Система с последовательным корректирующим устройством

Система автоматического регулирования с последовательным корректирующим устройством выполнена в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2.5.

Рис. 2.5 Функциональная схема САР с последовательным
корректирующим устройством.

 

Рассматриваемая система содержит такие же функциональные элементы, что и система с параллельным КУ (рис. 2.1).

Однако, корректирующее устройство в системе включено последовательно между элементом сравнения и усилителем.

Последовательное КУ также предназначено для обеспечения требуемого качества работы САР.

Это достигается путем преобразования в КУ сигнала отклонения eX по формуле, заложенного в КУ закона регулирования.

Например, в случае пропорционально-интегрального закона выходной сигнал КУ

 

По схеме системы с последовательным КУ можно интуитивно сделать вывод о том, что в данной системе коэффициент усиления усилителя не может
быть слишком большим. В противоположном случае качество работы САР будет неприемлемым.

Покажем это, исходя из структурной схемы системы, приведенной на рис. 2.6.

 

Рис. 2.6 Структурная схема САР с последовательным КУ.

 

В соответствии со структурной схемой передаточная функция разомкнутой САР имеет вид:

W р (s) = W ку (s) W у (s) W им (s) W ор (s) W д (s)

или при W у (s) = Ку

W р (s) = Ку W ку (s) W им (s) W ор (s) W д (s).

 

В теории автоматического управления показывается [8], что значительное увеличение коэффициента усиления разомкнутой системы может привести к ее неустойчивости. Поскольку этот коэффициент пропорционален значению Ку, то значение Ку должнобытьограничено.

 

Вследствие этого:

- системы с последовательными КУ не обладают структурно заложенной надежностью систем с параллельными КУ,

  - блокисистемы требуют для своего изготовления элементов со стабильными характеристиками и высокой технологии изготовления.

Вместе с тем, регуляторы с последовательными КУ могут собираться из комплектов унифицированных элементов. В них достаточно удобно применять электронику и микропроцессоры. По этим причинам данные системы широко применяются в судовой автоматике.

 

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)