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

могут возникать дополнительные возмущения из-за изменения тех­ нического состояния регулятора, давления и вязкости его рабо­ чей среды.

Определяющее влияние на процесс управления оказывают вид или характер внешних воздействий, их величина, продолжительность и скорость. Мгновенные, в виде толчка, и неглубокие воздействия могут не проводиться и не оказывать влияния на режим из-за инер­ ционности объекта.

В зависимости от скорости изменения координат внешние воздей­ ствия подразделяются на медленные, резкие (скачкообразные), им­ пульсные и периодические. При медленных воздействиях процесс изменения рабочих параметров может рассматриваться как проте­ кающий по статическим характеристикам. Для описания такого про­ цесса поэтому достаточно знать статические характеристики. Для главного двигателя возмущающие воздействия будут медленными, если медленно изменяется относительная поступь винта Хр (коор­ дината нагрузки), что имеет место при изменении сопротивления движению судна. Эти возмущающие воздействия медленны потому, что передаются на винт через корпус судна, который обладает боль­ шой инерционностью. Причинами таких медленных возмущающих воздействий могут служить изменения условий плавания: состояния моря и погодных условий; осадки судна и состояния корпуса (обра­ стание); крена и дифферента при отсутствии качки; глубины фарва­ тера; условий буксировки воза или трала.

Резкие и продолжительные возмущения вызывают резкие и глу­ бокие отклонения параметров режима. У главного судового двига­ теля такие возмущения могут быть приложены к двигателю, валопроводу и гребному винту. Особенность возмущений, приложенных к гребному винту в этом случае, состоит в том, что они непосред­ ственно изменяют координату нагрузки — относительную поступь винта — и являются следствием поломки гребного вала, потери винта (или его лопасти), опорожнения гидромуфты, неисправности механизма изменения шага или резкой уставки нулевого шага (для ВРШ), выхода из строя одного или нескольких ТНВД, пропусков вспышек в цилиндрах, резкой перекладки руля.

К характерному для главного судового двигателя возмущаю­ щему воздействию относятся возмущения при плавании судна в усло­ виях качки. В этом случае возмущение поступает на винт через корпус судна (медленно), что является следствием увеличения общего сопротивления движению от действия ветра и волн; кроме того, на­ блюдается непосредственное периодическое и достаточно быстрое воздействие на винт — резкое изменение его относительной поступи— вследствие изменения погружения винта.

Характер управляющих воздействий определяется механикомоператором, а при автоматическом управлении •— программным устройством и обычно представляет собой линейную функцию вре­ мени или скачок. Воздействия могут быть резкими или медленными, в зависимости от условий и требований маневрирования. Для оценки конечного результата управления — изменения скорости судна —•

58

при резких управляющих воздействиях следует количественно учи­ тывать действительную инерционность судна, т. е. должен рассма­ триваться динамический комплекс двигатель — винт — корпус. Та­ кой подход к оценке результата управляющего воздействия имеет смысл и важен в конечных режимах управления: при разгонах, ре­ версировании и торможении судна.

К наиболее тяжелым эксплуатационным возмущениям относятся приложенные непосредственно к гребному винту в виде скачка — изменения Кр и периодические — на качке.

При теоретическом изучении, анализе и испытаниях объектов и систем автоматического управления рассматриваются возмущения

следующего характера: мгновенный скачок; мгновенный импульс первого рода; мгновенный импульс второго рода; гармоническое воз­ мущение; возмущение в виде линейной функции времени. Эти воз­ мущения можно описать математически.

М г н о в е н н ы й с к а ч о к возмущающего воздействия пред­ ставляет собой такую функцию времени, которая скачкообразно

где Я0 — относительная координата возмущающего воздействия. Если изменение координаты при скачке соответствует полному

изменению нагрузки, например от режима холостого хода до режима номинальной нагрузки, то Я0 = 1 и скачкообразное возмущение носит название единичного мгновенного скачка.

59

М г н о в е н н ы й и м п у л ь с п е р в о г о р о д а (рис. 21, б) представляет собой скачкообразное возмущающее воздействие с ма­ лой, но конечной длительностью скачка т. Аналитическая запись такого вида возмущения выглядит так:

Возмущение в виде мгновенного импульса первого рода также

(рис. 21,«) отличается от импульса первого рода тем, что скачко­ образное возмущающее воздействие наносится последовательно в на­ правлении увеличения, а затем уменьшения координаты. Аналити­

динамических свойств систем и отдельных звеньев методом частотных характеристик. Аналитическое выражение для гармонического воз­ мущения:

К (t) — Я,„ cos (at,

где Я0 — амплитуда возмущения; со — круговая частота возмущающего воздействия.

Л и н е й н о е в о з м у щ е н и е (рис. 21, д) характерно для управляющего воздействия при задании режима.

Реальные эксплуатационные возмущения обычно носят случай­ ный характер. Мгновенный единичный скачок— наиболее тяжелое возмущение из практически возможных. Поэтому оно рассматри­ вается как основное при аналитических исследованиях. При этом аналитические исследования упрощаются ввиду возможности изуче­ ния только свободного движения системы или какого-либо ее эле­ мента, например объекта. Весьма прогрессивным методом аналити­ ческого исследования является метод частотного анализа, основан­ ный на гармоническом возмущающем воздействии.

При экспериментальном исследовании и наладке систем не всегда возможно по условиям эксплуатации объекта приложить возмуще­ ние в виде единичного мгновенного скачка. Применение же гармо­ нических возмущений для неэлектрических систем регулирования связано с трудностью точного задания гармонических колебаний. Поэтому для систем автоматического регулирования судовых ди­ зельных и газотурбинных установок при экспериментальных иссле­ дованиях наибольшее распространение получили возмущения в виде частичного мгновенного скачка (Х0 < 1) и мгновенного импульса

60

первого рода. Эти возмущения могут быть приложены не только со стороны нагрузки, но, например, к регулирующему органу — путем изменения его входной координаты или к регулятору — измене­ нием Х3,я.

Если требуется проанализировать свойства системы в условиях, близких по характеру возмущений к реальным эксплуатационным, то предварительно изучают характер этих возмущений, строят экс­ периментальный график изменения возмущений и подбирают по графику аналитическую зависимость для координаты нагрузки в функции времени.

Анализ динамических свойств системы при случайных внешних возмущениях производят специальными методами — методами теории случайных процессов.

§ 6

Условия работы главного двигателя при неизменной координате задания режима

Режим работы главного двигателя, как уже отмечалось, может быть задан входной координатой РО, т. е. положением топливной тяги (реек ТНВД) /іт, либо координатой задания регулятора Хзад. Первый вариант соответствует непосредственному ручному управ­ лению двигателем, второй — управлению через регулятор скорости. Для каждого варианта задания режима характерны свои закономер­ ности изменения рабочих параметров двигателя и, прежде всего, мо­ мента на валу и угловой скорости при изменении внешнего возму­ щающего воздействия — координаты нагрузки.

Рассмотрим особенности каждого варианта, используя статиче­ ские характеристики подвода и отвода объекта.

Если режим задан положением топливной тяги, то точка А 0 (рис. 22, а), характеризующая исходный режим, находится на пере­

сечении частичной характеристики /і?ад = const с винтовой Л4СОпр = = С0со2, где С0— координата внешней нагрузки, пропорциональная относительной поступи винта Кр для некоторых исходных условий плавания. При возмущающем воздействии вследствие изменения внешних условий изменяется координата нагрузки С. Новые уста­ новившиеся режимы будут располагаться на заданной частичной

характеристике hT = const в точках: А і, А\ . . . или А2, А2. Точки А х, А 1, А2 соответствуют увеличению сопротивления судна,

т. е. утяжелению винта, а точки А г, А2, А2— более легкому винту. Как видно, угловая скорость вала двигателя при облегчении винта может выйти за пределы допустимой (линия DD), а при утяжелении винта возможны режимы за пределами ограничительной характери­ стики ЕЕ, т. е. с перегрузкой двигателя.

В случае задания режима через регулятор скорости (рис. 22, б) исходный установившийся режим определяется точкой А 0 на пересе­ чении винтовой характеристики МСОпр = С0ш2 с регуляторной ха­ рактеристикой, построенной для координаты задания ХзЯЛ= const. При изменении внешних условий плавания координата нагрузки С

61

принимает значения Ci, Ci или Сг, Сг и т. д., которым соответствуют новые винтовые характеристики утяжеленного или облегченного винта. Новым установившимся режимам будут соответствовать точки или А 2, расположенные на заданной регуляторной харак­ теристике. В этом варианте, как видно из рис. 22, б, угловая скорость вала двигателя не выходит за допускаемые пределы (линия DD), но двигатель может в большей степени перегружаться с выходом на

Рис. 22. Характеристики, иллюстрирующие работу главного двигателя при неизменной координате задания режима.

/і"іах = const. При первом же варианте задания выход на внешнюю характеристику невозможен, если работа на ней заранее и созна­ тельно не предусмотрена механиком-оператором.

Если двигатель работает на винт регулируемого шага, то для задания режима требуется зафиксировать две координаты: уставку шага и координату задания регулятора. В первом случае картина изменения параметров двигателя будет аналогична показанной на рис. 22,а, а во втором — показанной на рис. 22, б.

При резких изменениях координаты нагрузки, что возможно в случае непосредственного возмущающего воздействия на гребной винт, процесс изменения режима имеет динамический характер. Поэтому выход за ограничительную характеристику ЕЕ и отклоне­ ния угловой скорости могут быть более значительными — с выходом за пределы статических характеристик и линий ограничения.

§ 7

Работа главного двигателя при неизменных внешних условиях

При неизменных внешних условиях установившийся режим ра­ боты двигателя может быть изменен в процессе управления с целью обеспечения требуемого скоростного режима судна. Такое измене­

62

ние режима осуществляется управляющим воздействием на коор­ динаты задания режима: hT или Хзад. Неизменным внешним усло­ виям соответствует практически постоянное значение координаты нагрузки С0, а значит, одно, вполне определенное положение винто­ вой характеристики (рис. 23).

Рассмотрим условия работы двигателя при управляющем воз­ действии, приложенном непосредственно к топливной тяге, — /гт. Исходный установившийся режим отмечен на рис. 23, а точкой А 0. Если координата задания /іт изменяется медленно, то процесс пере­ хода к новому скоростному режиму может рассматриваться как

Рис. 23. Характеристики, иллюстрирующие работу главного двигателя при неизменных внешних условиях.

протекающий по винтовой характеристике вверх в точку А г (при увеличении скорости и нагрузки) либо вниз в точку А 2 (при умень­ шении скорости). Точки А г и Л 2 находятся на пересечении винто­ вой характеристики с новыми частичными, которые соответствуют новым значениям входной координаты РО /іТі и /іТі.

Для металлоемких и малооборотных ДВС существенное значение имеет скорость управляющего воздействия, т. е. скорость изменения координаты задания режима. Этой скоростью определяется время прихода объекта к новому установившемуся режиму, а также тепло­ вая и механическая напряженность двигателя. Здесь наблюдается такое явление: чем больше скорость изменения координаты задания, тем быстрее приход к новому режиму, но, с другой стороны, тем больше механическая и тепловая перегрузка двигателя.

Для качественной оценки влияния скорости управляющего воз­ действия предположим крайний случай: координата задания изме­

63

ствует разгону судна, который протекает медленно из-за большой инерционности корпуса. Переход к меньшему скоростному режиму

описывается участками линий Л 0Л2—Л 2Л2—Л2Л2- Как можно за­ метить из взаимного расположения характеристик и условных линий перехода к новому режиму, при резком управляющем воздей­ ствии возможен выход за ограничительную характеристику, а зна­ чит, и некоторая перегрузка двигателя, но без выхода на внешнюю характеристику.

При задании малых значений входной координаты ТНВД /гт, которым соответствуют характеристики подвода с резко падающим участком (см. рис. 11), двигатель теряет устойчивость на режиме и может заглохнуть. Это обстоятельство ограничивает возможность реализации самых малых ходов судна. Поскольку рассматриваемый вариант управления является ручным, потеря устойчивости и неже­ лательная остановка двигателя возможны лишь при неправильных действиях механика-оператора, задающего режим.

Выполненный анализ показывает, что при неизменных условиях плавания, а значит, при неизменной координате нагрузки С0, на­ грузка двигателя, измеряемая крутящим моментом (или мощностью), может иметь различные значения. Поэтому следует четко представ­ лять различие между нагрузкой и координатой нагрузки, так как последняя характеризует только условия плавания и внешнее воз­ мущение. При математическом описании свойств двигателя и его динамики используют координату нагрузки, а не нагрузку.

Принципиально отличается от описанного выше процесс управле­ ния при изменении и задании режима по координате регулятора Хзад. Рисунок 23, б иллюстрирует этот процесс. Исходный установившийся режим, отмеченный точкой А 0, в данном случае определяется как

к новому режиму можно представить протекающим по винтовой характеристике от А 0 до А х (или Л 2) так же, как при управлении воздействием на входную координату ТНВД.

При резком, мгновенном увеличении координаты задания, имея в виду предельный случай, переход к новому режиму с координатой задания регулятору Хзад, условно изображают участками линий

А 0А1— ЛіЛ і— А\А\ — А"\А\. Отдельные участки соответствуют: А 0А і — увеличению подачи топлива регулятором после изменения задания; ЛіЛі — разгону двигателя; ЛіЛі — выходу по новой ре­ гуляторной характеристике в точку Л і режима с промежуточным значением относительной поступи винта; Л'ІЛі — условному про­ цессу разгона судна и выходу на новый установившийся режим

при исходной координате нагрузки С0 (относительной поступи винта).

Переход к режиму в точку Л 2 с координатой задания ХзаД2 условно изображается ломаной линией Л 0Л2— Л2Л2— Л2Л 2— Л2Л2.

64

Отдельные участки этого процесса соответствуют: АдА2 — сбросу

подачи топлива регулятором до нулевой; А2А2— снижению угло­ вой скорости до величины, соответствующей новому заданию ХзаД2;

А2Аз — выходу по новой регуляторной характеристике в точку А'2 режима с промежуточным значением относительной поступи винта

(координаты нагрузки); А2А 2— условному процессу торможения судна и выходу в точку А 2 заданного режима.

Как видно из описания процессов перехода к новым режимам, при управлении через регулятор возможен выход за ограничитель­

ную характеристику ЕЕ на внешнюю /і™ах = const, т. е. возможна перегрузка двигателя. При уменьшении задания скорости возможны положения с нулевой подачей топлива /іт — 0, что при малой ско­ рости (малом запасе кинетической энергии вращающихся масс) мо­ жет привести к остановке двигателя из-за пропусков вспышек в ци­ линдрах.

Таким образом, и при этом варианте задания режима не исклю­ чена возможность неустойчивой работы и остановки двигателя при малой частоте вращения, но уже по причине пропуска вспышек в цилиндрах. Чтобы избежать перегрузок и исключить самопроиз­ вольную остановку двигателя, требуются специальные автомати­ чески действующие устройства.

Способ управления и задания режима через входную координату

рой из рассмотренных способов управления, когда режим опреде­ ляется координатой задания регулятора, назовем с п о с о б о м у п р а в л е н и я п о с т а б и л и з а ц и и з а д а н и я с к о ­ р о с т н о г о р е ж и м а , или в общем случае — по с т а б и л и ­ з а ц и и р е г у л и р у е м о г о п а р а м е т р а .

Процесс управления двигателем, работающим на ВРШ, может осуществляться путем задания двух величин: входной координаты ТНВД /іт и шага винта, либо путем задания частоты вращения вала (через координату регулятора Хзад) и шага винта. Наиболее распро­ странен второй вариант, с одновременным воздействием на коорди­ нату регулятора скорости Хзад и на шаг винта с помощью одной общей рукоятки. Закономерность связи между изменением коорди­ наты Хзад и шага винта при этом определяется так называемой к о м б и н а т о р н о й д и а г р а м м о й . Вид комбинаторной диа­ граммы зависит от типа и назначения судна, типа двигателя и винта, требований маневренности, условий ограничения двигателя по на­ грузке и желаемой экономической эффективности установки. Важно отметить, что при ВРШ возможны режимы холостого хода, когда шаг винта близок к нулю, а также режимы с большим шагом (тяже­ лый винт) и повышенной частотой вращения. Как следствие этого возникает опасность разноса двигателя и значительной его пере­ грузки, особенно при резком воздействии на изменение шага винта. Поэтому при ВРШ особое внимание должно уделяться ограничению

нагрузки двигателя и защите его от перегрузки. Проблема же обес­ печения самых малых ходов решается при ВРШ без осложнений, так как не требует малой частоты вращения вала.

§ 8

Факторы, определяющие необходимость применения регуляторов скорости и ограничителей. Параметры ограничения и защиты

Необходимость применения непрерывно действующих регуля­ торов скорости для дизель-генераторов судовых электростанций не нуждается в обосновании, так как без регулятора скорости невоз­ можно обеспечить постоянство частоты тока и напряжения, а также устойчивую параллельную работу дизель-генераторов. Такой регу­ лятор служит управляющим элементом, поддерживающим требуемый режим работы. Кроме непрерывно действующего регулятора ско­ рости на двигателях дизель-генераторов необходима установка регу­ лятора безопасности, защищающего двигатель от разноса. При сраба­ тывании регулятора безопасности двигатель останавливается, и по­ следующий запуск его возможен только после ручного вмешательства. Необходимость установки регулятора безопасности объясняется тем обстоятельством, что двигатель может внезапно выйти на режим холостого хода при отключении электрической нагрузки.

Условия работы главного судового двигателя при различных спо­ собах управления и задания режима, которые были проанализиро­ ваны в § 6 и 7, позволяют отметить факторы, определяющие необ­ ходимость применения регуляторов скорости и автоматических огра­ ничительных устройств. Чтобы предохранить двигатель, управляе­ мый вручную по стабилизации положения топливной рейки (hT = = idem), от инерционных динамических перегрузок и не допустить его разноса, требуется применение ограничительного регулятора ско­ рости. Этот регулятор на всех нормальных эксплуатационных режи­ мах не влияет на рабочий процесс двигателя. Он вступает в работу только тогда, когда частота вращения вала двигателя достигнет ве­ личины, соответствующей настройке регулятора. В некоторых слу­ чаях применяют ограничительный регулятор с широким диапазоном изменения настройки, чтобы сократить выбег частоты вращения вала. Такой ограничительный регулятор перестраивается в соответствии с заданным режимом. Ограничительные регуляторы могут умень­ шать подачу топлива и возвращать ее на уровень заданной коорди­ наты Лт, но не превышать этого уровня.

В связи с неустойчивостью режимов работы главного двигателя при малой частоте вращения с малой нагрузкой принципиально воз­ никает необходимость применения непрерывно действующего регу­ лятора в этой области режимов. Однако применение такого регуля­ тора связано с усложнением и удорожанием установки, поэтому при ручном управлении задача решается проще: не допускается работа двигателя при частоте вращения неустойчивых режимов. Примене­ ние регулятора при этом может расширить зону устойчивой работы при низкой частоте вращения вала.

66

Механическая и динамическая перегрузки двигателя, связанные с выходом за ограничительную характеристику, при ''рассматривае­ мом способе управления не допускаются самим принципом задания режима — фиксацией топливной тяги и реек ТНВД, если механикоператор следит за тем, чтобы соотношение между уставкой топливной тяги (реек) и частотой вращения вала не выходило за пределы огра­ ничительной характеристики.

Защита двигателя от тепловых перегрузок, которые зависят от начального теплового состояния двигателя и от скорости управляю­ щего воздействия, при ручном управлении также осуществляется механиком-оператором. На основе инструкции по эксплуатации и собственного опыта механик выбирает необходимую в каждом кон­ кретном случае скорость перемещения рукоятки управления и, сле­ довательно, скорость управляющего воздействия. От скорости управ­ ляющего воздействия зависят также механическая и динамическая перегрузки двигателя в неустановившихся режимах с выходом за ограничительную характеристику.

Необходимость в непрерывно действующем регуляторе скорости как элементе управления и задания режима на главном судовом дви­ гателе не предопределяется условиями работы двигателя, поскольку на всех эксплуатационных режимах двигатель работает устойчиво и как объект регулирования обладает высоким самовыравниванием. Необходимость в таком регуляторе вызывается условиями перехода на дистанционное управление двигателем, так как задание и поддер­ жание режима через регулятор скорости технически упрощаются, скоростной режим поддерживается более точно, а сам регулятор, кроме того, может выполнять дополнительные функции управления (например, устанавливать пусковую подачу топлива, ограничивать механические перегрузки в соответствии с ограничительной харак­ теристикой и др.). Регулятор скорости, служащий для управления главным двигателем, должен допускать широкий диапазон измене­ ния координаты задания, чтобы обеспечить все требуемые скорост­ ные режимы.

В связи с принципиальными отличиями условий работы двигателя при управлении по способу стабилизации частоты вращения вала появляется необходимость установки на двигатель специальных авто­ матически действующих ограничительных устройств. К таким устрой­ ствам, прежде всего, относятся программные ограничители подачи топлива, т. е. нагрузки двигателя. Ограничительные устройства по нагрузке реализуют зависимость между подачей топлива (положе­ нием топливной тяги) и частотой вращения вала или величиной за­ дания ее в соответствии с ограничительной характеристикой. Они необходимы потому, что при управлении по стабилизации частоты вращения возможен выход на внешнюю характеристику как при воз­ мущающих, так и при управляющих воздействиях.

Если при ручном управлении по способу стабилизации положе­ ния топливных реек требовалось вручную предотвращать малые по­ дачи топлива и неустойчивые режимы на малой частоте вращения, то при управлении через всережимный регулятор скорости устойчивость