Объект управления и регулирования
Перед изложением основного материала полезно уточнить понятия терминов управление и регулирование.
В автоматике, как науке, до сих пор существуют неопределенности в некоторых терминах, и в частности это относится к процессам управления и регулирования. Запуск установки, ее привод с одного режима на другой – это, как очевидно управление, но в ряде случаев разделить эти процессы действительно трудно. Например, регулятор, к которому подведено забортное давление, изменяет расход или давление рабочего тела двигателя по рассчитанному закону, обеспечивающему постоянство частоты вращения n = const, он его не контролирует (как например, в торпеде 53-61). Так какой это процесс регулирования или управления? А за этим не только термины, но и свойства системы.
В пособии принят тот подход в автоматике, который разделяет эти процессы по принципу замкнутости. Процессами и системами управления считаются такие, которые содержат получение командного сигнала и его выполнение без проверки конечного результата, то есть системы управления – разомкнутые системы. Процессы и системы регулирования получают сигнал, исполняют его, измеряют конечный результат и при несовпадении результата с требуемым корректируют величину регулируемого параметра. Такие процессы и системы всегда замкнутые.
Системы управления некоторые авторы называют «разомкнутыми системами регулирования» или «системами регулирования по возмущению», а системы регулирования – «системами регулирования по отклонению». Такие формулировки имеют право на употребление, но вносят неопределенность и путаницу.
Энергосиловая установка предназначена для обеспечения движения торпеды со скоростями и законами их изменения, предписываемыми техническим заданием на проектирование торпеды, а именно:
Vi ± ΔV - величина скорости торпеды на данном режиме и ее допустимые отклонения;
Vi ↔ Vi+1 - дискретное переключение скорости с одного режима на другой;
Vi(h) = const или Vi = f (h) - стабилизация скорости при изменяющейся глубине хода торпеды h, или изменение скорости по задаваемому закону в зависимости от глубины или других факторов, например, от соотношения акустического сигнала от цели и от торпеды от собственного (торпедного) акустического поля.
Перечисленные величины и зависимости являются законом для проектантов и их принято называть директивными. Исполнение директивных законов в торпеде возлагается на систему автоматического управления и регулирования - САУР.
Скорость хода торпеды и частота вращения гребного вала двигательно-движительного комплекса жестко связаны друг с другом. При этом частота вращения – n однозначно определяется величиной мощности (момента), подводимой от двигателя – Nd к движителю. На рис. 1.1. показаны внешние характеристики движителя NB (n) и двигателя Nd (n), последние при различных значениях независимых параметров X (давления, глубины, температуры…), определяющих Nd. Точки пересечения внешних характеристик двигателя и движителя определяют частоту вращения, а, следовательно, и скорость торпеды.
Рис. 1.1. Внешние характеристики двигателя и движителя
Обработка экспериментальных данных для торпед с различными калибрами, длинами, типами движителей дает следующую зависимость между мощностью и скоростью торпеды на линии внешней характеристики движителя
Nd = 7,5 * D * L0,8 * Vν Вт, (1.1)
D – калибр торпеды, м;
L – длина торпеды, м;
V – скорость торпеды, м/с;
ν – показатель степени, имеющий значение в пределах ν = 3,0 ÷ 2,8.
При изменениях коэффициента сопротивления торпеды и пропульсивного к.п.д. движителя, не нарушающих задаваемое отклонение скорости, которое, как правило, равно ΔV/V ≈ 0,02, скорость торпеды и частота вращения движителя пропорциональны, а следовательно формула (1.1.) может быть выражена и через частоту вращения
Nd = kn*D * L0,8 * Vν,
в которой постоянный коэффициент kn рассчитывается по формуле (1.1) для торпеды с известными параметрами. Из этого положения следует, что законами, которые должны задаваться САУР, могут быть как директивные требования технического задания по скорости торпеда, так и их аналоги по частоте вращения вала двигательно-движительного комплекса. В первом случае САУР должна содержать измеритель-датчик скорости торпеды, во втором – датчик частоты вращения, а это повышает точность и упрощает приборный состав системы регулирования.
Изложенное показывает, что объектом управления и регулирования с целью получения необходимых скоростей торпеды, является двигатель.
Внутренними, то есть создаваемыми самой энергетической установкой, независимыми параметрами, определяющими мощность турбинных и поршневых двигателей являются:
To*, Po* - температура и давление заторможенного потока на входе в двигатель, для установок открытого цикла практически равные температуре и давлению парогаза в камере сгорания;
P2 - давление на выходе из двигателя является внутренним параметром при всех циклах работы двигателя, кроме открытого; в установках открытого цикла P2 определяется глубиной хода торпеды и является внешним независимым параметром;
Fкр - площадь, лимитирующая расход рабочего тела двигателя (расход энергокомпонентов).
Внешним независимым параметром при всех циклах работы энергетической установки является частота вращения, то есть в общем случае
Nd = f (To*, Po*, P2, Fкр, n).
Под X на рис. 1.1. подразумевается конкретное сочетание To*, Po*, P2, Fкр.
Постоянство независимых параметров означает и постоянство мощности, изменение любого из них изменяет мощность, создаваемую двигателем. Следовательно, регулировать мощность двигателя возможно только изменение его независимых параметров, при этом теоретически, регулирующим может быть любой из них, либо их сочетание. Но на практике не все независимые параметры целесообразны в качестве регулирующих.
Регулирование за счет To* - фактически за счет температуры в камере сгорания Ткс, не используется из-за:
- малой эффективности: Nd пропорциональна √Ткс, а температура сгорания твердых и однокомпонентных топлив вообще неизменна;
- конструктивной сложности: требуется изменение отношения расходов энергокомпонентов;
Малого диапазона приемлемого изменения Ткс: для повышения экономичности установки Ткс выбирается максимально допустимой по прочности и работоспособности агрегатов, что крайне сужает диапазон ее изменения.
Регулирование за счет противодавления P2 также не используется в связи с резким падением экономичности установки при увеличении P2.
Регулирование за счет частоты вращения n возможно только при использовании редуктора частоты вращения с изменяемым передаточным отношением - «коробки скоростей», то сеть только для дискретного изменения n; такой способ применен в торпедах 53-61, 53-65.
Регулирование за счет площади Fкр для дискретного изменения Nd применяется часто (53-65, УГСТ и др.), но для «плавного» изменения Nd не используется из-за конструктивных сложностей, хотя теоретически это возможно.
Наиболее эффективным, конструктивным и наиболее используемым является регулирование за счет Po* - фактически давления в камере сгорания Ркс. В подавляющих вариантах САУР регулирование Ркс означает и регулирование расхода рабочего тела двигателя, что и объясняет эффективность этого способа регулирования.
Вне зависимости от того используется независимый параметр как регулирующий или нет, необходимы органы, обеспечивающие стабилизацию температуры Ткс=const и получение заданных давлений в камере сгорания Ркс.
Работа движителя в воде – несжимой жидкости с высокой плотностью – обеспечивает торпедным двигателям большой запас собственной устойчивости. При устойчивой работе регуляторов независимых параметров (в УОЦ, Ркс, Ткс) система устойчива и в никаких дополнительных регуляторах не нуждается. Необходимо лишь реагирование САУР на внешние возмущения с целью выполнения директивных законов. Основным из них, как очевидно, является изменение глубины хода торпеды. Остальные внешние возмущения:
- изменение температуры жидкостей в магистралях ЭСУ и забортной воды, изменяющее вязкость жидкостей и как следствие гидравлические сопротивления и коэффициенты расхода;
- технологические отклонения размеров конструктивных элементов;
- подводные течения и др.
Оказывают влияние на скорость торпеды, но, как правило, в пределах нормативного допуска на отклонения скорости.
Любые возмущения приводят к изменению частоты вращения валов двигательно-движительного комплекса. По этой причине в торпедах последнего поколения всех торпедопроизводящих стран стали применяться САУР с замкнутым контуром по частоте вращения, а широкое использование преобразования неэлектрических величин в электрических, делает системы достаточно компактными и позволяет управлять всеми операциями от запуска до остановки двигателя из единого компьютеризованного блока.