах выполняется условие

Хос = U ку

или с учетом (2.9)                               М = U ку.

Это означает, что блоки, составляющие внутренний замкнутый контур в схеме системы (рис. 2.7), образуют следящую систему управления исполнительным механизмом.

 

Рис. 2.8 Характеристика жесткой обратной связи при Кос = 1.

 

Следящая система перемещает ИМ в положение М, заданное произвольно изменяющимся сигналом на входе системы U ку.

Пример действия следящей системы управления ИМ показан на рис. 2.9, на котором можно видеть как перемещение ИМ (величина М) следует за изменением входного задающего сигнала U ку.

Поскольку усилитель в данном регуляторе охвачен отрицательной обратной связью, то (аналогично регулятору с параллельным КУ) его коэффициент усиления может быть теоретически сколь угодно большим. По этой причине данный регулятор обладает такими же положительными свойствами, что и регулятор с параллельным КУ.

 

Рис. 2.9 Пример действия следящей системы.

 

 

Более корректное изучение рабочих свойств рассматриваемого регулятора может быть выполнено по структурной схеме САР, приведенной на рис. 2.10.

 

 

Рис. 2.10 Структурная схема САР с последовательным и параллельным КУ.

В рассматриваемом случае применена жесткая обратная связь, для которой согласно уравнению (2.8) передаточная функция

 

         W ос(s) = Кос, причем Кос = 1.          (2.10)

 

Заменим контур, составляющий следящую систему, одним блоком, так что структурная схема САР примет вид, показанный на рис. 2.11.

Найдем передаточную функцию следящей системы с использованием выражений (2.5) и (2.10):

                                                                     (2.11)

 

Рис. 2.11 Структурная схема САР со следящей системой.

 

Таким образом, выражение (2.11) для передаточной функции следящей системы показывает, что изменение входного сигнала системы U ку вызывает перемещение ИМ в соответствии с равенством М = U ку.

Наличие следящей системы дает возможность добавить в регулятор дистанционное управление в соответствии со схемой, изображенной на рис. 2.12.

Блок дистанционного управления (БДУ) формирует сигнал U ду, который служит сигналом заданногоположения ИМ, вырабатываемым вручную оператором. Переключатель позволяет выбрать вариантавтоматического (АУ) или дистанционного (ДУ) управления исполнительным механизмом, передавая на вход следящей системы сигналы: U ку - при автоматическом управлении или U ду - при дистанционном.

 

Рис. 2.12 Схема системы автоматического и
        дистанционного управления.

 

Таким образом, входной сигнал следящей системы

 

Мз = Uку при АУ,

Мз = Uду при ДУ.

 

Следящая система перемещает ИМ в заданное положение согласно равенству М = Мз.

Данная схема (рис. 2.12) применяется в современных микропроцессорных системах управления частотой вращения главных дизелей [28], [30], [32].

 

Каскадные системы

 

Большинство систем автоматического регулирования судового энергетического оборудования построено по рассмотренным выше трем типовым схемам.

Однако в судовой автоматике используются САР и с более сложными схемами.

Примером такой системы регулирования может служить САР сжигания топлива, применяемая в некоторых судовых паровых котлах большой паропроизводительности (см. рис. 2.13).

 

 

Рис. 2.13 Схема регулирования сжигания топлива в судовом паровом котле

 

САР содержит 4 регулятора:
ГРДП - главный регулятор давления пара в котле Рк,
РДТФ - регулятор давления топлива перед форсункой Рт,
РДВ - регулятор давления воздуха Рв,
РДТМ - регулятор давления топлива в магистрали Рм.

РДТМ поддерживает давление топлива Рм в топливной магистрали перед топливным регулирующим золотником ТРЗ, равное постоянному заданному значению Рмз. РДТМ поддерживает давление, перемещая регулирующий клапан слива РКС, изменяющий расход топлива из напорной топливной магистрали в приемный трубопровод топливного насоса.

ГРДП по сигналу отклонения давления пара в котле Рк от заданного значения Ркз вырабатывает управляющий сигнал U дп, который поступает на задатчики регуляторов давления топлива и воздуха ЗДТ и ЗДВ.

Задатчики формируют соответственно сигналы заданных значений давления топлива перед форсункой Ртз и давления воздуха перед топочным устройством Рвз.

РДТФ поддерживает давление топлива перед форсункой Рт, равное переменному заданному значению Ртз, путем перемещения ТРЗ.

Изменение давления Рт вызывает изменение расхода топлива в котел G т и, тем самым, изменение давления пара в котле Рк.

РДВ поддерживает давление воздуха перед топочным устройством Рв, равное переменному заданному значению Рвз, путем перемещения воздушной регулирующей заслонки ВРЗ.

Изменение давления Рв вызывает изменение расхода воздуха в котел G в  и, тем самым, обеспечивает соотношение расходов воздуха и топлива, необходимое для нормального горения топлива.

Таким образом, котел как объект регулирования давления пара в данном случае представляет собой сложный объект, состоящий из (см. рис. 2.14):
ОРГ - главного объекта регулирования (собственно, котла), в котором регу-
       лируемой величиной является давление пара Рк;
ОРВ - вспомогательного объекта регулирования (топливного трубопровода
        с форсункой)), в котором регулируемой величиной является давление
        топлива Рт.

Регулируемая величина ОРВ служит регулирующим воздействием для ОРГ.

Такая САР называется системой каскадного или подчиненного регулирования.

Функциональная схема двухкаскадной САР в общем случае имеет вид, показанный на рис. 2.14, где обозначено:
Хг - главная регулируемая величина,
Хв - вспомогательная регулируемая величина,
Хдг - выходной сигнал датчика главной регулируемой величины ДГ,
Хдв - выходной сигнал датчика вспомогательной регулируемой величины ДВ,
Хзг - выходной сигнал задатчика главной регулируемой величины ЗГ,
Хзв - сигнал заданного значения вспомогательной регулируемой величины на выходе

главного корректирующего устройства КУГ,
U кув - выходной сигнал вспомогательного корректирующего устройства
         КУВ,
G в - регулирующее воздействие на ОРВ.

Рис. 2.14 Пример функциональной схемы двухкаскадной системы
регулирования.

 

Обозначения остальных элементов и сигналов ясны по предыдущим схемам.

Первый каскад системы представляет собой внутренний контур регулирования вспомогательной регулируемой величины Хв. Этот контур содержит типовые функциональные элементы регулятора, рассмотренные выше. Последовательное корректирующее устройство КУВ обеспечивает требуемое качество работы внутреннего контура.

Второй каскад системы представляет собой внешний контур регулирования главной регулируемой величины Хг. Последовательное корректирующее устройство второго каскада КУГ вырабатывает сигнал Хзв заданного значения вспомогательной регулируемой величины для первого каскада.

Для САР сжигания топлива (рис. 2.14) главной регулируемой величиной является давление пара в котле Рк, а вспомогательной – давление топлива перед форсункой Рт. Функциональная схема данной САР полностью соответствует рис. 2.14.

Следует отметить, что типовая комбинированная САР, рассмотренная в предыдущем подразделе (см. рис. 2.7) является частным случаем двухкаскадной системы. Первым каскадом САР в ней служит следящая система, которая представляет собой внутренний контур регулирования положения ИМ, причем передаточная функция вспомогательного корректирующего устройства W кув(s)=1.

Каскадные САР теоретически могут иметь сколь угодно много контуров регулирования.

Пример схемы трехкаскадной САР приведен на рис. 2.15.

Отличие данной системы от предыдущей двухкаскадной заключается в том, что первый каскад представляет собой контур регулирования положения ИМ (следящую систему), содержащий:
ДПИМ – датчик положения ИМ, выполняющий функцию жесткой обратной
           связи,
КУП - последовательное корректирующее устройство (позиционирования
        ИМ).

КУВ в данной системе формирует сигнал заданного положения ИМ Мз, который сравнивается с выходным сигналом ДПИМ Мд,соответствующим фактическому положению ИМ М.

В корректирующих устройствах всех каскадов таких САР, как правило, применяются типовые законы регулирования, рассмотренные далее.

В электрических САР каскадное построение систем применяется достаточно широко. Такие системы рассмотрены в разделах 5 и 9 данного пособия.

 

Рис. 2.15 Пример функциональной схемы трехкаскадной
системы регулирования.

 

Например, трехкаскадными являются электрические САР с регулированием скорости ИМ (см. раздел 10).

 

3 законы регулирования

 

Обзор законов регулирования

 

Рассмотрим регулятор как единый блок, представленный на рис. 3.1.

Рис. 3.1 Регулятор и закон регулирования

 

При любом внутреннем устройстве регулятора он выполняет преобразование сигнала отклонения еХ в перемещение исполнительного механизма М.

Это преобразование и представляет собой закон регулирования.

Выбор закона регулирования и его настроечных параметров для конкретного объекта регулирования (судового агрегата или механизма) определяет качество работы САР.

Теоретически законов регулирования может быть сколь угодно много, особенно, при современном уровне использования в регуляторах микропроцессоров.

Однако, в технике автоматики, в том числе и судовой, используется небольшое число следующих типовых законов регулирования:
- пропорциональный,
- пропорционально-интегральный,
- пропорционально-дифференциальный,
- пропорционально-интегрально-дифференциальный.

В случае ПИД закона регулирования перемещение ИМ происходит в соответствии со следующим выражением, определяемым преобразованием сигнала еХ в регуляторе

 

                    , (3.1)                                                                                                          

 

где Кр – коэффициент пропорциональности,
  Td - время дифференцирования,
   Ti - время интегрирования.

Параметры Кр, Td, Ti являются настроечными. Их значения выбираются из условия обеспечения требуемого качества работы САР.

Изменение настроечных параметров в судовых условиях доступно для обслуживающего персонала (судовых механиков и электромехаников).

Остальные типовые законы регулирования являются частными случаями ПИД закона:
- пропорциональный закон

                                                           ,         ,                       (3.2)

 

 

– пропорционально-интегральный закон(3.3)

,

- пропорционально-дифференциальный закон

                                                                            .              (3.4)               

Интегральная составляющая.

Изменение сигнала на выходе модуля, формирующего интегральную (И) составляющую закона регулирования, определяется выражением:

                                    

                                . 

                   

 

При скачке входного сигнала (3.17) сигнал на выходе И модуля изменяется согласно выражению:      

                                        (3.19)

Графики изменения сигналов на входе и выходе И модуля приведены на рис. 3.14.

 

Рис. 3.14 Изменение сигналов модуля c интегральным
            преобразованием.

 

Если в произвольный момент времени t = t1 измерить значение сигнала на выходе модуля Ui(t1) = Ui1, то из (3.1) можно получить выражение для фактического значения времени интегрирования

                       .

 

Таблица 3.1

Пересчет настроечных параметров для различных вариантов
передаточных функций законов регулирования

 

 4 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ

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,
-  управление двигателем заключается в подаче и отключении напряжения
тока, то есть усилитель регулятора имеет релейную характеристику (см. рис. 4.1).

 

Рис. 4.1 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 элек-
            тродвигателя не вращается;
U у = 1 - напряжение на электродвигатель ИМ подается таким образом,
             что ротор электродвигателя вращается в направлении, обеспечи-
            вающем открытие регулирующего органа;

U у = -1 - напряжение на электродвигатель ИМ подается таким образом,
              что ротор электродвигателя вращается в направлении, обеспечи-
             вающем 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 электрических регуляторов, показана на рис. 4.2.

 

Рис. 4.2 Схема управления электрическим исполнительным
механизмом.

 

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

Модуль нечувствительности формирует сигнал U мн, управляющий усилителем, по релейной характеристике, показанной на рис. 4.2.

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.

В качестве релейных усилителей в судовых электрических регуляторах применяются:
- контактные реле,
- транзисторные усилители,
- тиристорные усилители,
- реверсивные магнитные пускатели (для ИМ большой мощности).

Наибольшее распространение в судовой автоматике получили тиристорные усилители.

Для наглядности на рис. 4.2 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. 4.2.
    Рассмотрим принцип действия элементов, изображенных на рис. 4.2.

Если входной сигнал МН лежит в зоне нечувствительности  
(| U вм| < D н), то:
-  сигнал на выходе МН U мн = 0,
- ключи РУ разомкн