книги из ГПНТБ / Березин С.Я. Системы автоматического управления движением судов по курсу

Здесь xf0, Х20 — координаты произвольной точки, через которую проходит фазо­

вая траектория. Положив *ю=Х2о=0, получим фазовую траекторию, проходящую через начало координат. Из уравнения (III.95) следует, что при x2> 0 изобра­ жающая точка системы приближается к началу координат, поэтому уравнение левой ветви линии переключения имеет вид

Объединяя уравнения (III.101) и (III.102) и обозначая символом* точки, принадлежащие линии переключения, окончательно получаем

но, в то время как реализация закона управления существенно упрощается. Управление при этом будет квазиоптимальным.

При реализации закона управления структурная схема системы примет вид, приведенный на рис. 111.71.

Для проверки возможности замены , передаточной функции судна W$(p) передаточной функцией УРгжв(р) были построены переходные процессы при скач­ кообразном управляющем воздействии для точной и эквивалентной передаточ­ ных функций. Управление объектами осуществлялось по одному и тому же за­ кону, соответствующему реальной системе управления движением судна по

курсу:

а = *! -)- 16*!.

189

Рис. III.71. Струк­ турная схема рас­ считываемой систе­ мы.

На рис. 111.72 и III.73 приведены структурные схемы моделей системы для рассматриваемых случаев при структурном моделировании. Условные обозна­ чения, принятые на рисунках, соответствуют работам [21, 42].

Рис. III.74. Осциллограммы переходных процессов си­ стемы при ф(<) = 12°.

Рис. III.75. Структурная схема набора системы с эк­ вивалентной передаточной функцией И^экв (р).

Рис. III.76. Осциллограммы переходных процессов при квазиоптимальном управлении [ф(<) = 12°]: а — управляющее воздей­ ствие приложено ко входу системы; б — внешнее воздействие приложено к объекту

7 р е г = 8 с; ^ = 6 с; /2= 2 с.

На рис. III.74 приведены осциллограммы переходных процессов. Осцилло­ грамма / соответствует точной передаточной функции, осциллограмма / / — эквивалентной. Сравнение кривых показывает, что переходные процессы сис­

191

тем отличаются весьма незначительно, а это подтверждает возможность замены передаточной функции судна эквивалентной.

Структурная схема набора системы с эквивалентной передаточной функцией W23KB(р) на ЭАВМ МПТ-9 приведена на рис. III.75.

На рис. III.76 приведены осциллограммы переходных процессов при скачко­ образном воздействии и квазиоптимальном управлении для случаев, когда уп­ равляющее воздействие приложено ко входу системы (рис. 111.76, а) и когда внешнее воздействие приложено к объекту регулирования (рис. III.76, б). Из рассмотрения осциллограмм видно, что в обоих случаях управление оказывается близким к оптимальному по быстродействию: время регулирования Грег равно 8 с, перерегулирование отсутствует. Управление носит релейный характер. Время регулирования при отсутствии оптимального управления равно 20 с (см. рис.

а)

ч

if=0,2

-U

мерение произведено визуально по показанию вольтметра).

Проведенный расчет показывает, что управление, близкое по быстродействию к оптимальному, обеспечивает значительно лучшее качество переходного процесса по сравнению с непрерывным уп­ равлением. Управление оказывается квазиоптимальным и с точки зрения обеспечения минимальной установившейся ошибки си­

стемы.

При управлении, близком по быстродействию к оптимальному, следует ожидать, что затраты энергии на управление будут зна­ чительно выше, чем при непрерывном управлении. Однако при практической эксплуатации судов этот режим является эпизоди­ ческим: используется при поправках к курсу и в аварийных си­ туациях, поэтому на энергетическую сторону эксплуатации си­ стемы особого влияния не оказывает.

192

Рекомендованная методика синтеза систем управления движе­ нием судов по курсу при управлении, оптимальном по быстродей­ ствию, является приближенной, так как не учитывает ограничения скорости перекладки руля и аппроксимирует линии переключе­ ния прямой линией без анализа области допустимых (рабочих) отклонений регулируемой координаты. Несмотря на такие допуще­ ния, эта методика вполне приемлема, дает весьма эффективные результаты и может быть рекомендована для инженерных рас­ четов.

§ 14. Синтез следящих систем

управления рулем

Особенности выбора элементов следящих систем управления рулем и расчет некоторых их параметров. Рулевое устройство всякого судна является одним из наиболее ответствен­ ных механизмов, от исправности которого зависит возможность нормальной эксплуатации судна. Надежность действия всякого рулевого устройства может быть обеспечена только при достаточ­ ной надежности работы отдельных элементов системы.

Следящие системы управления рулем состоят из большого ко­ личества взаимосвязанных элементов, и отказ работы одного из них по любым причинам может привести к отказу работы всей системы или к увеличению ее ошибки. Ошибки при работе систем автоматического управления могут быть обусловлены не только динамическими свойствами системы, но и неисправностью отдель­ ных элементов схемы или изменением их настройки. Поэтому все элементы, применяемые в следящих системах управления рулем, должны отвечать требованиям надежности и обеспечивать нор­ мальную работу системы в судовых условиях.

Перед выбором элементов следящей системы управления рулем необходимо предварительно решить вопрос о принципе управле­ ния: выбором релейного или непрерывного управления будет опре­ деляться сложность системы и тип усилителя. Очевидно, что .наибо­ лее простые усилители будут при релейном управлении.

Если в обычных следящих системах выбор принципа управле­ ния в основном определяется предъявляемыми к системе точ­ ностями работы, то в следящих системах управления рулем при выборе принципа управления нужно прежде всего исходить из надежности работы системы, простоты ее устройства, удобства эксплуатации и настройки.

Наиболее простыми и надежными в эксплуатации являются бесконтактные релейные следящие системы [38]. Однако исполь­ зование релейного принципа управления в чисто электрических следящих системах большой мощности приведет к появлению боль­ ших пусковых токов, что при большом числе включений (режим стабилизации), в свою очередь, приведет к перегреву электродви­ гателей, завышению их мощности и усложнению системы в целом.

Использование релейных следящих систем управления рулем можно рекомендовать только в электрогидравлических системах, которые допускают большие перегрузки и большое число включе­ ний в час. В этом случае значительно упрощается исполнительное устройство, управляющее перемещением золотников гидроусили­ теля [38].

Выбор исполнительных устройств следящих систем управления рулем и определение их мощности. Исполнительные устройства в следящих системах управления рулем предназначены для созда­ ния механических усилий, достаточных для перекладки руля.

В системах автоматического управления движением судов по курсу в качестве исполнительных устройств применяются электро­ двигатели постоянного и переменного тока и гидродвигатели.

При выборе типа исполнительного двигателя следует учитывать следующие факторы:

1)вид вспомогательной энергии;

2)величину и характер перестановочного усилия или мощ­

ности;

3)требования массогабаритных показателей;

4)требования надежности и живучести;

5)тактико-технические требования, особенности и режимы ра­

боты системы и условия ее эксплуатации.

Выбор типа исполнительного устройства определяется на ос­ нове анализа и сравнения гидравлических и электрических ус­ тройств.

Достоинствами гидравлических устройств являются надеж­ ность действия, бесшумность * и быстродействие. Ввиду малой инерционности подвижных частей эти элементы могут обеспечи­ вать весьма большие ускорения. Гидравлические устройства с на­ сосами переменной производительности допускают значительные перегрузки (до пяти-, семикратных), чем выгодно отличаются от электрических.** Гидравлические системы при мощностях свыше 2,5 кВт имеют меньшие массу и габариты, чем чисто электриче­ ские системы той же мощности, выполненные по системе генера­ тор-двигатель. Использование гидравлических исполнительных устройств целесообразно в случае ограниченного угла поворота (например, рулевые приводы) или поступательного движения исполнительного органа, так как они имеют значительно меньшие скорости перемещения, чем электрические, или перемещаются по­ ступательно (универсальные регуляторы скорости и силовые ци­

линдры).

Наиболее существенные недостатки гидравлических устройств: огнеопасность масла, изменение вязкости масла при изменении температуры, сложность проверки трубопроводов при обслужи­

* В ряде гидравлических систем наблюдается значительный шум от механи­ ческих передач и травления клапанов при тяжелых режимах работы вследствие

перегрузок.

** Исполнительные гидроцилиндры, управляемые гидроусилителями с на­ сосом постоянной производительности, перегрузок не допускают.

194

вании, а также трудность ликвидации повреждений. Длинные трубопроводы являются причиной нежелательных временных задержек, иногда существенно искажающих характеристику си­ стем автоматического регулирования. К недостаткам гидравличе­ ских элементов следует отнести большую стоимость при изго­ товлении небольшого количества систем, а также легкую уязви­ мость трубопроводов.

В случае применения гидравлических систем могут встре­ титься некоторые затруднения при введении корректирующих уст­

ройств.

Электрические системы отличаются от гидравлических низкой стоимостью стандартной электрической аппаратуры, простотой об­ служивания, возможностью быстрого исправления повреждений и меньшими габаритами и массой в системах малой мощности (до

2,5 кВт).

Электрические системы целесообразно использовать при боль­ ших частотах вращения исполнительных органов и в случае, когда автоматизируемая установка должна продолжительное время ра­ ботать без наблюдения и ухода.

Исходя из сказанного, на судах большого водоизмещения лучше использовать электрогидравлические системы. Эти системы позволяют получать весьма большие моменты на баллере руля, они меньше по массе и габаритам по сравнению с электрическими и бесшумны при работе.

На судах малого водоизмещения, где рулевые приводы имеют небольшие мощности, следует использовать чисто электрические системы. При мощностях до 1 кВт предпочтение следует отдать системам на переменном токе, в которых электродвигатель пере­ менного тока управляется магнитным усилителем.* При мощно­ стях до 5—8 кВт целесообразно применять электрические следя­ щие системы постоянного тока с электромашинными усилите­ лями.**

В качестве исполнительного устройства могут быть исполь­ зованы электромагниты постоянного или переменного тока.***

В случае применения чисто электрических систем управления рулем целесообразно использовать пропорциональное регулиро­ вание.

Расчет мощности исполнительных электродвигателей следящих систем управления рулем должен сводиться к следующему.

Задаваясь ориентировочной скоростью перекладки руля и ча­

когда мощность двигателя не превышает 100—200 Вт, и при использовании электрогидравлических следящих систем [8].

** В последние годы наметилась тенденция использования электродвигате­ лей переменного тока, управляемых магнитными усилителями и управляемыми вентилями-тиристорами.

*** Например, в авторулевых «Янтарь», снятых теперь с производства, при­ менялись электромагнитные муфты постоянного тока.

7#

195

передаточное число силового редуктора от баллера руля к валу двигателя

хода судна; ц — коэффициент полезного действия механической пе­

где «ном— номинальная частота вращения в получасовом режиме. Если в качестве генератора следящей системы управления ру­ лем применяется электромашинный усилитель с 15%-ной недо-

В соответствии с найденным значением мощности по каталогу выбирается электродвигатель Рд ном > Рном.

Дальше необходимо произвести проверку выбранного электро­ двигателя на продолжительность перекладки руля и на степень нагрева [25, 43].

При расчете мощности рулевых двигателей для электрогидрав­ лических приводов выбранный приводной электродвигатель нужно проверить, кроме того, на степень перегрузки при опорном мо­ менте для переднего и заднего хода судна

где Mmax max — наибольший момент, получаемый при достижении моментом сопротивления на баллеремаксимального значения.

Величина Хм не должна выходить за пределы 2,5—3.

При проверке выбранного электродвигателя на нагрев необхо­ димо следить за тем, чтобы для заданных условий работы руле­ вого электродвигателя величина потерь в нем за известный про­

196

Расход масла в единицу времени, обеспечивающий заданную скорость перемещения поршня силового цилиндра, составляет в литрах в минуту

где z — максимальная скорость перемещения поршня силового ци­ линдра.

Исходя из найденного значения Q Hom, необходимо по каталогу выбрать насос переменной производительности. Его производитель­ ность должна быть не меньше найденного значения Q Hom-

Выбор механических передач. Механические передачи в авто­ рулевых предназначены для передачи вращения от исполнитель­ ного электродвигателя или гидромотора к рулю или на корректи­ рующие элементы (тахогенераторы и т. п.). Механические пере­ дачи корректирующих устройств должны иметь минимальные люфты и наибольший к. п. д. Их передаточное число определяется при динамическом расчете системы, когда выбирают корректи­ рующие устройства.

Механические передачи исполнительных элементов должны удовлетворять целому ряду требований в отношении к. п. д., об­ ратимости, величины люфта, прочности, инерционности и переда­ точного числа. Величина к. п. д. механических передач определя­ ется потерями в передаче и непосредственно влияет на мощность исполнительного двигателя, поэтому необходимо всегда стремиться к выбору механических передач с наименьшими потерями.

Если механическая передача имеет большое начальное трение (трение покоя), то в системе появляется дополнительная статиче­ ская погрешность и линейность статической характеристики си­ стемы нарушается. В авторулевых с исполнительными электродви­ гателями, как правило, применяются червячные передачи, так как при использовании обратимых передач электродвигатель будет по­ лучать нагрузку за счет момента на баллере руля.

Люфты в механических передачах, охваченных цепью жесткой обратной связи, могут являться источником колебаний различной частоты. Амплитуда возникающих колебаний обычно имеет один порядок с величиной люфта, наличие которого в механических пе­ редачах влечет за собой увеличение ошибок системы. Эксперимен­ тально (19] установлено, что люфт механической передачи должен быть меньше, чем половина статической ошибки проектируемой си­ стемы. В авторулевых для уменьшения влияния люфтов силовой передачи на работу системы применяется обратная связь по задан­

ному положению руля.

Передаточное число силовой механической передачи определя­ ется исходя из заданной угловой скорости перекладки руля wp и выбранной угловой скорости двигателя сод:

198