Лабораторная работа № 2 исследование авторулевого «аист»

Цель работы:

1. Изучить законы управления, реализованные в авторулевом АИСТ, режимы работы "Простой", "Следящий", "Автомат".

2. Освоить методику подготовки системы к работе и обслуживания авторулевого во время работы.

Материалы и оборудование

Лабораторная установка состоит из стенда, на лицевой панели которого нанесена принципиальная схема авторулевого АИСТ, пульта управления, рулевого датчика РД, исполнительного механизма ИМ, макета рулевой машины.

Пульт управления является основным прибором системы, с которого осуществляются все виды дистанционного управления рулем.

Корпус прибора литой, брызгозащищенного исполнения. К палубе прибор крепится четырьмя болтами без амортизаторов. В приборе ПУ имеются три основных крышки: верхняя, средняя и нижняя. Верхняя и средняя крышки поворачиваются на петлях, причем верхняя может фиксироваться в откинутом положении, нижняя - съемная. Для обеспечения брызгозащищенности крышки затягиваются специальными болтами.

В средней крышке имеется небольшая быстрооткрывающаяся крышка для удобства доступа к предохранителям.

На верхней крышке расположены: окно для шкал репитера гирокомпаса и положения руля; гнездо для согласования шкал курса, закрытое специальной крышкой; рукоятка переключателя видов управления; рукоятка переключателя К0С; рукоятка потенциометра регулировки сигнала производной; окна сигнальных ламп с надписями "Автомат", "Следящий" и "Простой"; деревянный поручень и педали простого вида управления.

На передней панели пульта расположен штурвал и рукоятка механического стопора штурвала. Под передней панелью расположены рукоятки потенциометров регулировки освещения шкал и сигнальных ламп видов управления, переключатель чувствительности.

На средней крышке находятся: рукоятки переключателей запуска электродвигателей насосов, и окна сигнальных ламп запуска и перегрузки электродвигателей насосов. При наличии в комплектации системы только одного ИМ, вторая рукоятка является рукояткой переключателя усилителей рукоятка переключателя сигнала ухода судна с курса; кнопка для снятия звукового сигнала.

Краткие теоретические положения

Системы управления АИСТ предназначены для работы с компасами, имеющими сельсин-датчик с ценой оборота 1^° курса и устанавливаются на все водоизмещающие суда, имеющие электрогидравлические рулевые машины типизированного ряда с электрическими обратными связями. Системы управления АИСТ, обеспечивающие вид управления "автомат", могут работать с навигационными комплексами типа "Кама".

Принципиальная схема авторулевого АИСТ (рис. 2.1) приведена на панели стенда. Авторулевой может работать в трех режимах: "Простой", "Следящий" и "Автомат".

Работа системы при виде управления "Простой"

При нажатии на левую (правую) педаль на пульте управления (ПУ) замыкается нормально-разомкнутые контакты микропереключателей S6 (S7) и подключают обмотку управления двигателя М1 в приборе ИМ-1 (ИМ-2) к трансформатору Т1 (Т2). Двигатель начинает вращение, и, сжимая пружину нулевого установителя, перемещает выходной валик (рейку) прибора, а вместе с ним и управляющий орган насоса рулевой машины в соответствующую от нулевого положения сторону, что приводит к перекладке руля влево (вправо) от диаметральной плоскости судна (ДП). Перекладка руля будет осуществляться до тех пор, пока нажата левая (правая) педаль. При отпускании левой (правой) педали контакты микропереключателей S6 (S7) размыкаются, двигатель обесточивается, и нулевой установитель возвращает управляющий орган насоса в нулевое положение, при этом перекладка руля прекращается. Для возвращения руля в ДП или для перекладки его на другой борт необходимо нажать на правую (левую) педаль. Таким образом, при виде управления "Простой" величина угла перекладки руля зависит от времени удержания педали в нажатом положении. Для ограничения угла перекладки руля в пределах 35 1^° используются электрические ограничители, расположенные в РД. При достижении предельного угла перекладки нормально-замкнутые контакты электрических ограничителей размыкаются кулачковым устройством и ограничивают угол перекладки руля. Работа системы в случае достижения предельного угла перекладки происходит следующим образом: при перекладке руля влево (вправо) на угол 35^°

Рисунок 2.1 – Принципиальная схема авторулевого АИСТ

кулачковое устройство разомкнет нормально-замкнутый контакты S8, S9 электрических ограничителей, исполнительный двигатель обесточится, нулевой установитель вернет управляющий орган насоса в исходное положение и перекладка руля прекратится. Для поворота руля в сторону ДП необходимо нажать правую (левую) педаль. В этом случае через контакт микропереключателя S8(S9) электрических ограничителей исполнительный двигатель получит питание противоположной фазы и сместит выходной валик насоса в противоположную сторону. Руль начнет поворот в сторону ДП.

Работа системы при виде управления "Следящий"

При повороте штурвала влево (вправо) на некоторый угол через кинематическую линию будет повернут сельсин В3 и стрелка заданного положения руля. С выходной обмотки сельсина В3 на вход усилителя А1 будет подано переменное напряжение определенной амплитуды и фазы. Усиленный сигнал с выхода усилителя поступает на управляющую обмотку исполнительного двигателя в приборе ИМ-1 (ИМ-2), который начнет поворачивать управляющий орган насоса и одновременно сельсин В5. Смещение управляющего органа насоса относительно нулевого положения приведет к перекладке руля, что в свою очередь обусловит поворот сельсина В6 в приборе РД, механически связанного с баллером руля. Выходные обмотки сельсинов ВЗ в ПУ, В5 в приборе ИМ-1 (ИМ-2) и В6 в приборе РД соединены последовательно между собой и подключены на вход усилителя, то есть образуют суммирующую схему. При перекладке руля на входе усилителя будет действовать сигнал, который определяется следующим выражением:

U=U₁ -U₂ -U₃, (2.1)

где U - суммарное напряжение на входе усилителя;

U₁ - напряжение, снимаемое с сельсина В3 в ПУ;

U₂ - напряжение, снимаемое с сельсина В5 в ИМ (U₅ на рис.2.1);

U₃ – напряжение, снимаемое с сельсина В6 в РД (U₄ на рис.2.1).

Сигнал, снимаемый с сельсина в ИМ-1 (ИМ-2) и РД является сигналом отрицательной обратной связи и поэтому фаза этих сигналов всегда противоположна фазе сигнала, снимаемого с сельсина В3 в ПУ. При перекладке руля напряжения U₂ и U₃ увеличиваются, в то время как напряжение U₁ не изменяется.

Когда сумма сигналов U₂ и U₃ станет равной напряжению U₁ исполнительный двигатель остановится и управляющий орган насоса будет повернут на некоторый угол. При дальнейшей перекладке руля напряжение U₃ будет увеличиваться и напряжение на входе, а следовательно, и на выходе усилителя изменит фазу.

В приборе ИМ-I (ИМ-2) исполнительный двигатель придет во вращение и начнет перемещать управляющий орган насоса и одновременно сельсин В5 в нулевое положение, то есть U₂ будет уменьшаться, а U₃ будет по-прежнему увеличиваться. Когда U_З станет равным U₁, а U₂=0, двигатель остановится, управляющий орган насоса будет находиться в нулевом положении и перекладка руля прекратится. Угол перекладки руля будет равен углу, заданному штурвалом ПУ.

Если необходимо оставить штурвал (а следовательно и руль) заложенным на некоторый угол, то его можно застопорить с помощью механического стопора, рукоятка которого выведена на переднюю панель пульта (если пульт выполнен в виде секции главного пульта управления судном, то рукоятка механического стопора находится под штурвалом).

Для ограничения угла перекладки руля в пределах 351^° используется механический стопор в кинематической линии, связывающей штурвал и сельсин В3 и, кроме того, электрические ограничители в приборе РД. При перекладке руля на левый (правый) борт и достижении предельного угла З5^° кулачковое устройство замыкает один из нормально-разомкнутых контактов электрических ограничителей, который подключает питание к одному из реле, расположенных в усилителе А1 (А2). Реле срабатывает и размыкает свой нормально-замкнутый контакт, шунтирующий диод, находящийся в цепи модулятора усилителя А1 (А2). Диод включен таким образом, что напряжение, снимаемое с выхода модулятора, запирает его. В результате этого, напряжение на выходе усилителя установится равным нулю, момент на двигателе так же становится равным нулю, нулевой установитель возвращает управляющий орган насоса в нулевое положение и перекладка руля прекращается. Для поворота руля в сторону ДП необходимо повернуть штурвал вправо (влево). В этом случае напряжение на входе (см. формулу 1.1), изменит свой знак (фазу), напряжение на выходе модулятора так же изменит свой знак и диод окажется включенным в прямом направлении, т.е. будет пропускать ток. В результате этого на выходе усилителя появится напряжение, и двигатель начнет смещать управляющий орган насоса из нулевого положения, при этом происходит перекладка руля на правый (левый) борт. Контакты в РД разомкнутся, реле в усилителе обесточатся и нормально-замкнутый контакт зашунтирует диод.

Работа системы при виде управления "Автомат"

При виде управления "Автомат" судно автоматически удерживается на заданном прямом курсе в различных гидрометеорологических условиях при различных скоростях хода и различной загрузке судна.

В приборах ИМ и РД работают те же самые элементы, что и при виде управления "Следящий". Выходная обмотка сельсина В3, выходные обмотки сельсинов В5 в ИМ и В6 в РД соединены последовательно и образуют суммирующую схему, которая подключена на вход усилителя. Выходная обмотка сельсина ВЗ подключена кроме того и на вход блока коррекции. Схема построена таким образом, что сигналы, снимаемые с сельсинов В5 в ИМ и В6 в РД всегда находятся в противофазе с сигналом, снимаемым с сельсина В3, то есть являются сигналами отрицательной обратной связи.

Автоматическое удержание судна на заданном курсе осуществляется следующим образом. Отклонение судна от заданного курса будет воспринято гирокомпасом, который через сельсин-датчик развернет роторы сельсинов В1 и В2. Сельсин В1 развернет при этом шкалы грубого и точного отсчета курса. Сельсин В2 через механический дифференциал развернет ротор сельсина В3 и связанный с ним подвижный индекс (см. рис 2.1). Переменное напряжение с выходной обмотки сельсина В3, пропорциональное углу отклонения судна от курса, поступает на вход блока коррекции и в суммирующую схему. Блок коррекции вырабатывает сигналы, пропорциональные первой производной от угла изменения курса и интегралу от угла изменения курса. На входе усилителя появится напряжение, равное сумме вышеуказанных сигналов. Усиленный по напряжению и мощности сигнал с выхода усилителя поступает на управляющую обмотку исполнительного двигателя в приборе ИМ-1 (ИМ-2), который начнет смещать управляющий орган насоса из нулевого положения, и руль будет перекладываться в таком направлении, чтобы судно возвращалось на заданный курс. При перекладке руля сигналы с выходных обмоток сельсинов В5 в ИМ-1 (ИМ-2) и В6 в РД будут находиться, в противофазе с сигналами сельсина В3 и блока коррекции и на входе усилителя будет напряжение, которое определяется следующим равенством :

U=U₁+U₂+U₃-U₄-U₅, (2.2)

где U - суммарное напряжение на входе усилителя;

U₁ - напряжение, пропорциональное углу отклонения судна от курса;

U₂ - напряжение, пропорциональное производной от угла изменения курса;

U₃ - напряжение, пропорциональное интегралу от угла изменения курса;

U₄ - напряжение, снимаемое с сельсина В5 в ИМ и пропорциональное углу отклонения валика (ходу рейки) насоса;

U₅ - напряжение, пропорциональное углу отклонения пера руля (снимаемое с сельсина В6 в РД).

В определенный момент времени напряжение на входе усилителя станет равным нулю и будут иметь место следующие соотношения:

U₁+U₂+U₃=U₅+U₄ и U=0, (2.3)

т.е. угол перекладки руля будет пропорционален углу отклонения судна от курса, первой производной от угла изменения курса и интегралу от угла изменения курса. Тогда можно записать:

, (2.4)

где:  - угол перекладки руля;

 – угол отклонения судна от курса;

КОС - коэффициент обратной связи КОС= ;

k₁ и k₂ – коэффициенты передачи блока коррекции по каналу производной и интеграла (определяются как отношение сигнала на выходе к сигналу на входе). Выражение (2.4) называется законом управления авторулевого.

Под действием момента, создаваемого рулем, судно прекратит отклонение от курса и начнет возвращаться к заданному курсу. Гирокомпас через сельсин-датчик будет разворачивать сельсины В1 и В2 в обратном направлении. Сельсин В2 через механическую передачу начнет также разворачивать ротор сельсина В3 в обратном направлении. При этом напряжение сигнала производной изменит свою фазу и под действием этого напряжения руль придет в диаметральную плоскость раньше, чем судно возвратится на заданный курс, и будет перекладываться на другой борт, чтобы воспрепятствовать перекату судна через заданный курс.

Для различных условий плавания и в зависимости от гидродинамических свойств судна при одном и том же угле отклонения судна от курса требуется различная величина угла перекладки руля для возвращения судна на заданный курс. Отношение величины угла изменения курса к величине угла перекладки руля в установившемся режиме называется коэффициентом обратной связи КОС= . Изменение величины КОС производится путем изменения напряжения возбуждения сельсина В6 в РД. Различное напряжение возбуждения снимается с трансформатора Т2 через переключатель КОС (S2).

В целях улучшения стабилизации судна на заданном курсе в законе управления имеется сигнал, пропорциональный производной от угла изменения курса. Величина этого сигнала устанавливается в зависимости от гидродинамических свойств судна, условий плавания, скорости и загрузки судна. Интегральная составляющая в законе управления позволяет автоматически смещать руль от диаметрали для компенсации возмущений, вызывающих постоянное одностороннее отклонение судна от курса (течение, разность оборотов гребных винтов, несимметрия судна относительно диаметрали и т.п.).

Для ограничения предельного угла перекладки руля при виде управления "Автомат" используются те же элементы, что и при виде управления "Следящий" и работа системы при достижении предельного угла происходит аналогичным образом.

Задания для курсантов

1. Привести функциональную схему авторулевого АИСТ в режимах работы "Простой", "Следящий" и "Автомат".

2. Привести графики (например, из [14]), поясняющие влияние настроек КОС и "Производная" на показатели качества процесса регулирования в режиме "Автомат".

Методика выполнения

При выполнении нижеприведенной последовательности действий и операций следует иметь в виду, что это методика подготовки реального авторулевого к работе. В лабораторной установке отсутствуют насосы, поэтому пункты 3…6 в разделе подготовки опускаются.

Подготовка авторулевого к работе

Системы управления одним насосом.

1) Произвести внешний осмотр.

2) Подать питание в схему рулевых указателей (при этом должен сработать блинкер) и убедиться, что при включении схемы рулевых указателей разность между показанием по шкале рулевой машины и стрелки "И" не превышает 1^°.

3) Произвести запуск насоса от местного выключателя.

4) С помощью рукоятки ручного управления насосом переложить руль на 300 вправо или влево, а затем вернуть руль в диаметральную плоскость.

5) Переключить управление запуском насоса на пульт системы управления.

6) При наличии нескольких постов поставить переключатель пультов в положение, соответствующее проверяемому пульту управления.

7) Переключатель видов управления в подключенном пульте поставить в положение "Простой".

8) Переключатель усилителей перевести в положение, соответствующее усилителю 1.

9) Выключателем запуска насоса на пульте запустить насос; при этом загорается лампа сигнализации запуска насоса, лампы освещения шкал и лампа вида управления "Простой".

10) Проверить синхронную связь сельсина-датчика гирокомпаса и принимающего в пульте, согласовав их положения по шкалам. Согласование осуществляется с помощью рукоятки согласования шкал курса на пульте.

11) Нажать клавишу (правую) и не отпускать до остановки руля в положении, соответствующем показанию стрелки истинного положения руля 350 10 право.

12) Нажать клавишу (левую) и не отпускать до остановки руля в положении, соответствующем показанию стрелки истинного положения руля 350 10 лево.

13) Вернуть руль в диаметральную плоскость и убедиться, что при отпускании клавиши руль останавливается у нулевого положения с выбегом не более 10-20.

14) Переключатель усилителей перевести в положение, соответствующее усилителю 2 и проверить работу системы согласно пунктам 1113 настоящей инструкции.

15). Поставить переключатель видов управления в положение «Следящий», при этом должна загореться сигнальная лампа «Следящий».

16) Поворотом штурвала вправо задать угол перекладки руля 300 и убедиться по показанию стрелки истинного положения руля, что отработка происходит с точностью порядка 20.

17) Поворотом штурвала на еще больший угол убедиться в обеспечении пределов перекладки 350 + 10.

18) Поворотом штурвала влево вернуть руль в диаметральную плоскость. Проверить работу фиксатора штурвала.

19) Аналогично пунктам 16–17 настоящей инструкции проверить перекладку руля на левый борт.

20) Переключатель усилителей поставить в положение, соответствующее усилителю 1 и проверить работу системы согласно пунктам 1.16–1.19 настоящей инструкции.

21) Поставить переключатель видов управления в положение "Автомат", при этом должна загореться сигнальная лампа "Автомат".

22) Установить КОС равным 0,5.

23) Проверить работу электрических ограничителей перекладки руля. Для этого медленно вращать штурвал до прекращения перекладки руля влево, затем вправо.

Пределы перекладки должны быть  350 + 10 .

24) Убедиться в наличии сигнала производной. Для этого установить вид управления "Автомат", КОС=1, переключатель чувствительности в положение "Точно", рукоятку "Регулировка производной" в положение "1", в нижней части пульта на платах Х14 и Х15 закоротить клеммы 5 и 6. Вращением штурвала задать скорость перемещения индекса равную 1 градусу в секунду. При этом стрелка "И" должна опережать при синхронном движении стрелку "3" на угол 100.

При проверке возможны колебания стрелки "И" относительно достигнутого значения из-за неравномерности вращения. После проверки восстановить монтаж.

25) Проверить работу интегрирующего устройства. Для этого установить КОС=1, поставить рукоятку "Регулировка производной" в положение "0" и сместить штурвалом подвижный индекс на 20 курса в какую-либо сторону. Руль должен переложиться на этот же угол. Интегрирующее устройство должно медленно смещать руль в ту же сторону, что можно заметить по стрелке "И".

Убедившись в работе интегрирующего устройства, необходимо перевести переключатель видов управления в положение "Простой", "Следящий" и проверить сброс интегрирующего устройства по возвращению стрелки "И" к 20 курса.

26) Поставить переключатель усилителей в положение, соответствующее усилителю 2 и проверить работу системы по п.п. 23-25. настоящей инструкции.

Обслуживание во время работы

1) При следовании прямым курсом длительное время рекомендуется использовать вид управления "Автомат", освобождающий рулевого от необходимости непрерывно управлять перекладкой руля.

2) Коэффициент обратной связи (КОС) и величина сигнала производной подбираются в зависимости от состояния моря, скорости хода и водоизмещения судна так, чтобы величина рыскания судна была наименьшей при наименьшем числе кладок руля.

При малых волнениях моря и длительных переходах с малой скоростью КОС следует уменьшать, а ручку "Регулировка производной" вводить к положению 1,0. При больших волнениях моря КОС следует увеличивать, а сигнал производной уменьшать.

3) В штормовую погоду, в целях уменьшения износа рулевой машины, переключатель чувствительности следует поставить в положение "Грубо" и изменением КОС постараться уменьшить нагрузку на рулевую машину, уменьшив число кладок.

4) Рекомендуется при работе на одном насосе через каждые 12 часов переходить на другой насос, для более равномерной эксплуатации оборудования.

5) При следовании в узкостях, швартовке и выходе из порта рекомендуется использовать вид управления "Следящий", как наиболее удобный и экономичный.

6) В случае наличия неисправностей в следящих системах следует перейти на вид управления "Простой", который является резервным и позволяет выполнить все необходимые операции по маневрированию судна.

7) При сложных маневрах судна для обеспечения надежности управления рекомендуется запускать оба насоса, что при виде управления "Следящий" и "Простой" увеличивает скорость перекладки.

8) При переходе на вид управления "Автомат" рекомендуется предварительно вывести судно на заданный курс при виде управления "Следящий" или "Простой".

Если поправка к старому курсу не превышает 10^°, то после перехода на вид управления "Автомат" нужно подвижный индекс поставить на "Заданный" и система сама выведет судно на заданный курс.

Отключение

1) Привести руль в нулевое положение, пользуясь видом управления "Простой" или "Следящий".

2) Установить переключатель видов управления в положение «Простой».

3) Переключатели запуска насосов поставить в положение "Отключено".

Вопросы для самоконтроля

1. Назвать закон управления, реализуемый авторулевым АИСТ и пояснить вклад каждой из его составляющих?

2. Объяснить принцип действия авторулевого по схеме, изображенной на рис. 2.1 и лицевой панели стенда?

3. Произвести подготовку авторулевого к работе и его тестирование?

4. Как производится настройка авторулевого?

5. В чем отличие авторулевого АИСТ от других авторулевых?

Рекомендуемая литература: [14,15].