4.6. Лабораторная работа №6.

"Исследование автоматической системы управления курсом судна".

Цель работы.

Изучение состава системы автоматического управления курсом судна (САУКС) и исследование влияния настроек авторулевого на поведение системы при различных управляющих и возмущающих воздействиях. Исследование поведения системы при типовых неисправностях ее элементов и получение практических навыков их локализации.

Общие сведения.

Автоматическое управление курсом судна позволяет повысить точность удержания судна на курсе, уменьшить время выхода на заданный курс и др. Для реализации функции управления курсом судна, система снабжена главной обратной связью по курсу (рис. 4.6.1), которая обеспечивает пропорциональный закон управления. Увеличение точности САУКС можно достигнуть увеличением общего коэффициента усиления разомкнутой системы за счет изменения коэффициента усиления усилителя. Это с одной стороны уменьшает ошибку практически во всех типовых режимах: в неподвижном состоянии, при движении с постоянной скоростью, с постоянным ускорением и т.д., а с другой стороны уменьшает запас устойчивости и в системе могут возникнуть незатухающие колебания.

Для повышения запаса устойчивости в закон управления вводится производная угла  отклонения судна от курса d()/dt

Для устранения установившихся ошибок, обусловленных возмущающими воздействиями, имеющими постоянную составляющую (ветер, разность частот вращения гребных винтов и т.п.), в закон управления вводят интеграл отклонения – .

В общем виде закон управления имеет вид:

Указанный закон управления реализуется в авторулевом ПИД-регулятором.

ЗУ – задающее устройство;

УФ – устройство формирования закона управления;

У – усилитель;

ПУ – преобразовательное устройство;

РМ – рулевая машина;

ОУ – объект управления;

ГОС – главная обратная связь;

МОС – местная обратная связь.

Описание лабораторного стенда.

В лабораторной работе используются следующие функциональные блоки

тренажера "ТОНАР" рис. 4.5.7:

1. математическая модель судна (ММС);

2. имитатор гирокомпаса (ИГ);

3. имитатор рулевого устройства (ИРУ);

4. генератор нерегулярных возмущений (ГНВ).

Математическая модель судна выполнена на аналоговой вычислительной машине типа МН-7М. Она интегрирует в натуральном масштабе времени систему уравнений, описывающих динамику судна во вращательном движении относительно вертикальной связанной оси.

В модели предусмотрены следующие варианты характеристик судна:

а) типы судов "1-2-3-4";

б) водоизмещение "меньше - норма - больше";

в) эффективность руля "значительно меньше - меньше - норма";

г) уровень стабилизации угловой скорости "меньше - норма";

д) устойчивость на прямом курсе "больше - норма - меньше".

Эти варианты задаются нажатием соответствующих клавиш на пульте инструктора.

Допустимый сектор изменения курса составляет 45 относительно "норда", поэтому при исследовании управляемости судна курс не должен выходить за пределы этого сектора.

В математической модели судна предусмотрены внешние возмущения в виде:

а) постоянного плавно регулируемого момента M_, который может прикладываться на правый или левый борт судна;

б) переменного нерегулярного возмущения с нулевым средним значением, вводимого как в виде момента М_нр, так и в виде дополнительной составляющей к углу рыскания .

Задание возмущений и их уровня осуществляется с пульта инструктора.

В имитаторе рулевого устройства и гирокомпасе никаких внешних регулировок не предусмотрено.

В авторулевом при выполнении работы используются следующие регулировки:

К_диф – изменение коэффициента усиления производной от ошибки по курсу  – потенциометром "Регулировка производной" на верхней крышке ПУ;

К_ос – изменение коэффициента усиления местной обратной связи по углу перекладки руля КОС – переключателем "Установка КОС" на верхней крышке ПУ; изменение коэффициента усиления электронного усилителя производится тумблером "Грубо", "Точно", расположенным под передней панелью.

Авторулевой для повышения надежности системы имеет два одинаковых канала управления. Переход с одного канала на другой осуществляется переключателем усилителей, находящегося на средней крышке пульта управления (ПУ). Исследование управляемости судна следует проводить при работе на втором канале управления (включен усилитель № 2). Первый канал используется при анализе неисправностей авторулевого.

Задание неисправностей осуществляется с пульта инструктора на "ТОНАРе" преподавателем.

Для визуального наблюдения переходных процессов имеется электронно-лучевой осциллограф.

Сигнал курса снимается с выхода усилителя №9 АВМ, а угол перекладки руля с клеммной платы ПУ авторулевого.

Автоматическое удержание судна на заданном курсе рассмотрим по упрощенней структурной схеме, приведенной на рис. 4.6.2, используя временные диаграммы, приведенные на рис. 4.6.3. Предположим, что судно шло с курсовым углом , равным нулю, и перо руля находилось в диаметральной плоскости. В этом случае все напряжения, изображённые на рис. 4.6.3. будут равны нулю.

Пусть за счет внешних возмущений, например, ветра, судно начало отклоняться от заданного курса (момент времени t₁ на рис. 4.6.3а). Это отклонение воспринимается гирокомпасом (ГК), который через сельсин-датчик курса СК развернет ротор сельсина-приемника на некоторый угол, пропорциональный. Сельсин СП через необратимую передачу НП и дифференциал МД развернет ротор сельсина и на его выходной обмотке появится переменное напряжение U_з, которое пропорционально углу отклонения судна от курса.

Рис. 4.6.3. Временные диаграммы

Это напряжение поступает на сумматор СМ и на блок коррекции, который вырабатывает сигналы U_п и U_и (рис. 4.6.3в и 4.6.3г) соответственно пропорциональные производной d()/dt и интегралу от ошибки по курсу. На выходе усилителя в момент времени t₁ появится напряжение U равное:

U = U_з + U_п + U_и­,

которое поступает на вход усилителя.

Усиленный сигнал с выхода усилителя поступает на управляющую обмотку исполнительного двигателя Д в приборе ИМ. Двигатель через редуктор Р начнет смещать управляющий шток насоса рулевой машины РМ из нулевого положения, предположим, влево. Одновременно с перемещением штока насоса поворачивается ротор сельсина ДИМ и с его статорной обмотки на вход усилителя подается сигнал отрицательной обратной связи U_. Насос рулевой машины в соответствии с положением штока насоса приведет в движение поршни силовых цилиндров СЦ рулевой машины, которые будут поворачивать с определенной скоростью руль судна. При повороте руля с сельсина РД на вход усилителя подается напряжение отрицательной обратной, связи U_, которое увеличивается по мере поворота руля.

Напряжение на входе усилителя в момент времени t₂ определяется следующим равенством:

U = U_з + U_п + U_и – U_ – U_

Под действием момента, создаваемого рулем, судно постепенно замедляет отклонение от курса. Производная d()/dt при этом уменьшается, что приводит к уменьшению напряжения U_п. Уменьшение этого напряжения и одновременное увеличение U_ и U_ приводит к тому, что напряжение U на входе усилителя начнет уменьшаться и в момент t₃ станет равным нулю. Двигатель Д в этот момент времени остановится и управляющий шток насоса перестанет перемещаться. Напряжение U_ при этом достигнет максимального значения.

Так как шток насоса смещен с нулевого положения, то рулевая машина продолжает перекладывать руль, и напряжение U_ увеличивается, а напряжение U на входе усилителя изменяет фазу (знак). Двигатель Д начнет вращаться в другую сторону и перемещать в нулевое положение шток насоса. При t = t₄ шток занимает нулевое положение. В этот момент времени прекращается перекладка руля, напряжение U_ достигает максимального значения.

Так как напряжение U по-прежнему отрицательно, то шток начнет перемещаться из нейтрального положения вправо и начнется перекладка руля в сторону диаметральной плоскости (ДП).

На участке t₄-t₅ под действием сигнала производной U_п и обратной связи по положению руля U_ продолжается перекладка руля в сторону ДП. Причем руль прийдет в диаметральную плоскость раньше, чем судно возвратится на заданный курс, и будет перекладываться на другой борт, чтобы воспрепятствовать переходу судна через заданный курс.

В конце режима стабилизации руль не будет находиться в диаметральной плоскости. При этом момент, создаваемый рулевым устройством, будет компенсировать действие внешнего возмущения. Величина угла отворота пера руля от ДП будет определяться интегральной составляющей U_и сигнала управления.

Изменение заданного курса можно проводить градусными поправками. Предположим, что требуется изменить курс судна на 5 градусов вправо. Поворотом штурвала Ш вправо перемещают ротор сельсина ДК на угол, соответствующий изменению курса на 5 градусов. Напряжение сигнала подается на вход усилителя и далее на электродвигатель Д и начнется перекладка руля вправо. Она будет продолжаться до тех пор, пока судно начнет поворачиваться вправо. Тогда сельсин гирокомпаса СК через синхронную связь с сельсином СП подает сигнал обратной связи по курсу судна. Далее работа протекает аналогично рассмотренной в режиме стабилизации судна на курсе.

При введении градусных поправок, превышающих 10° для уменьшения перерегулирования при выходе судна на заданный курс отключается интегрирующее звено.

Изучение работы и неисправностей авторулевого проводится следующим образом:

1. Задается небольшая поправка к курсу (порядка 2-3°) или момент М₀ (0,2 М_0мах) и определяются основные параметры переходного процесса: длительность, величина перерегулирования, колебательность.

2. Задается неисправность системы и при тех же, что и в п. 1 управляющих или возмущающих воздействиях исследуется управляемость судна и параметры переходного процесса.

3. По виду переходного процесса предположительно определяется характер неисправности. Перечень неисправностей авторулевого приведен в табл. 4.5.1.

Таблица 4.6.1. Перечень неисправностей авторулевого в автоматическом режиме

Вид неисправности	Признаки неисправности
8 Потеря питания блока коррекции (ПУ–А3).	Напряжение питания блока коррекции (ПУ-А3) равно нулю.
9 Разрыв связи между блоком коррекции (ПУ–А3) и усилителем (ПУ–А1) в режиме автомат.	Судно при боковом ветре резко уходит с курса. Не отрабатывается заданное значение угла перекладки руля.
5 Потеря возбуждения сельсина–задатчика курса (ПУ–Сс3).	Напряжение возбуждения сельсина–задатчика курса (ПУ–Сс3) равно нулю. Перо руля неподвижно.
22 Потеря возбуждения репитера гирокомпаса (ПУ–Сс1).	Напряжение возбуждения сельсина– репитера гирокомпаса (ПУ–Сс1) равно половине номинального значения.
14 Потеря связи между автоматным сельсином–приемником курса (ПУ–Сс5) авторулевого и сельсином–репитером гирокомпаса (ПУ–Сс1).	Наблюдается уход с курса. Вместо Л.Б. максимально отклоняется на П.Б.
12 Нет сброса на ноль интеграла блока коррекции (ПУ–А3)	Резкий уход судна с курса. Постоянная ошибка интегрирования не компенсируется.
21 Выход из строя предохранителя (ПУ–Пр3) в цепи трансформатора (ПУ–Т3)	Напряжение питания световой сигнализации равно нулю. Не горит подсветка режимов работы.

Таблица 4.6.2. Испытательные напряжения САУКС

№ гнезда	Контролируемые цепи	Величина напряжения, В	Режим работы авторулевого
1	Напряжение возбуждения сельсина-репитера гирокомпаса (ПУ-Сс1)	47,5	В 3 режимах
2	Напряжение возбуждения сельсина задатчика курса (ПУ-Сс3)	8	Следящий и Автомат
3	Напряжение возбуждения сельсина обратной связи рулевого датчика (РД-Сс2)	8	//
4	Напряжение питания усилителя А1	54	//
5	Напряжение возбуждения двигателя исполнительного механизма (ИМ1-М1)	47	В 3 режимах
6	Напряжение питания блока коррекции (ПУ-А3)	8	Автомат
7	Напряжение питания трансформатора (ПУ-Тр1)	54	В 3 режимах
8	Напряжение питания трансформатора (ПУ-Тр3)	54	//
9	Напряжение возбуждения сельсина приемника положения руля (ПУ-Сс4)	55	//
10	Напряжение питания световой сигнализации	10	//
11	Напряжение питания цепей звуковой сигнализации	10/2	В 3 режимах

Таблица 4.6.3. Варианты характеристик судна.

№ бригады	Характеристики судна			Устойчивость на курсе
	Тип судна	Водоизмещение	Эффективность руля
1	1	Н	Н	Н
2	1	М	М	Н
3	1	М	ЗМ	Н
4	1	Н	Н	М
5	2	Н	Н	Н
6	2	М	М	Н
7	2	М	ЗМ	Н
8	2	Н	Н	М
9	3	Н	Н	Н
10	3	Б	Н	Н
11	3	Б	М	М
12	3	М	М	Б
13	4	М	ЗМ	Н
14	4	М	Н	М
15	4	Б	Н	Н
16	4	Б	Н	Б

Примечание: уровень стабилизации угловой скорости для всех вариантов – "норма".

Порядок включения и выключения лабораторной установки

Для включения лабораторной установки необходимо:

1. Включить рубильник в силовом щите, а потом на распределительном щите.

2. Выключить тумблер "Анод" и включить тумблер "Сеть" на блоке питания ВЭС-1.

3. Тумблеры "220" и "=26" на МН-7 включить.

4. На пульте инструктора включить автоматический выключатель.

5. Переключатель "Штатное, авторулевой" на пульте управления тренажера поставить в положение "Авторулевой".

6. На пульте управления авторулевого "Аист" включить насос (должно загореться табло "Включено").

7. Прогреть установку 20-30 мин.

8. После прогрева на блоке питания ВЭС-1 включить тумблер "Анод".

9. После включения тумблера "Анод" и еще 10-минутного прогрева установить нули операционных усилителей МН-7.

10. На панели МН-7 тумблеры "Установка нуля" и "Подготовка" в указанной последовательности поставить в положение "Работа", при этом загорается лампа "=26" В.

11. Нажать две кнопки "Работа" в блоке тестов тренажера.

12. Перевести все счетчики тренажера в нулевое положение При выполнении этого пункта в случае включения зуммера необходимо выключить и сразу же включить тумблер "Анод" на ВЭС-1. Для перевода счетчиков в нулевое положение необходимо на пульте конструктора нажать семь кнопок "Сброс".

13. Для включения в тракт управления модели судна нажать кнопку "Пуск" на панели МН-7 (при этом загорается лампочка над кнопкой).

14. Для отключения модели судна нажать на МН-7 кнопку "Исходное положение".

Отключение лабораторной установки выполнять в следующей последовательности:

1. Нажать на МН-7 кнопку "Исходное положение".

2. Тумблеры "Подготовка" и "Установка нуля" в указанной последовательности выключить.

3. Выключить тумблер "Анод" на блоке питания.

4. Выключить насос на пульте управления авторулевого.

5. Отключить автоматический выключатель на пульте инструктора.

Задание на исследование.

1. В соответствии с номером бригады согласно табл. 4.6.3 установить характеристики судна. Снять осциллограммы угла перекладки руля и курса судна в режиме стабилизации при различных сочетаниях коэффициентов усиления K_диф и К_ос и в режиме градусных поправок при оптимальном соотношении коэффициентов K_диф и К_ос, а также перерегулирование, длительность переходного процесса.

2. Экспериментально исследовать внешние проявления в работе неисправностей, указанных в табл. 4.6.2. Проверить исправность интегрирующего и дифференцирующего звеньев. Определить характер неисправности заданной преподавателем.

3. Привести упрощенную структурную и принципиальные схемы САУКС в режиме «Автомат» с указанием номеров сельсинов ПУ, работающих на втором канале (включен усилитель № 2).

4. В выводах к работе объяснить влияние коэффициентов К_диф и К_ос на качество переходного процесса и обосновать наиболее приемлемое (оптимальное) их сочетание.

Вопросы для самопроверки.

1. Объяснить, какие существуют способы повышения точности САУ

2. Назначение корректирующих устройств.

3. Как влияет повышение астатизма системы на ее устойчивость.

4. Объяснить работу САУКС по функциональной и принципиальной схемам.

5. Объяснить, почему в авторулевом имеется сброс интегрирующего устройства.

6. Каким образом осуществляется штатная проверка исправности дифференцирующего и интегрирующего устройств.

7. Объяснить причины следующих неисправностей н режиме "Автомат": судно плохо удерживается на курсе и имеются большие перекладки руля, уход с курса, имеется постоянная ошибка в курсе, при переходе в режим "Автомат" резкий уход курса.