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

На схеме видно, что вместе с топливной тягой перемещается и занимает соответствующее положение рычаг 7, называемый указа­ телем нагрузки. Между указателем нагрузки и рукояткой ручного ограничителя (ручной уставки топливоподачи) 6 может быть зазор а, если режим работы двигателя задан и обеспечивается регулятором 3. Зазор b в контактном присоединении регулятора в этом случае равен нулю. По мере увеличения внешней нагрузки регулятор дает воз­ можность топливной тяге под действием пружины 1 перемещаться на увеличение подачи топлива. При этом зазор а будет уменьшаться, и наступит момент, когда указатель нагрузки упрется в рукоятку ручного ограничителя и зазор а станет равным нулю. Дальнейшее увеличение внешней нагрузки будет сопровождаться падением ча­ стоты вращения, так как увеличение подачи топлива под действием регулятора становится невозможным. В контактном соединении с регулятором появляется зазор Ь. На схеме показано положение, соответствующее выключенной подаче топлива под действием серво­ мотора системы защиты 5 (сервомотора останова), поэтому зазоры а и b максимальны. Сервомотор останова может занимать только два крайних положения, второе его положение— «включено» — раз­ решает полную подачу топлива, и в контактном его соединении будет зазор с, величина которого уменьшается по мере увеличения подачи топлива со стороны регулятора или от ручного поста управления.

В зависимости от способа управления и задания режима в про­ цессе эксплуатации контакт, ограничивающий и определяющий подачу топлива, будет либо у регулятора (b = 0), либо у указателя нагрузки 7 с рукояткой ограничителя 6 (а = 0). Первый случай соответствует заданию режима через регулятор, второй — с ручного поста, т. е. по стабилизации положения топливной тяги.

В двигателе Фиат, регулятор которого был показан на рис. 72, применен тот же принцип контактной связи, но вместо общей кон­ тактной пружины установлены пружины на каждом топливном насосе высокого давления. Регулятор скорости воздействует не на общий топливный валик, перемещаемый с ручного поста управления, а через два сервомотора на два специальных отключающих валика по группам цилиндров.

Принципиально возможна связь топливной тяги . посредством двух контактных пружин. В этом случае рукоятка ручного управле­ ния жестко соединяется с тягой, что позволяет, воздействуя на руко­ ятку, как увеличивать, так и уменьшать подачу топлива независимо от регулятора скорости.

Связь регулятора с топливной тягой (или валиком) оказывает существенное влияние на свойства системы регулирования. От связи зависит та часть общего хода выходного элемента регулятора или общего хода его сервомотора, которая используется для перемеще­ ния топливной тяги от нулевой до полной (номинальной) подачи топлива. Чем меньшая часть полного хода сервомотора регулятора используется для номинального перемещения топливной тяги, тем меньше рабочий участок статической характеристики регулятора и тем меньше рабочий статизм (неравномерность) регулятора. Устой­

199

чивость же системы регулирования определяется рабочим статизмом регулятора. Поэтому при неудачной связи регулятора с топлив­ ной тягой система регулирования может оказаться неустойчивой, несмотря на то, что сам регулятор обладает высокой степенью нерав­ номерности (остаточного статизма).

Второй, также важный фактор, влияющий на свойства системы регулирования и зависящий от связи регулятора с топливными насосами высокого давления, обусловлен зазорами в узлах соеди­ нения элементов и тяг механизма связи. Зазоры и люфты в соедини­ тельных узлах механизма связи приводят к нелинейности харак­ теристик, а потому отрицательно отражаются на свойствах систем регулирования.

Существенное значение для качественной работы системы регу­ лирования имеют также настройка топливной аппаратуры и син­ хронность начала и величины изменения подачи топлива в цилиндры при перемещении общей топливной тяги, т. е. при изменении коор­ динаты управляющего воздействия hT.

ГЛАВА

III

С и ст е м ы а вт о м а т и ч еск о го р е г у л и р о в а н и я ск о р о ст и

г л а в н ы х с у д о в ы х д и з е л е й

§ зі

Показатели свойств систем автоматического регулирования. Требования к САР скорости главных двигателей

Статические и динамические свойства САР должны удовлетворять требованиям и условиям эксплуатации объекта. Для суждения о ста­ тических свойствах САР служат показатели, которые иллюстри­ руются и оцениваются с помощью статических характеристик си­ стемы.

С т а т и ч е с к а я х а р а к т е р и с т и к а с и с т е м ы р е ­ г у л и р о в а н и я есть зависимость между регулируемым пара­ метром Y0 и нагрузкой объекта Е° на установившихся режимах при фиксированном значении координаты задания, т. е.

У° - / (Е°) при Азад = idem. (III.1)

Каждой г-й координате задания соответствует своя характери­ стика регулирования (рис. 82, а).

Характеристика, построенная для номинальной координаты зада-

200

Рис. 82. Статические характеристики системы регулирования: а — в размерных координатах; б — в координатах относительных при­ ращений; в — в относительных координатах.

201

стика проходит через точку номинального режима работы объекта (точку В), а соответствующее этой характеристике номинальное значение регулируемого параметра является расчетным для объекта и в дальнейшем будет обозначаться Уном. За номинальное значение регулируемого параметра обычно принимают его значение при номинальной нагрузке, т. е. в точке В:

ГНОМ ___ \ / - 0

—У в-

Возможно определение номинального значения регулируемого параметра как средней величины его при нулевой (минимальной) и номинальной нагрузках, т. е.

2

Выбор той или иной величины в качестве номинального значения регулируемого параметра не отражается на результатах оценки свойств системы. Важно, чтобы в процессе анализа и сравнений номинальные условия не изменялись.

Статические характеристики системы регулирования строятся также и в относительных координатах. Различают два способа пред­ ставления характеристик в относительных координатах. При первом способе (рис. 82, б) за относительные координаты принимают отно­ шения приращений регулируемого параметра и нагрузки к их номи­ нальным значениям. Функциональная зависимость для таких харак­ теристик имеет вид

Если учесть принятое ранее обозначение для относительного приращения регулируемого параметра ср, то зависимость (III.2) перепишется так:

Ф° = f (-J S r) ПРИ * з а д = idem.

За начало отсчета приращений, т. е. за базовые значения регули­ руемого параметра и нагрузки, удобно принять их значения при нулевой (или минимальной) нагрузке соответственно в точках А,

Удобство такого выбора базовых значений и соответствующих им относительных величин состоит в том, что статические характе­ ристики в таких относительных координатах проходят через начало координат (рис. 82, б). При этом уравнение статической характе­ ристики получается непосредственно из уравнения динамики си­ стемы, обычно записываемого в относительных приращениях.

Во втором случае (рис. 82, е) в качестве относительных коор­ динат принимают отношения абсолютных величин регулируемого

202

параметра и нагрузки к их номинальным значениям. Для таких характеристик функциональная зависимость принимает вид

Эти характеристики не имеют принципиальных отличий от ха­ рактеристик в размерных координатах. Они отличаются лишь мас­ штабом изображения *, а следовательно, и наклоном.

Представление характеристик в относительных координатах весьма удобно при определении показателей статических свойств систем регулирования. К таким показателям относятся следующие.

1. Средняя степень неравномерности регулирования, обозна­ чаемая 8ср. Этот показатель представляет собой отношение абсо­

лютной неравномерности регулирования ДКнер ПРИ данной фикси­ рованной координате задания к номинальной величине регулируе­ мого параметра:

Абсолютная неравномерность регулирования есть разность уста­ новившихся значений регулируемого параметра при нулевой (мини­ мальной) и номинальной нагрузках для данной координаты задания. В соответствии с рис. 82, а можно записать:

на статических характеристиках, построенных в относительных коор­ динатах, отрезком вдоль оси ординат (регулируемого параметра) или как тангенс угла наклона прямой, соединяющей крайние точки характеристик, к оси абсцисс (см. рис. 82,6 и в): • 8ср = tg a cp.

Средняя степень неравномерности регулирования оценивает сред­ ний наклон статической характеристики, построенной в относитель­ ных координатах.

2. Местная степень неравномерности, обозначаемая б, характе­ ризует наклон статической характеристики в точке, соответствующей некоторому установившемуся режиму, например в точке С. Изме­ ряется местная степень неравномерности также по оси регулируемого параметра между точками пересечения касательной, проведенной к характеристике в рассматриваемой точке, с ординатами нулевой (минимальной) и номинальной нагрузок, либо как тангенс угла наклона касательной к оси абсцисс: б = tg a.

* Такие характеристики предусмотрены ГОСТ 10511—69 и имеют особое практи­ ческое значение при анализе агрегатов, работающих синхронно и параллельно, например дизель-генераторов.

203

3. Степень нечувствительности системы регулирования, обозна­ чаемая е, характеризует то отклонение регулируемого параметра, на которое система не реагирует. Определяется она по отношению к номинальной величине параметра:

При учете нечувствительности статическая характеристика си­ стемы превращается из линии в полосу, которая на рис. 82 заштри­ хована. На статической характеристике степень нечувствительности может быть замерена по оси регулируемого параметра, как показано на рис. 82, б и в .

4.Степень непрямолинейности статической характеристики, обо­ значаемая у, есть мера отклонения ее формы от идеализированной (усредненной) прямолинейной характеристики. Величина ее изме­ ряется по оси относительного регулируемого параметра (рис. 82, в) между двумя параллельными прямыми, имеющими средний наклон действительной характеристики.

Если на установившемся режиме САР находится не в стати­ ческом, а в устойчивом автоколебательном состоянии, то для оценки качества состояния вводится показатель: степень нестабиль­ ности.

5.Степень нестабильности ѵ оценивается размахом установив­ шихся колебаний относительных значений регулируемого пара­ метра. На статической характеристике степень нестабильности может быть представлена зоной, аналогичной зоне нечувствитель­ ности.

Степень нестабильности более наглядно иллюстрируется на кри­ вой переходного процесса, называемой также переходной функцией системы (рис. 83).

Кривая переходного процесса (или коротко — переходный про­

цесс) представляет графическую зависимость изменения регулируе­ мого параметра во времени при свободном движении системы *. Вид кривой процесса зависит от свойств системы и величины скачко­ образного возмущения. При оценке динамических качеств системы регулирования принято рассматривать скачок нагрузки в виде пол­ ного мгновенного сброса или наброса ее.

Переходный процесс может быть построен для абсолютного зна­ чения регулируемого параметра Y либо для относительного прира­ щения параметра ср. При изображении переходного процесса для относительного приращения параметра отсчет этого приращения ведут одним из двух способов: от значения параметра, имевшего

место до начала переходного процесса К?, т. е. в старом установи­ вшемся режиме, либо от значения параметра, устанавливающегося

после окончания переходного процесса Кг, — в новом установив­

* Свободное движение системы, как известно, может быть получено при мгно­ венном скачкообразном ее возмущении.

204

шемся режиме. В первом случае имеем

построен для абсолютных значений регулируемого параметра и два — для указанных вариантов отсчета относительных приращений.

Рис. 83. Графики переходного процесса: а — для абсолютных значений регулируемого параметра; б — для относительных приращений регулируемого параметра от старого установивше­ гося режима; в — для относительных приращений регулируе­ мого параметра от нового установившегося режима.

205

Там же показаны абсолютная и относительная нестабильность регу­ лирования.

Для оценки динамических качеств процесса регулирования ис­ пользуют следующие отмеченные на рис. 83 показатели: время (или продолжительность) переходного процесса т и заброс регулируемого параметра фзаб.

6. Продолжительность переходного процесса т в секундах есть отрезок времени от начала переходного процесса до момента, начи­ ная с которого отклонения параметра не выходят за пределы допу­ скаемой нестабильности или параметр принимает постоянное зна­

7. Заброс регулируемого параметра фзаб есть наибольшее откло­ нение относительного мгновенного значения параметра в переходном процессе от значения его на предшествовавшем установившемся режиме. При оценке заброса параметра рассматривают отклонение его не только в сторону увеличения, но и в сторону .уменьшения. Последнее имеет место при резком набросе нагрузки. О динамических качествах процесса регулирования судят также по виду кривой пере­ ходного процесса. Различают монотонный, апериодический и коле­ бательный переходные процессы. Для колебательных переходных процессов вводится специальный показатель — степень затухания колебательного процесса.

8. Степень затухания колебательного процесса характеризуется одним из следующих показателей: числом колебаний за время пере­ ходного процесса, относительным уменьшением амплитуды колеба­ ния за один период или логарифмическим декрементом затухания.

Показатели качества переходного процесса не всегда могут быть определены непосредственно, так как не всегда можно построить кривую переходного процесса. Поэтому применяют косвенные методы оценки качества переходного процесса, для которых суще­ ствуют свои показатели качества. К таким косвенным методам отно­ сятся: оценка по расположению корней характеристического урав­ нения в плоскости комплексных чисел, параметрические и частотные критериальные методы, интегральные методы. Косвенные методы основываются и выводятся на базе прямых оценок качества процесса регулирования.

Применительно к двигателю внутреннего сгорания под нагруз­ кой Е понимается момент сопротивления на валу Мсопр, а регули­ руемым параметром Y является угловая скорость вала со. Требова­ ния, предъявляемые к САР скорости главных судовых двигателей, зависят от назначения системы и выполняемых ею функций. Для систем ограничительного регулирования эти требования менее жесткие, чем для систем режимного регулирования, когда через регулятор осуществляется задание и управление скоростным режи­ мом двигателя.

В соответствии с ГОСТ 10511—69 САР скорости главных двига­ телей относятся к третьему или четвертому классу точности.

206

Средняя степень неравномерности систем регулирования скоро­ сти главных судовых двигателей 8ср должна составлять не более 3—8%. Степень нечувствительности с учетом степени нестабильно­ сти не должна превышать ± 1 %.

Заброс параметра в условиях эксплуатации в соответствии с тре­ бованиями Правил Регистра СССР допускается до 10%. Время переходного процесса т для систем третьего класса допускается 5 с, а для систем четвертого — 10 с. Исходя не из условий эксплуатации двигателя, а из условий точного соответствия указания задаваемого скоростного режима фактической скорости вращения вала (неза­ висимо от внешней нагрузки), что может иметь значение при дистан­ ционном автоматизированном управлении с мостика, применяют САР скорости с нулевой степенью неравномерности (бср = 0).

Если главный судовой двигатель работает на гребной винт через электрическую передачу переменного тока, то к САР скорости такого двигателя предъявляются более жесткие требования в соответствии с условиями эксплуатации дизель-генераторных установок.

§ 32

Статические свойства САР скорости

Статические характеристики САР, описывающие свойства си­ стемы, могут быть получены экспериментально путем построения графической зависимости между установившимися значениями регу­

лируемого параметра со0 и нагрузкой объекта Мс0Пр для каждой фиксированной координаты задания. Они могут быть построены также по известным статическим характеристикам основных эле­ ментов системы: регулятора, объекта и РО с учетом связи (привязки) регулятора с РО.

Кроме характеристик, представляющих зависимость установив­ шихся значений регулируемого параметра от нагрузки, рассматри­ вают также зависимость ш° в функции координаты нагрузки (С или Я) либо в функции координаты подвода — положения топливной тяги (/іт или роб). Возможность последнего варианта характеристик предусматривается ГОСТ 10511—69, в соответствии с которым поло­ жение топливной тяги, характеризующее подачу топлива в двига­ тель, рассматривается как условная нагрузка двигателя *.

Метод графического построения статической характеристики САР

Характеристика системы строится в квадранте /, где предвари­ тельно должны быть нанесены статические характеристики той стороны объекта, на которой расположен РО. Для систем регулиро­ вания скорости ДВС такой стороной является сторона подвода, а характеристики ее — частичные характеристики двигателя, кото­

* ГОСТ предусматривает также возможность называть статическую характери­ стику САР скорости вращения вала двигателя регуляторной характеристикой дви­ гателя.

207