ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»

Арктический морской институт имени В. И. Воронина  филиал

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственный университет морского и речного флота

имени адмирала С. О. Макарова»

(Арктический морской институт имени В. И. Воронина – филиал ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»)

Крапивин Э.Н.

.

КУРС ЛЕКЦИЙ

по разделу 4. Обеспечение технической эксплуатации судовой автоматики

МДК 01.01. Основы эксплуатации, технического обслуживания и ремонт судового энергетического оборудования

ПМ.01. Эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт судового энергетического оборудования

основной профессиональной образовательной программы (ОПОП)

по специальности СПО

Эксплуатация судовых энергетических установок

Архангельск, 2014

Организация-разработчик: Арктический морской институт имени В. И. Воронина Арктический морской институт имени В. И. Воронина – филиал Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова» (далее – АМИ)

Разработчик:

Крапивин Эдуард Николаевич, преподаватель АМИ

РАССМОТРЕНО И РЕКОМЕНДОВАНО К УТВЕРЖДЕНИЮ

на заседании цикла специальных дисциплин АМИ

протокол №____ от ____.____.201___г.

Руководитель цикла СП _________ /И.Н. Шабалин/

УТВЕРЖДЕНО

на заседании методического совета АМИ

протокол №____ от ____.____.201___г.

Председатель методического совета _________ /Е.В. Ануфриева/

Содержание

№ п\п	Наименование темы	Стр.
4.1.	Основы теории автоматического регулирования	5
4.1.1.	Основные понятия и определения теории автоматического регулирования. Классификация технических средств автоматики.	5
4.1.2.	Статические свойства автоматического регулирования.	10
4.1.3.	Динамические свойства автоматического регулирования.	13
4.1.4.	Элементы судовых автоматических систем и устройств. Свойства объектов регулирования.	14
4.1.5.	Регуляторы прямого и непрямого действия.	37
4.2.	Контрольно-измерительные приборы (КИП) и системы.	58
4.2.1.	Общие сведения о КИП. Приборы для измерения неэлектрических величин.	58
4.2.2.	Системы централизованного контроля и технической диагностики.	73
4.3.	Автоматизация судовых дизельных и парогазовых энергетических установок.	76
4.3.1.	Автоматизация дизельной установки.	76
4.3.2.	Регуляторы скорости и температуры.	79
4.3.3.	Дистанционное автоматизированное управление главными двигателями.	115
4.3.4.	Автоматическое регулирование котельных установок.	121
4.3.5.	Автоматическое регулирование паропроизводительности.	137
4.4.	Автоматизация судовых вспомогательных механизмов и систем.	156
4.4.1.	Автоматизация воздушных компрессоров и систем сжатого воздуха.	156
4.4.2.	Автоматизация санитарных, осушительных и балластных систем.	160
4.4.3.	Автоматизация систем подготовки топлива и масла.	166
4.4.4.	Компоновка центральных постов управления (ЦПУ), пультов в рулевой рубке.	174

4.1. Основы теории автоматического регулирования.

4.1.1. Основные понятия и определения теории автоматического регулирования. Классификация технических средств автоматики.

Работа любого судового технического оборудования характеризует­ся протекающим в нем техническим процессом. Совокупность техниче­ского оборудования и реализованного на нем по соответствующим пред­писаниям (инструкциям, регламентам) технического процесса является объектом управления.

Воздействие на ОУ в целях поддержания предписанных (заданных) значений параметров является техническим процессом управления.

Например, объектом управления является паровая котельная ус­тановка, в которой протекают физические процессы горения топлива, передачи теплоты и парообразования. Работа такого ОУ оценивается следующими параметрами (величинами): часовой паропроизводительностью, расходом, давлением и температурой пара, расходом и вяз­костью топлива, коэффициентом избытка воздуха в топке, подачей пи­тательной воды и ее уровнем в котле.

Объект регулирования — это объект управления, который рассмат­ривают с позиции поддержания (стабилизации) заданного значения од­ного регулируемого параметра, а воздействие на ОР в целях поддержа­ния этого параметра является техническим процессом регулирования.

Например, котельную установку можно рассматривать как ОР с точки зрения поддержания (стабилизации) заданных значений давле­ния пара либо уровня воды в барабане, а ее топливную систему - с точки зрения стабилизации давления либо вязкости топлива и т. д.

Работу различных ОР рассматривают аналогично и оценивают параметрами рабочих процессов. В зависимости от условий эксплуата­ции регулируемые параметры требуется поддерживать на заданном уровне либо изменять их по определенному закону.

Рассмотрим работу котла как ОР уровня воды в пароводяном бара­бане (рис. 1, а). Часовой расход пaрa D_п из котла через стопорный кла­пан l при полном его открытии зависит от суммарной мощности под­ключенных потребителей пара. Уровень h воды в барабане определяют по водомерному стеклу, являющемуся контрольно-измерительным при­бором. Если истинное значение уровня h выходит за допустимые пре­делы промежутка h_max h_min, необходимо воздействием на клапан т соответственно изменить подвод питательной воды D_п._в, т. е. произ­вести регулирующее воздействие на ОР.

В дальнейшем всякий клапан или другой элемент, через который осуществляется регулирующее воздействие на ОР, будем называть регулирующим органом.

В приведенном примере РО (клапан т) установлен на регулируе­мом объекте со стороны подвода воды. Однако существуют объекты ре­гулирования, у которых РО устанавливается на стороне отвода энер­гии или вещества.

В общем виде принцип ручного регулирования с РО на подводе мож­но пояснить по структурной схеме (рис. 1, б), показывающей связь звеньев и выполняемые ими функции. Работа регулируемого объекта характеризуется подводом W₁ через РО и отводом W₂ при постоянном или изменяющемся значении регулируемого параметра х, измеряемого КИП. Оператор сравнивает истинное значение регулируемого парамет­ра с заданным и в случае рассогласования воздействует на РО в сторо­ну уменьшения их разности.

Система ручного регулирования (управления) является разомкну­той и качество ее работы зависит от субъективных свойств оператора, так как он производит регулирующее воздействие на ОР периодиче­ски после того, как заметит рассогласование значений регулируемого параметра. В рассмотренном примере (см. рис. 1, а) регулируемым па­раметром х является уровень h воды, подводом W₁ — часовой приток воды D_п._в в котел, а отводом W₂— расход пара D_п. В данном случае расход пара является нагрузкой котла.

Под нагрузкой ОР будем понимать тот подвод W₁ или отвод W₂, значение которого изменяется произвольно в зависимости от нужд по­требителей.

Процесс регулирования можно автоматизировать, если функции оператора будет выполнять автоматическое устройство (регулятор), образующее в совокупности с ОР и РО автоматическую систему регу­лирования.

Рассмотрим работу простейшей АСР уровня воды в пароводяном барабане котла (рис. 2, а). Измерителем уровня является поплавок 2. Поплавок и жестко соединенный с ним шток 1 питательного клапана т образуют автоматический регулятор уровня. Регулятор в совокуп­ности с РО (клапаном т) и ОР (котлом, из которого пар идет к потре­бителям) образуют замкнутую АСР уровня воды. Если наблюдается равенство значений расхода пара D_0п. из котла через клапан l и прито­ка питательной воды D_0п._в через клапан m, то уровень h воды в ба­рабане изменяться не будет, т. е. если D_{0п =} D_0п._в, тогда h₀ = idem. Такой режим работы системы, при котором все параметры не меняются во времени, называется статическим, или установившимся. Параметры на установившемся режиме принято обозначать индексом «0» (ноль).

Н арушение равенства между притоком воды и расходом пара при­водит к изменению уровня h воды в барабане и перемещению поплав­ка, который через шток изменяет открытие клапана т. Клапан будет двигаться до тех пор, пока не восстановится нарушенное равновесие.

Следовательно, регулятор — это автоматическое устройство, реа­гирующее на рассогласование заданного и истинного значений регу­лируемого параметра, способное воздействовать на РО в сторону вос­становления нарушенного равновесия между величинами W₁ и W₂.

Режим работы системы, при котором хоть один из параметров изме­няется во времени, называется динамическим, а наступает он под дей­ствием возмущения.

Возмущение — это всякое воздействие на систему, выводящее ее из состояния равновесия. Размер возмущения определяется разностью между значениями подвода и отвода ОР, т.е. W₁ — W₂. Возмущения вызываются изменением нагрузки, состояния рабочего тела ОР, на­стройки регуляторов, неисправностью звеньев системы и т. д., а их ха­рактер зависит от условий работы системы.

В теории автоматического регулирования возмущения разделяют на периодические, ступенчатые и импульсные. В действительности при работе АСР наблюдается сочетание указанных видов возмущений, при­чем обычно одно из них является наиболее характерным для данного ОР. Например, для главного двигателя, работающего на гребной винт в штормовых условиях, преобладает периодическое изменение нагруз­ки, а для приводных двигателей судовой электростанции при вклю­чении и отключении потребителей — ступенчатое и. импульсное. Амплитуда, знак и частота изменения нагрузки могут меняться произ­вольно. При изучении основ теории условимся наносить возмущения единичным скачком, т. е. ступенчато, и с максимальным значением.

Динамический режим, наступающий под действием возмущения в виде единичного скачка и длящийся до прихода АСР к новому устано­вившемуся режиму, называется переходным. Динамический режим яв­ляется основным при изучении процессов регулирования, так как он определяет устойчивость системы. Устойчивость — это свойство АСР приходить к установившемуся режиму после вывода ее из состояния равновесия. Системы, не обладающие устойчивостью, практического применения не имеют. Устойчивость АСР определяется совокупностью свойств всех ее звеньев: ОР, РО и регулятора.

Рассмотренный поплавковый регулятор перемещает клапан т только после отклонения уровня h воды от заданного значения h₀. Принцип регулирования по отклонению регулируемого параметра ле­жит в основе работы всех регуляторов и является основным. Этот принцип известен как принцип регулирования Ползунова — Уатта в честь изобретателей, впервые его применивших.

Автоматическая система регулирования выводится из состояния равновесия и при изменении настройки регулятора. Например, для того чтобы регулятор (см. рис. 2, а) поддерживал более высокое значе­ние уровня, нужно поплавок 2 сместить вверх вдоль штока 1 и закре­пить его в новом положении. Тогда при прежнем уровне поплавок, опустившись на поверхность воды, увеличит открытие клапана т, что приведет к увеличению притока D_п._в, нарушению прежнего равновесно­го состояния и росту уровня до нового заданного значения.

В общем виде принцип действия замкнутой системы с установкой РО на стороне подвода ОР можно пояснить по структурной схеме на рис. 2, б. Работа ОР характеризуется подводом W1 через РО и отводом W₂ при определенном значении регулируемого параметра х, подавае­мого на первый вход регулятора. На заданное значение регулируемого параметра регулятор настраивают изменением уставки задания R на втором его входе. Выход регулятора соединен с РО, что делает систе­му замкнутой.

На установившемся режиме АСР характерно равенство между под­водом и отводом ОР при неизменном значении регулируемого парамет­ра, т. е. если W_0l = W₀₂, тогда Х₀ = idem.

Если нанести возмущение (изменить, например, W₂ или R), то ука­занное равновесие нарушится, появится разность между заданным и ис­тинным значениями регулируемого параметра и изменится координата выходного звена регулятора у_р действующего на РО в сторону восста­новления нарушенного равновесия, т. е. наступит динамический режим АСР. Если система устойчива, то через некоторое время вновь наступит установившийся режим.

Из рассмотренного следует, что любая замкнутая АСР состоит из трех последовательно соединенных звеньев: ОР, РО и регулятора. Причем выходной сигнал предыдущего звена является входным сигна­лом последующего.