книги из ГПНТБ / Капустин, К. Я. Плавучие буровые установки и буровые суда

Совместное решение этих уравнений относительно 1(a) и со (а) при различных значениях параметров АСС позволяет оценить качество переходного процесса с целью наилучшего выбора пара­ метров системы.

Как и в предыдущем случае, исследовать полученные урав­ нения (237) в общем виде весьма затруднительно, поэтому для примера рассматривается система со следующими параметрами:

М = 400 тм/с2; 2Л/= 40 тм/с2; /<2= 0,4; ACi=0,5;

ны, — отсутствие автоколебаний, с другой стороны, — нахождение системы в зоне устойчивости.

Если анализируется условие протекания переходного процесса на участке изменения амплитуды от ai = 0,011 м до а2= 0,185 м, то

218

101.

По величине I можно судить о быстроте затухания переход­ ного процесса, а по величине со — о числе колебаний за время переходного процесса и величине перерегулирования. Стрелкой на рис. 100 показано направление течения переходного процесса. Отрицательное значение | показывает, что амплитуда умень­ шается.

БЕЗЪЯКОРНАЯ СИСТЕМА УДЕРЖАНИЯ БС С УПРАВЛЕНИЕМ АСС ПО ВЕЛИЧИНЕ ВХОДНОГО СИГНАЛА

Выше рассмотрен способ удержания БС на точке бурения с помощью якорной системы, способной после смещения БС от оси возвращать его в первоначальное нейтральное положение. Недо­ статком такой системы удержания является то, что она весьма громоздка, требует сравнительно длительное время для установки БС на точку, применения вспомогательных судов для развозки якорей и других операций. Кроме того, буровое судно должно устанавливаться на точку бурения в тихую погоду. При экстрен­ ном уходе с точки бурения тратится значительное время на воз­ вращение и установку его на прежнее место.

Почти всех этих недостатков лишена система, использующая для удержания БС на точке бурения судовые движители. На БС устанавливается винтомоторный комплекс двигатель—винт, а си­ стема АСС управляет работой этого комплекса таким образом, что создает упор винтов, соответствующий изменению внешней нагрузки от действия волн и ветра. Здесь уже управление АСС происходит по величине входного сигнала.

Несомненным преимуществом управления по входному сигналу является то, что можно добиться сравнительно небольших смеще­ ний БС от нулевого положения и такого переходного процесса, при котором возвращению БС в нулевое положение будет проис­ ходить без перерегулирования, т. е. без прохождения нейтрали. Ниже дается описание принципиальной части одной из установок такого типа. БС имеет обычную судовую форму, снабжено дизельэлектрической силовой установкой и буровым оборудованием с комплексом для подводного бурения; буровая вышка находится в центральной части судна. Движительная установка судна состоит из четырех винтов: два из них установлены вблизи миделя судна по обоим бортам и сообщают судну поступательное движение «вперед» или «назад». Вторая пара винтов расположена в диа­ метральной плоскости: один в носу, другой — в корме, эти винты сообщают судну движение бортом «вправо» и «влево». Кроме того, в кормовой части установлено подруливающее устройство, сообщающее судну вращательное движение вокруг центральной

219

системы удержания. Таким образом, одна АСС действует лишь на винты 4 и 7 и сообщает поступательное движение судну «вперед» или «назад», другая АСС — на винты 2 и 6 и сообщает поступа­ тельное движение судну бортом «влево» или «вправо».

Третье АСС управляет работой подруливающего устройства, стабилизирующее судно по заданному курсу. При этом в качестве датчика для этого АСС служит репитер гирокомпаса курса судна, указывающее направление его диаметральной плоскости. Необхо­ димость такого стабилизирующего устройства вызвана тем, что судно должно все время поворачиваться вдоль направления ветра и волнения. В принципе указанная система удержания применима

удобно, с точки зрения удержания БС, применить подвесные за­ бортные движители, вертикальный вал со свободным торцом и горизонтально установленным электромотором и винтом регули­ руемого шага — ВРШ. Применение ВРШ позволяет изменять упор от нуля до максимума и направление его упора без реверса электромотора привода винта. На рис. 103 показан механизм изменения шага винта (МИШ). От вала электропривода 4 через

220

коническую пару вращение передается на вал 3, опирающийся на упорный подшипник 2. Вал приводит в движение гребной винт 1. В полом валу 3 проходит управляющая штанга 6, которая из­ меняет шаг винта. Эта штанга вращается вместе с валом и окан­ чивается упорным подшипником 7. Упорный подшипник МИШ жестко соединен с ходовой гайкой 8, скользящей в продольном направлении по направляющей 5. В гайку входит ходовой винт, закрепленный в упорном подшипнике 9, ходовой винт вращается от электромотора 10.

Рис. 103. Механизм упранления шага винта (МИШ).

От электромотора 10 через ходовой винт гайка 8 вместе с упорным подшипником 7 получает поступательное движение, ко­ торое в свою очередь передвигает вперед или назад штангу, пово­ рачивающую лопасти гребного винта. Исполнительный двигатель МИШ непосредственно управляется от АСС, что позволяет быстро изменять величину и направление упора гребного винта.

К АСС предъявляются следующие основные требования:

а) АСС должна быть астатической, т. е. такой, чтобы после окончания переходного процесса регулируемый параметр принял значение, равное заданному, независимо от величины внешнего возмущения. В рассматриваемом случае горизонтальное смещение БС должно быть равным нулю по отношению к какому-то началь­ ному положению судна;

б) регулируемая величина отклонения должна поддерживаться с относительно большой степенью точности, однако чувствитель­ ность системы не должна превышать амплитуды горизонтальных колебаний БС от волнения, чтобы АСС не реагировало на этот вид отклонения и не нагружало исполнительные органы АСС бес­ прерывными реверсами и изменением упора винтов в связи с этими колебаниями,

в) система должна обладать высоким быстродействием; ко­ лебания БС при внешнем воздействии должны быть затухающими. Лучше всего этому требованию удовлетворяют судовые системы автоматики, например, авторулевой, так как объекты регулирова-

221

нйя и характер внешних возмущающих сил (волнение и вбтер), весьма близка. Поэтому целесообразно использовать принципи­ альные особенности построения системы авторулевого для АСС бурового судна.

Линии механической сВози

Рис. 104. Структурная схема АСС бурового судна.

АСС бурового судна стабилизирует положение БС над точкой бурения, регулируя три параметра: а) величину смещения БС от точки бурения; б) скорость ухода БС от точки бурения; в) несим­ метричное колебание около точки бурения или отклонения (инте­ грал от величины смещения).

На рис. 104 показана структурная схема АСС бурового судна. Сигнал, поступающий от прибора датчика отклонения 1, прини­ маются приемником 2 и передаются механическим путем по трем параллельным каналам.

Первый канал, вырабатывающий сигнал, пропорциональный величине отклонения БС от точки бурения, представляет собою последовательно соединенную цепь приемника отклонения 2, чер­ вячной передачи 3, дифференциала 4 и линейного вращающегося трансформатора (ЛВТ) отклонения 6, которые соединены между собой механическим путем. При отклонении БС от точки бурения вращение приемника отклонения 2 передается вращающемуся трансформатору 6, и на выходе ЛВТ появляется напряжение пропорциональное отклонению БС.

Второй канал состоит из приемника отклонения 2, тахогенератора 5, соединенных между собой механически, и регулятора тахо­ метра 10. На выходе этой цепи будет напряжение U2, пропорцио­ нальное скорости смещения БС с точки бурения.

222

Цепь интегрирующей линии состоит из приёмника отклонения 2, червячной передачи 3, дифференциала 4 и сельсина 7, рабо­ тающего в трансформаторном режиме. Все эти элементы связаны между собой механически. Затем в цепь включен интегрирующий асинхронный двигатель 8, связанный механически с линейным вращающимся трансформатором 9.

Последовательность работы интегрирующей цепи состоит в сле­ дующем. При отклонении судна от точки бурения на выходе сельсина-трансформатора 7 появляется напряжение, пропорцио­ нальное отклонению БС. Под действием этого напряжения вклю­ чается и приходит во вращение интегрирующий двигатель 8, кото­ рый в свою очередь вращает ротор ЛВТ 9. Электродвигатель 8 соединен с ЛВТ 9 редуктором с большим передаточным отноше­ нием, поэтому при единичном уходе БС с точки ЛВТ повернется на очень маленький угол и появившееся на его выходе напряжение будет мало по сравнению с общим сигналом в АСС. Если БС уйдет при следующем колебании в другую сторону, двигатель 8 начнет вращаться в другую сторону и напряжение на выходе ЛВТ умень­ шится или вовсе изменит знак.

При симметричных колебаниях и одинаковых отклонениях сум­ марный сигнал, вырабатываемый интегрирующей линией, равен нулю. При несимметричных же колебаниях или отклонениях, вы­ званных той или другой причиной, интегрирующее устройство все время будет накапливать сигнал до тех пор, пока этот сигнал не станет значительным по величине и пропорциональным величине асимметричного отклонения БС. Под действием сигнала интегри­ рующего устройства появится дополнительный упор движителей соответствующего комплекса АСС, который ликвидирует асиммет­ ричные отклонения. БС пока будут существовать причины, вызы­ вающие несимметричные отклонения, будет иметь постоянный упор гребных винтов, необходимый для ликвидации этого явления.

Управляющие сигналы, поступающие по трем параллельным каналам Uit Ui и U3, суммируются и далее через регулятор чувст­ вительности 11 подаются на вход промежуточного усилителя 12, После предварительного усиления сигнал управления подается на обмотку управления электромашинного усилителя 13. Исполни­ тельный электродвигатель 14, получая питание непосредственно от электромашинного усилителя 13, управляет работой механизма изменения шага винта 15, который в свою очередь путем поворота лопастей гребного винта 16 изменяет величину упора последнего.

В линию обратной связи АСС входит линейный вращающийся трансформатор 17, механически соединенный с валом исполнитель­ ного двигателя 14, и масштабный вращающийся трансформатор 18, который предназначен для изменения величины обратной связи путем поворота рукоятки 19. При этом меняется напряжение в линии обратной связи на выходе вращающегося трансформатора.

Напряжение П4 со своим знаком суммируется с напряжениями

Ui, U%и Uз.

223

К валу исполнительного двигателя механически присоединены также сельсин датчик 20, питающий сельсин приемник 21 аксио­ метра 22. Эта сельсинная пара позволяет следить за упором греб­ ных винтов.

В схеме АСС, как отмечалось, имеются регуляторы сигнала тахометра 11 и чувствительности 12. Регулятором тахометра мож­ но изменять эффективность регулирования по первой производной сигнала, увеличивая или уменьшая напряжение Uz, что в свою очередь увеличивает чувствительность системы в целом при одной и той же скорости ухода БС с точки бурения. Обычно в судовых системах автоматики (например, авторулевом) при спокойном море (малых внешних нагрузках) вводят наибольший сигнал тахометра, ибо скорость смещения судна невелика.

Регулятор чувствительности 12 регулирует мощность входного сигнала всей системы АСС. Например, при очень плохой погоде, чтобы избежать очень большого числа реверса движителей и изме­ нения режима их работы, чувствительность системы уменьшается с помощью данного регулятора. Чувствительность системы можно понизить также с помощью уменьшения коэффициента усиления промежуточного усилителя 13.

Составление дифференциального уравнения движения БС

Дифференциальное уравнение движения бурового судна (сме­ щение) под действием любой внешней силы с учетом стабилизи­ рующего действия гребных винтов запишется в виде:

движении совместно с моментом инерции присоединенной массы

При использовании операторной формы записи дифференциаль­

224

Физический смысл этой передаточной функции состоит в гар­ монических возмущениях, характерных для судна. Если возму­ щающую силу взять в виде q(t)B = qTsin со t,

где и —частота возмущения (от волнения), то комплексное передаточное число разомкнутого звена W(jсо) определяет реак­ цию судна на это циклическое возмущение

В показательной форме это же выражение

Коэффициент динамичности горизонтальных колебаний есть отношение размаха горизонтальных колебаний к высоте волны и связан с Wc(jсо) соотношением

линейной постановки задачи, выполняется, если все коэффициенты характеристического уравнения для системы второго порядка по­ ложительны. Плавающее судно является устойчивым колебатель­

эта величина, в данном случае, характеризует степень устойчи­ вости системы.

Выше отмечалось, что при стабилизации судна упором винтов управляют по двум параметрам. Силу упора можно записать в операторной форме после деления выражения Q(t) ст на полный

Передаточная функция БС о учетом действия АСС будет

Из уравнения (245) можно определить коэффициент динамич­ ности судна с учетом действия АСС:

коэффициентов управления /о и k амплитуда горизонтальных ко­ лебаний БС будет уменьшаться. Кроме того, при любых положи­ тельных значениях коэффициентов управления система устойчива.

Из дифференциального уравнения движения судна следует, что регулирование по амплитуде отклонения соответствует появ­ лению восстанавливающей силы, которая при горизонтальных колебаниях свободного судна отсутствует. Регулирование по угло­ вой скорости увеличивает демпфирование в системе.

Приведенное предварительное исследование было произведено в предположении, что все звенья автоматической системы не имеют динамических ошибок, вносящих запаздывание в выходной сигнал. Если рассматривать реальную систему АСС с усилитель­ ными и исполнительными звеньями, то порядок дифференциаль­ ного уравнения движения повысится, а условия устойчивости, эле­ ментарно простые для системы второго порядка, усложнятся.

Для возможности рассмотрения (в линейном приближении) системы АСС, показанной на рис. 104, составляются линеаризо­

в следящем режиме: сельсин-приемник принимает сигнал в виде угла поворота от редуктора прибора замера и дистанционно пе­ редает этот угол на сельсин-датчик. Таким образом коэффициент передачи пары сельсинов равен единице.

226

а) Линейный вращающийся трансформатор можно представить в виде безынерционного звена, на выходе которого имеется на­ пряжение Ui

и 4 (схема рис. 104).

б) Выходное напряжение на тахогенераторе, если пренебречь

где k3— коэффициент передачи тахогенератора.

в) Цепь интегрирующей линии состоит из следующих после­ довательно соединенных звеньев: механической (червячной) пе­ редачи, сельсина, работающего в трансформаторном режиме, асинхронного электродвигателя и линейно вращающегося транс­ форматора. Если не учитывать инерционность этих звеньев, за исключением электродвигателя, то можно записать следующие уравнения этих звеньев. При этом принято, что напряжение на выходе пропорционально сигналу в первой степени, но не iQidt, которое применяется для создания устойчивости переходного ре­ жима системы.

где Гм — электромеханическая постоянная времени электродвига­ теля; Гяк — электромагнитная постоянная времени якорной цепи; 0д — угол поворота электродвигателя; k5— коэффициент передачи электродвигателя.

Вращающийся линейный трансформатор

Если исключить промежуточные координаты путем совместного

15* 227