книги из ГПНТБ / Кутьин Л.И. Автоматизация судовых дизельных и газотурбинных установок учебник

который может находиться вне машинного отделения. Знак А-2 присваивается судну, энергетическая установка которого обслужи­ вается одним вахтенным механиком на ходу и безвахтенно — на стоянке.

При комплексной автоматизации предусматривается рациональ­ ное распределение функций управления и контроля между судовыми

развитие комплексной и выполняется в объеме, обеспечивающем передачу всех функций управления и контроля автоматам.

В соответствии с ГОСТ 14228—69 автоматизированные судовые двигатели в зависимости от объема операций, выполняемых автома­ тически, и от продолжительности необслуживаемой работы могут иметь четыре степени автоматизации. Время необслуживаемой работы двигателей составляет: для первой степени 4 ч, для второй 16—24 ч, для третьей 150—240 ч и для четвертой — 240 ч.

Структура и виды управления, контроля и защиты

На рис. 1 схематично показаны общая структура и возможные варианты управления, контроля и защиты с применением средств автоматизации и без них. Управление может быть ручным, автома­ тизированным и автоматическим. Контроль может осуществляться в виде индикации, сигнализации и регистрации. Все процессы кон­ троля, за исключением визуальной индикации по контрольно-изме­ рительным приборам, установленным непосредственно в местах замера, ведутся дистанционно с использованием автоматически печатающих устройств, самописцев и средств световой и звуковой сигнализации.

Системы контроля представляют собой самостоятельное направ­ ление автоматизации и подробно рассматриваются в специальном курсе.

Условия работы двигателя (или другого объекта), которые ха­ рактеризуются и оцениваются совокупностью технико-эксплуата­

о его состоянии.

Различают управление непрерывными и конечными режимами. У п р а в л е н и е н е п р е р ы в н ы м и р е ж и м а м и обес­ печивает требуемый непрерывный процесс функционирования объ­ екта . У п р а в л е н и е к о н е ч н ы м и р е ж и м а м и ка­ сается процессов подготовки объекта к действию, пуска, остановки и реверсирования.

Системы автоматизации управления непрерывными режимами, ограничения и защиты создаются, как правило, на основе общего эле­ мента — автоматического регулятора. Изучение свойств систем авто­ матизации управления и автоматических регуляторов представляет главную задачу настоящего курса.

8

Рис. 1. Виды управления, контроля и защиты.

9

Р е г у л и р о в а н и е — такой процесс управления непрерыв­ ными режимами, при котором параметр, характеризующий режим, поддерживается в заданных пределах: постоянным (или приблизи­ тельно постоянным) либо изменяющимся по вполне определенной программе, реализуемой регулятором.

Автоматическое регулирование и управление осуществляются без участия человека.

Система автоматического регулирования (САР) в самом общем случае может быть представлена состоящей из объекта, автомати­ ческого регулятора и регулирующего органа (РО). Укрупненная функциональная схема САР показана на рис. 2.

Автоматический регулятор осуществляет управляющее (регуля­ торное) воздействие на режим работы объекта через регулирующий

Рис. 2. Укрупненная функциональная схема системы авто­ матического регулирования (САР).

орган, получая информацию о состоянии объекта по линии главной обратной связи 0СГЛ в форме изменения регулируемого параметра. Главная обратная связь замыкает систему. Кроме основной инфор­ мации, по линии главной обратной связи регулятор может получать дополнительную информацию, например, непосредственно о на­ грузке объекта Е.

Координаты воздействия между функциональными элементами системы обозначены на схеме заглавными буквами: входные коорди­ наты X, а выходные — К, с соответствующими индексами, указы­ вающими принадлежность координаты к элементу. Для регулируе­ мого параметра принято обозначение без индекса — Y.

На функциональной схеме кроме координат замкнутого контура показаны координаты основных внешних воздействий: Хнаг и Хзад. Координата внешнего воздействия со стороны нагрузки Хнаг в об­ щем случае отличается от собственно нагрузки Е. Под нагрузкой Е обычно понимают мощность или момент на валу двигателя со сто­ роны внешнего потребителя, расходы среды (пара, газа, воздуха, воды) потребителями, расходы тепла.

Внешнее воздействие на систему со стороны координаты задания регулятора Хзад устанавливает (задает) требуемое значение регули­ руемого параметра. Для обычных систем автоматического регули­ рования координата задания в процессе функционирования системы

10

остается неизменной. Изменение ее производится периодически вруч­ ную, что соответствует перестройке САР.

В системах программного регулирования координата задания изменяется собственно регулятором по жесткому закону. Если координата задания изменяется вручную и произвольно в процессе функционирования, то система рассматривается как система руч­ ного управления через регулятор. В таких системах, включающих автоматический регулятор, режим работы объекта задается и под­ держивается по регулируемому параметру.

Функциональная схема такой системы управления непрерыв­ ными режимами аналогична схеме системы автоматического регу­ лирования, показанной на рис. 2 , и отличается лишь изменяемым извне значением координаты задания.

ОСп

Рис. 3. Укрупненные функциональные схемы систем управле­ ния: а — автоматизированного; б — автоматического.

Если режим задается вахтенным через специальное программное логическое устройство (как, например, в системе дистанционного управления главным двигателем), которое изменяет координату

нальная схема ее показана на рис. 3, а. При автоматизированном управлении вахтенный включает и выключает систему, выбирает и задает программу. Такое воздействие вахтенного на систему отме­ чено на схеме координатой Хреж, которая отличается от коорди­ наты Хзад.

В случае, когда логическое программное устройство (рис. 3, 6) получает информацию о состоянии объекта (координаты Аинф) и само, без участия вахтенного, определяет требуемое значение коорди­ наты задания регулятора Хзад и программу ее изменения, система относится к классу а в т о м а т и ч е с к и х с и с т е м у п р а в ­ л е н и я . Если же система при этом определяет наивыгоднейшее

автоматического управления. Как видно, системы автоматического регулирования являются частным случаем систем управления,

11

когда координата задания регулятора Хзад не изменяется в процессе функционирования системы либо изменяется регулятором по жест­ кой программе. Обычные САР решают узкую задачу управления непрерывными режимами — задачу стабилизации регулируемого параметра.

Можно представить и другой частный случай систем управления, включающих регулятор в виде самостоятельного функционального элемента, — с л е д я щ и й п р и в о д . В следящем приводе, функ­ циональная схема которого показана на рис. 4, отсутствует объект регулирования и, следовательно, координата внешнего воздействия по нагрузке Хнаг. Здесь имеет место одно внешнее воздействие, характеризуемое координатой задания Х,ад. Функциональный со-

МаЗ

Рис. 4. Функциональная схема следящего привода.

став такой системы соответствует составу регулятора, элементы которого могут быть охвачены обратной связью ОС. Функциональ­ ные элементы на схеме рис. 4 обозначены: ЭЗ — элемент задания; ЧЭ — чувствительный элемент; ЭС — элемент сравнения; УЭУ — управляющий элемент усилителя; СМ — сервомотор.

Следящий привод используется в системах управления конеч­ ными режимами.

Общая особенность отмеченных классов систем управления и представленного на рис. 4 следящего привода заключается в том, что они являются замкнутыми системами и включают в свой состав регулятор в виде самостоятельного функционального звена. Регу­ лятор как самостоятельное функциональное звено характерен для систем управления в судовых дизельных и газотурбинных установ­ ках. Он обычно выполняется в виде автономного прибора механиче­ ского, гидравлического или пневматического типа. Однако в послед­ нее время начинают применять электрические и электронные регу­ ляторы, которые функционально объединяются с логическими про­ граммными устройствами. Функциональная схема системы управ­ ления в этом случае принципиально не будет отличаться от схем, представленных на рис. 3.

Особый класс систем управления представляют р а з о м к н у ­ т ы е с и с т е м ы , которые не включают в свой состав регулятор.

12

тривается как самостоятельный объект управления или регулирова­ ния. При этом воздействия на данный элемент со стороны других элементов считаются внешними воздействиями. Система управления установкой в делом представляется в этом случае состоящей из ряда отдельных сравнительно простых систем автоматизированного или автоматического управления и систем автоматического регулирова­ ния, ограничения и защиты.

Такой дифференцированный по элементам и системам подход к автоматизации энергетических установок будет использован в даль­ нейшем при изложении курса.

Режим установки или отдельного ее элемента характеризуется и определяется совокупностью большого числа взаимосвязанных параметров и координат воздействий. Все они разделяются на ра­ бочие и конструктивные. Рабочие параметры и координаты с точки зрения процесса управления представляют двумя группами: груп­ пой координат внешних воздействий и группой внутренних пара­ метров.

К о о р д и н а т ы в н е ш н и х в о з д е й с т в и й могут быть возмущающими и управляющими. Они характеризуют внеш­ ние условия функционирования объекта.

В качестве основного в о з м у щ а ю щ е г о в о з д е й с т в и я выступает изменение координаты внешней нагрузки на объект Хнаг. Для главного двигателя это будет изменение координаты, опреде­ ляемой изменением сопротивления движению судна.

Координаты дополнительных возмущающих воздействий пред­ ставляют изменение свойств окружающей воздушной и водной среды, изменение свойств топлива и др.

Внешними воздействиями по отношению к процессу управления могут служить некоторые конструктивные параметры, изменение которых вследствие износа или расстройства регулировок оказы­ вает влияние на протекание рабочего процесса в объекте (например, износ плунжерных пар топливных насосов ДВС, закоксовывание форсунок в ГТУ и др.).

Через координаты у п р а в л я ю щ и х в о з д е й с т в и й ком­ пенсируются изменения всех внешних координат либо осуществ­ ляется изменение режима в желаемом направлении. В качестве основной координаты управляющих воздействий выступает коорди­ ната регулирующего органа, если управление ведется без участия регулятора, а при управлении с помощью регулятора — коорди­ ната задания регулятора Хзад либо координата задания режима Хреж. В случае управления через регулятор координата регулирующего органа становится внутренней координатой замкнутой системы управления.

В н у т р е н н и е п а р а м е т р ы характеризуют собственные (внутренние) условия функционирования объекта. К внутренним параметрам относятся, например: среднее индикаторное давление (или момент), мощность, частота вращения вала, скорость хода судна, цикловая подача топлива, параметры механической и тепло­ вой напряженности двигателя, температуры, давления, коэффи­

14

циенты избытка воздуха, расходы газа в газовоздушном тракте и расходы вещества в системах, степень сжатия в компрессорах и др.

Из множества внутренних параметров выделяют главные.

Г л а в н ы е п а р а м е т р ы характеризуют конечный ре­ зультат или цель функционирования управляемого агрегата. В ка­ честве таких параметров рассматриваются: скорость хода судна, полезный суммарный упор гребных винтов, расход топлива на единицу пройденного пути для движительного комплекса; напря­ жение, сила тока и частота — для двигателя генераторных устано­ вок; производительность и давление — для котлов и компрессорных установок.

Задачи процесса управления. Оптимизацця управления

В процессе эксплуатации при изменении координат внешних воздействий и некоторых конструктивных параметров изменяются внутренние параметры функционирования объекта.

К изменению ряда внутренних параметров условиями эксплуа­ тации предъявляются определенные требования. Так, например, для получения нужного качества вырабатываемой электроэнергии судовой электростанцией необходимо постоянство частоты вращения вала двигателя. Безопасная работа главного двигателя не допускает превышения частоты вращения его вала сверх определенного зна­ чения. Надежная и экономичная работа двигателя на тяжелых сортах топлива требует поддержания вязкости топлива в опреде­ ленных пределах. Необходимо также обеспечить оптимальную температуру охлаждающей воды и масла. Безопасная работа от­ дельных агрегатов не допускает значительных отклонений уровня, давлений, температур. Определенные ограничения вводятся и для развиваемой двигателем мощности, или для цикловой подачи топ­ лива, при заданной частоте вращения вала, что определяется огра­ ничительной характеристикой двигателя. В газотурбинной уста­ новке вводится ограничение по максимально допустимой темпера­ туре газов.

Допустимые значения параметров механической и тепловой напряженности ограничивают темп и предельную величину управ­ ляющих воздействий.

При достижении некоторыми параметрами опасных значений эксплуатация объекта вообще недопустима, необходимо незамедли­ тельное выключение агрегата или снижение его нагрузки. Так, например, при падении давления смазочного масла, охлаждающей воды, при чрезмерном повышении частоты вращения вала двигателя, при потере факела в камере сгорания ГТУ эксплуатация объекта должна быть прекращена.

Как видно, процесс управления заключается не только в решении основной задачи — обеспечении режима с требуемым значением главного параметра, но и в том, чтобы режим обеспечивался без перегрузок объекта и без опасных аварийных состояний. При управ­ лении должны удовлетворяться дополнительные эксплуатационные

15