Авто СЭУ-2

Автоматизация судовых энергетических установок

Часть 2. Регулирование и регуляторы

2.1. Основные понятия

Процессом автоматического регулирования принято называть автоматическое поддержание на заданном уровне (стабилизацию) или изменение по заданному закону функциональных параметров оборудования (см. п. 1.3.2).

Это оборудование называется объектом регулирования, а соответствующие параметры – регулируемыми параметрами.

Специальное устройство, которое обеспечивает решение этой задачи, называется регулятором.

Совокупность объекта и регулятора называется системой автоматического регулирования (САР).

Внешние воздействия на объект, которые могут вызывать самопроизвольное изменение регулируемых параметров, называются возмущениями.

Для судового энергетического оборудования главным возмущением является случайное изменение нагрузки.

Например, для электрического генератора возмущением со стороны нагрузки является изменение электрического сопротивления цепи при включении или отключении отдельных потребителей. Для дизеля, вращающего этот генератор, возмущением является соответствующие изменения момента сопротивления генератора. Для парового котла возмущением со стороны нагрузки является изменение расхода пара, потребляемого паровой турбиной.

Кроме нагрузки, дестабилизирующее воздействие могут оказывать изменения условий эксплуатации, отказы оборудования, с которым взаимодействует объект регулирования, команды на переключение режимов использования оборудования и т.п.

Регулятор должен таким образом воздействовать на объект, чтобы компенсировать влияние внешних возмущений на величину регулируемого параметра. Существуют различные способы решения этой задачи, которые называются принципами регулирования.

2.2. Принципы регулирования

Рассмотрим в качестве примера простую гидравлическую задачу, известную со школьных времён - бассейн с двумя трубами: по одной трубе вода подаётся в бассейн, по другой она вытекает к потребителям (рис. 2.1).

На подающей трубе имеется клапан, с помощью которого можно изменять расход G₁ (количество воды, поступающей в бассейн в единицу времени). Этот клапан будем называть регулирующим органом.

Расход G₂ зависит от потребителей и является для нашего объекта показателем нагрузки, которая может случайным образом изменяться во времени:

G₂ =f(t)

Рис.2.1 Объект регулирования

Будем считать задачей регулирования поддержание определённого запаса воды в бассейне, характеристикой которого является регулируемый параметр - уровень воды H.

Рассмотрим различные способы решения этой задачи.

Принцип регулирования «по возмущению»

Возмущением в данной системе является случайное изменение во времени нагрузки G₂ . Сохранить постоянство запаса воды в бассейне и её уровня можно за счёт динамического равновесия системы, условием которого является обеспечение в каждый момент времени материального баланса: G₁ = G₂ .

Для этого нужно на сливном трубопроводе установить расходомер и подключить его к регулятору, управляющему положением регулирующего органа:

Рис.2.2 Регулирование «по возмущению»

Характеристики расходомера, регулятора и регулирующего органа должны быть рассчитаны таким образом, чтобы каждому значению расхода G₂ соответствовало точно такое же значение расхода G₁ .

Преимущества принципа регулирования по возмущению:

• Регулирующее воздействие формируется не следствием – изменением уровня воды – а самой причиной, которая может вызвать это следствие – изменением нагрузки G₂ . То есть регулятор действует как бы с упреждением, не дожидаясь заметного изменения регулируемого параметра H, благодаря чему практически исключается динамическая ошибка регулирования.

• Статическая ошибка регулирования тоже теоретически может отсутствовать, поскольку действие регулятора при изменении нагрузки никак не связано с изменением регулируемого параметра.

Недостатки принципа регулирования по возмущению:

• Регулятор компенсирует влияние только одного главного возмущения – изменения нагрузки. Но могут быть и другие случайные возмущения, например изменение погодных условий (палящее солнце, испаряющее воду с поверхности, проливной дождь, добавляющий воду в бассейн помимо наливного трубопровода), а также протечки через трещины в стенках бассейна, приход на водопой стада слонов и т.п. Регулятор, работающий по данному принципу, эти дополнительные возмущения не заметит, вследствие чего могут возникнуть существенные изменения уровня воды в бассейне.

• Точное соблюдение уравнения материального баланса возможно только теоретически. Практически обеспечить абсолютное равенство расходов невозможно ввиду неизбежных погрешностей при настройке характеристик расходомера и регулятора, изготовлении регулирующего органа. Между тем, даже малейшее расхождение расходов приведёт или к постепенному повышению уровня вплоть до перелива через края бассейна (если G₁ > G₂), либо к его снижению вплоть до полного исчерпания запаса воды (если G₁ < G₂). Следовательно, этот принцип регулирования не обеспечивает длительное устойчивое функционирование объекта.

Указанные недостатки, присущие принципу регулирования по возмущению, не позволяют применять его «в чистом виде» при создании САР.

Первопричина этих недостатков кроется в том, что САР, построенная по такому принципу, не предусматривает контроль выходного параметра системы (в данном примере уровня H) для воздействия на входной параметр (расход G₁) . В автоматике такие системы называются разомкнутыми.