Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы теории управления и автоматики судовых энергетических установок. Методическое пособие
.pdf
4. Управление производится из единого вычислительного центра объекта.
В соответствии с Правилами Регистра судам, энергетические установки
которых обслуживаются (вахтенно) на ходу и безвахтенно на стоянке
присваивается знак А2 в символах класса Регистра.
Судам, объем автоматизации энергетической установки которых допускает безвахтенное обслуживание на ходу и стоянке присваивается знак А1.
1. Самовыравнивание – β
2. Постоянная времени - Ta
μ – соответствует количеству подводимой энергии от электрического регулятора;
λ – нагрузка.
1. Однорежимные – ДГ;
2. Двухрежимные;
3. Всережимные
12
Дизель как объект автоматического регулирования
Уравнение может быть получено из анализа динамики вращающихся масс:
Jdω/dt=μe(ω, hр)-μ
(ω,hн),
нагр
где J – момент инерции вращающихся масс, кгм
μе(ω, h
) – эффективный момент дизеля, нм, являющийся функцией часто-
р
ты вращения ω и положения рейки топливных насосов h
зочный момент, нм., зависящий от ω и положения h
2
, ω – частота вращения, с-1.
р, μнагр
органа, изменяющего на-
н
(ω,hн) – нагру-
грузку.
Используя метод линеаризации при малых отклонениях ω, hр и hн от уста-
новившихся значений ωо, hро и h
, получим на установившемся режиме:
но
μeo=μ
, ω=ωo=const,
нагр
и на неустановившемся режиме:
ω=ωо+∆ω, hр= hро+∆hр, hн= hно+∆hн,
Jd∆ω/dt=μ
+(μe/h
eo
р)o∆hр
+(μe/ω)o∆ω-(μ
нагр
/h
н)o∆hн
-(μ
/ω)oω
нагр
В качестве исходного обычно выбирается режим номинальной мощности.
Переходя к относительным единицам, введем обозначения:
Tа=Jω
ном/μеном
β=[( μ
φ=∆ω/ ω
К
=( μe/h
z
нагр
ном
- время разгона объекта, с,
/ω)
-(μe/ω)
ном
ном]ωном
/ μ
– самовыравнивание объекта,
еном
– относительное изменение частоты вращения,
р) номhpном/μеном
– передаточный коэффициент регулируемого
воздействия.
При постоянном значении ω изменение хода рейки топливных насосов
примерно пропорционально изменению эффективного момента дизеля, поэтому:
(μe/hр) μ
еном
/ h
рном
и К
1,
z
z=∆hр/ h
λ=К∆hн/h
– регулирующее воздействие;
рном
– нагрузка,
н ном
13
Получим:
Таdφ/dτ+βφ=z-λ.
На рис. Представлен вид скоростной характеристики дизеля (hр=const,
ω=Var).
μе
Эффективный момент μе, развиваемый дизелем при работе по скоростной
характеристике μе(ω) примерно постоянен, несколько уменьшаясь в зоне больших чисел оборотов вследствие снижения механического КПД и падения коэффициента наполнения и в зоне малых чисел оборотов вследствие ухудшения
рабочего процесса. При работе дизеля на винт μ
сω2, (d μ
нагр
нагр
/dω)
0 поэто-
0
му значение β .
При работе дизедя на генератор, имеющий быстродействующий регулятор
напряжения, который обеспечивает стабильность напряжения U=const по крайней мере в малом диапазоне изменения числа оборотов, электрическая мощность сохраняется постоянной Рэл=u2/R=const, а момент нагрузки изменяется по
гиперболе.
Поэтому (dμ
нагр
/dω)
и β .
0
Следовательно, задачи обеспечения устойчивости и точности регулирова-
ния чисел оборотов дизель – генератора, имеющего отрицательное самовырав-
нивание, значительно сложнее, чем дизеля, работающего на винт, когда β .
САР дизель - генератора должна иметь более сложные и дорогостоящие регуляторы скорости, в то время как судовой дизель в принципе может работать устойчиво, за исключением режимов холостого хода с отсоединенным винтом,
без регулятора скорости.
ГОСТ 12709-67 определяет зону статической неравномерности ∆tр=1012°С, а температуру на выходе tр=75-85°C. Выбор и настройка регуляторов
14
должна производиться с учетом свойств дизеля, как объекта регулирования
температуры.
Упрощенный вывод дифференциального уравнения дизеля, как объекта
регулирования температуры охлаждающей воды:
К охлаждающей воде зарубашечного пространства и омываемым ею поверхностям остова дизеля подводится теплота от рабочего тела дизеля
Q
подв(tp
,λ), величина которой при постоянной нагрузке дизеля λ зависит от температуры воды в зарубашечном пространстве: чем больше эта температура, тем
перепад между температурой рабочего тела и температурой охлаждающей воды
и количество отведенного тепла в нее меньше. Температура воды на выходе –
регулируемая величина tp – прямо-пропорциональна средней температуре охлаждающей воды в зарубашечном пространстве и поэтому логическая связь между tp и Q
рубашечного пространства с потоком охлаждающей жидкости Q
– подобна описанной выше. Количество теплоты, уносимой из за-
подв
отв(tp,tвх
) зави-
сит от tp и температуры воды на входе tвх. Последняя изменяется путем изменения положения регулируещего органа, делящего поток на две части: на перепуск и на холодильник.
На установившемся режиме:
Q
подв0
= Q
и tp=const=t
отв0
p0
На неустановившемся режиме
Q
подв= Qподв0
+∆ Q
подв
Q
отв
= Q
отв0
+∆ Q
отв
Вводя определенные допущения, можно принять, что
МС(d t
/dt)= ∆ Q
p
подв
-∆ Q
отв
,
Где М и С – масса деталей и воды, на нагрев которых затрачивается тепло-
та и их условная средняя теплоемкость.
Используя метод линеаризации и вводя обозначения:
Та=МС tp0/ Q
– время разгона дизеля, как объекта регулирования тем-
подв0
пературы воды, с.
Β=[( Q
Θр=∆tр0/ tр0 – регулируемая величина, ∆ tвх/ t
К
=( Q
λ
отв
подв
/ t
/λ)λ
p)0
-(Q
/ Q
0
/ t
подв
– передаточный коэффициент возмущающего воз-
подв0
] tp0/ Q
p)0
– самовыравнивание.
подв0
=z - регулирующее воздейсвие.
вх0
действия.
15
К
=( Q
z
отв
/ t
вх)0 tвх0
/ Q
– передаточный коэффициент регулирующего
отв0
воздействия.
Получим упрощенное уравнение дизеля, как объекта регулирования тем-
пературы воды:
ТаdΘр/dt+βΘр= Кλλ- Кzz
В силу перечисленных свойств бъекта (Q
подв
/ t
0 и ( Q
p)0
отв
/ t
p)0
0,
поэтому β0.
Дизель, как объект регулирования температуры охлаждающей воды имеет
положительное самовыравнивание, что облегчает решение задач обеспечения
устойчивости и статической точности.
Постоянная времени Та может быть определена экспериментально, и для
среднеоборотных судовых ДВС составляет 2-5 мин. Значения Кλ и Кz могут
быть определены расчетом и экспериментально.
Автоматический регулятор курса предназначен для поддержания судном
заданного курса. Он включает чувствительный элемент для измерения курса,
элементы для измерения рассогласования курса с заданным и усиления этого
рассогласования, рулевую машину, воздействующую на исполнительный орган
объекта – руль.
Пусть:
α0 – заданное значение курса;
∆ – отклонение курса судна от заданного значения (регулируемая величина);
∆β – отклонение пера руля от значения, соответствующего заданному курсу.
Возмущающее воздействие ветра, волны и течения λ=f(t) приводит к изменению α. Компенсация достигается поворотом руля. В результате возникает
дополнительная сила, действующая на руль, и момент, поворачивающий судно,
который можно приближенно принять пропорциональным величине ∆β. При
повороте судна энергия затрачивается на создание углового ускорения поворота d2∆α/dt2, которое будет тем больше, чем меньше момент инерции судна. Повороту судна будут препятствовать силы сопротивления воды, пропорциональные скорости вращения и которые поэтому равны К2d∆α/dt, где К2 – коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от типа судна.
Тогда уравнения судна, как управляемого объекта движения по заданному
курсу примет вид:
Id2∆α/dt2+K2d∆α/dt=K1∆β+f(t).
16
Переходя к относительным единицам, получим:
Td2∆α/dt2+d∆α/dt=K0β+λ,
Где α=∆α/α0, β=∆β/β0.
I – момент инерции судна во вращательном движении в плоскости поворота.
Т0 – постоянная времени, определенная экспериментально. Лежит в пределах 10-60 с.
Судно как управляемый объект, не имеет самовыравнивания и поэтому не
обладает устойчивостью движения по курсу. В связи с тем требуется постоянное воздействие со стороны руля для поддержания судна на курсе.
17
Элементы автоматических систем
Элементы регуляторов и устройств управления можно разделить на:
1. Чувствительные или измерительные;
2. Преобразовательные;
3. Усилительные;
4. Исполнительные;
5. Логические;
6. Элементы обратных связей.
Измерительным элементам ставится задача создать сигнал, достаточный
для передачи его в следующие элементы (усилительные).
Чувствительные измерительные элементы показывают больше или меньше показатель измеряемой величины.
Одним из показателей чувствительного элемента является его чувствительность. Чувствительностью К называют изменение отношения выходной величины ∆x2 элемента к его входной ∆х1:
k=(∆x2/∆х1) или k=(dx2/dх1)
∆x2
∆х
1
Динамика чувствительного элемента описывается дифференциальным
уравнением 1-го порядка:
Tdx2/dt + x2=Кх1
Где Т – постоянная величина чувствительного элемента;
К – коэффициент усиления.
Желательно, чтобы статическая характеристика была прямолинейной, и
чтобы величина постоянной Т была как можно меньшей.
18
Требования к чувствительным элементам:
1. Чувствительность К должна быть большой;
2. Характеристика должна быть прямолинейной;
3. Чувствительный элемент должен иметь малую инерционность.
Рассмотрим датчик изменения температуры:
Обычно устройство чувствительного элемента температуры таково, что
величина ∆х пропорциональна температуре чувствительного элемента – t
ч.э.
, на
нагрев которого требуется время, т.к. количество переданной ему теплоты
dQ=αF(tж-t
В то же время dQ=MCdt
)dt, где α – коэффициент теплопередачи, F – площадь стенки.
ч.э.
, где М – масса, С – его теплоемкость
ч.э.
Тогда:
MCdt
=αF(tж-t
ч.э.
ч.э.
)dt
αчэ
чэ t
ж
Температура изменяется по экспоненте:
t
ж
t(время)
mrω
2
2 1
g r
х
3 6
4
5
Рис 1. Схема чувствительного элемента частоты вращения.
1-шестерня, 2-грузы, 3-тяга, 4-пружина, 5-шарнир, 6-муфта.
r – радиус ω – частота врашения m – масса
19
Чувствительный элемент частоты вращения включает в себя грузы, которые качаются в шарнирах и одновременно вращаются с частотой ω, муфту, на
которую действует с одной стороны приведенная центробежная сила грузов, с
другой – сила сжимаемой пружины, с жесткостью с, другой конец которой может перемещаться под действием сигнала управления g. Выходная величина
чувствительного элемента – перемещение тяги, х.
Динамика чувствительного элемента, основанная на применении упругих
элементов, описывается уравнением второго порядка:
2(d2
T
η/dt)+Tk(dη/dt)+η=kφ
r
Где T
2
– постоянная времени вращающихся масс;
r
Tk – время вязкого трения
K – коэффициент передачи:
(∆х/x0)/(∆ω/ω0)=k
Для мощных двигателей ставятся регуляторы непрямого действия с уси-
лителем, который позволяет уменьшить шары, и следовательно, при расчетах
инерцией шаров можно будет пренебречь.
Усилители делятся на:
1.гидравлические;
2.электрические
Рис. 2. Схема системы: золотник – сервопоршень
Золотник гидравлического усилителя делается вращающимся (снижается тре-
ние) и маленьким – всего 5-6 мм в диаметре.
Уравнение для золотника:
Для регулирования непрямого действия T
2
и Тк можно пренебреч.
r
η=кφ
η=∆х/х
0
20
Отрицательная обратная связь служит для того, чтобы в случае отклоне-
ния регулируемой величины, вернуть ее обратно в прежнее положение, но с допустимой точностью.
При увеличением частоты вращения ω и φ золотник идет вверх, масло давит на сервопоршень и подача топлива увеличивается.
Скорость изменения количества масла:
Q=F
Где: F - площадь сервопоршня, у – перемещение сервопоршня.
Q=xbμ(p/ρ)^μ
T
= η
s
Ts =
F(y
ном/x0
)μb
Где: Ts – постоянная времени сервомотора, b – ширина окна.
21
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]