УДК 62-50:629.12-8

Бугрим Л.И., Кондратенко Ю.П., Чичканъ Л.А. Автоматизация судовых энергетических установок: Методические указания к лабо­раторным работам. - Николаев: УТМТУ, 1995.- 35 с.

К а ф е д р а автоматики

Настоящие указания содержат описание лабораторного стенда и методику проведения лабораторных работ по кур­су "Автоматизация судовых энергетических установок".Рас­смотрены вопросы статики и динамики систем автоматичес­кого, регулирования, методы экспериментального определе­ния уравнения динамики элементов и систем. Предназначе­ны для студентов, обучающихся по специальностям 14.02, 14.04 и 21.05.

Ил.7, табл. 5 , спис. лит. - 4 назв.

Рецензент к.т.н., доп. А.П.Гуров

(С) Украинский государственный морской технический универ­ситет, 1995

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

I. Функциональная схема стенда

Лабораторный стенд представляет собой систему автоматической стабилизации с комплектом задающей, измерительной и регистриру­ющей аппаратуры.

Функциональная схема стенда представлена на рис.1

Рис.1. Функциональная схема лабораторного стенда

Основной элемент здесь - регулятор частоты вращения судового дизеля Р. Входными сигналами для него будут: частота вращения вала n и затяжка пружины центробежного маятника g , которая из­меняется с помощью устройства дистанционной настройки (ДН). Выходным сигналом регулятора является перемещение муфты регулятора m , которое с помощью потенциометра (ПП) преобразуется в элек­трический сигнал U_m. Этот сигнал усиливается электромашинным усилителем (ЭМУ) и поступает в электродвигатель (ЭД). Выходная координата электродвигателя - частота вращения вала - зави­сит не только от подаваемого на его вход напряжения, но и от на­грузки на двигатель N , которая формируется с помощью нагрузоч­ного генератора (НГ). Ротор генератора жестко связан с валом электродвигателя. На вход ЭМУ вместо U_m , можно подавать напря­жение U_ВХ от управляющего потенциометра (ПУ), которое изменяет­ся вручную, либо синусоидальный сигнал U_ГНУ от генератора низкой частоты (ГНЧ). В комплект измерительной аппаратуры входят вольтметры для измерения перечисленных выше напряжений, тахогенератор (TГ), осциллограф к самопишущий регистрирующий прибор.

2. Принципиальная схема стенда

Упрощенная принципиальная электрическая схема стенда и прин­ципиальная схема регулятора представлены на рис.2.

На этом рисунке обозначены: 1 - регулятор; 2 - поршень ката­ракта; 3 - игла катаракта; 4 - насос подачи масла в регулятор; 5 - манометр контроля давления масла; 6 - золотники гидравличе­ского усилителя; 7 - следящий сервопоршень; 8 - грузы центробеж­ного маятника; 9 - электродвигатель (М); 10 -тумблер для раз­жигания цели электродвигателя;11 - нагрузочный генератор (G); 12 - нагрузочный реостат; 13 - тумблер для ступенчатого сброса и включения нагрузки; 14 - вольтметр для измерения напряжения на клеммах генератора; 15 - амперметр для измерения тока в цепи якоря генератора; 16 - вольтметр для измерения напряжения, по­даваемого на М; 17 - электромашинный усилитель (ЭМУ); 18 - обмотка управления (ОУ) ЭМУ; 19 - вольтметр для измерения напря­жения на ОУ ЭМУ; 20 - переключатель питания ОУ ЭМУ; 21 - гене­ратор низкой частоты (ГНЧ); 22 - потенциометр для регулирования величины скачкообразного изменения напряжения на входе в ЭМУ;23 - тумблер для подачи скачкообразного воздействия на вход ЭМУ; 24 - вольтметр для измерения напряжения, пропорционального перемещению сервопоршня; 25 - потенциометр для изменения напряжения на входе в ЭМУ; 26 - потенциометр, преобразующий перемещение следящего сервопоршня в электрический сигнал - напряжение U_m ; 27 - тумблер для изменения задающего воздействия g - изменения за­тяжки настроечной пружины регулятора; 28 - электродвигатель для изменения задающего воздействия; 29 - шкала для измерения вели­чины g ; 30 - настроечная пружина; 31 - муфта центробежного ма­ятника; 32 - силовая пружина сервомотора; 33 - катаракт.

С помощью переключателя 20 можно замыкать и размыкать систе­му регулирования оборотов. В положении I система разомкнута и напряжение на управляющей обмотке 18 ЭМУ 17 изменяется вручную с помощью потенциометра 25. В положении 2 система замкнута - на­пряжение на обмотке управления ЭМУ снимается с потенциометра 26, движок которого связан с сервопоршнем 7 регулятора.

В положении 3 система разомкнута и напряжение на входе в ЭМУ можно изменять скачком с помощью тумблера 23.

Работа замкнутой системы.Рассматривае­мая система является системой автоматической стабилизации, так как ее задача - поддерживать постоянной частоту вращения вала электродвигателя. Заданное значение частоты вращения вала n оп­ределяется, величиной задающего воздействия g - затяжкой пружи­ны 30 центробежного маятника ( см.рис.2). Если по какой-либо причине, например при изменении нагрузки на электродвигатель, со стороны генератора, значение n отклонится от требуемого, то про­цесс восстановления регулируемой величины будет происходить сле­дующим образом. При увеличении частоты вращения возрастет цент­робежная сила грузов, что вызовет перемещение золотников 6 впра­во. Откроется слив масла из полости Б, что вызовет перемещение сервопоршня 7 вправо под действием пружины 32.Сервопоршень жест­ко связан с движком потенциометра 26, и, если система замкнута, т.е. переключатель 20 в положении 2, такое перемещение движка потенциометра вызовет уменьшение напряжения на управляющей об­мотке ЭМУ, что приведет к уменьшению напряжения на выходе ЭМУ и напряжения, подаваемого на вход электродвигателя. Частота вра­щения вала начнет уменьшаться, и золотник 26 сместится влево. На установившихся режимах золотники расположены точно против окон в корпусе сервопоршня и перекрывают подвод и слив масла из по­лости Б.

В случае отклонения значения отклонения значения n в меньшую сторону от требуе­мого значения снижается центробежная сила грузов и золотник 6 перемещается влево, что приводит к открытию окон в корпусе сер­вопоршня, и рабочая жидкость - масло начнет поступать из полос­ти А в полость Б, вследствие чего сервопоршень сместится влево и увеличится напряжение на управляющей обмотке ЭМУ и на клеммах электродвигателя. Частота вращения вала начнет возрастать и в конечном счете восстановится с точностью до статической ошибки регулирования.

Катаракт 33 служит для изменения динамических свойств регу­лятора, так как позволяет изменять коэффициент вязкого трения центробежного маятника. Перемещение золотника 6 связано с пере­мещением поршня катаракта 2.

Интенсивность процесса регулиро­вания можно существенно изменить с помощью иглы катаракта 3, положение которой определяет скорость протекания масла через игольчатый клапан.

Общий вид лицевой панели стенда показан на рис.3. Здесь же расположены измерительные приборы и органы управления. В левой части находится ваттметр I, который измеряет мощность, потребляемую электроприводом ЭМУ, справа от ваттметра - измеритель частоты вращения вала электродвигателя 2

На панели расположены следующие приборы (цифры в скобках обозначение данного прибора на принципиальной схеме стенда при­веденной на рис.2):

- вольтметр 26 (24), измеряющий напряжение на потенциометре (26), связанном с, сервопоршнем (7) регулятора, U_m;

- вольтметр 24 (19), измеряющий либо напряжение, подаваемое на управляющую обмотку ЭМУ, U_ВХ при разомкнутой системе, либо на­пряжение, подаваемое на вторую управляющую обмотку от генерато­ра низкой частоты, U_ГНЧ. Переключающий тумблер находится под прибором 24;

- амперметр 22 (15), который в зависимости от положения тумб­лера под ним. измеряет либо силу тока в цепи якоря электродвига­теля I_дв ,

либо в цепи якорянагрузочного генератора (II);

- вольтметр 3, измеряющий напряжение на клеммах тахогенера­тора U_ТГ;

- вольтметр 4 (16), измеряющий напряжение на выходе ЭМУ,U_дв;

- вольтметр 5 (14), измеряющий на клеммах генератора U_г.

Кроме того, на панели управления находятся:

- переключатель рода лабораторных работ 21 и соответствующее световое табло 20;

- два переключателя 15 и 16 вывода на осциллограф измеряемых токов и напряжений;

- два тумблера 16 и 19, позволяющие изменять знаки напряжений U_ТГ и U_ДВ;

- переключатель включения установки 14 подачи питания к стенду – положение I, включения масляного насоса – положение 2 и включения ЭМУ – положение 3.Над переключателем установлено световое табло 13.

На панель выведены рукоятки трех потенциометров:

- потенциометра 7 (25), с помощью которого можно изменять напряжение на управление обмотке ЭМУ при разомкнутой системе – величину U_вх;

- потенциометр 10 (22), с помощью которого можно регулировать величину ступенчатого изменения напряжения на входе в ЭМУ ( “величину скачка”).

На пульте управления также установлены:

- тумблер 6 (10) разрыва цепи якоря двигателя ( “Двигатель”, “Вкл.”, “Выкл.”);

- тумблер сброса нагрузки 11(13), который разрывает цепь якоря генератора

( “N”, ”Вкл.- Выкл.” );

- тумблер 12 (23), с помощью которого производится ступенчатое изменение напряжения на управляющей обмотке ЭМУ (“Скачок”,”Увел.-Уменьш.”);

- тумблер 8 (27) для дистанционного изменения задающего воздействия – изменения величины затяжки пружины регулятора (“g(t)” ,“Увел-Уменьш.”);

- тумблер 9 управления нагрузочным реостатом (12) в цепи якоря генератора (“g(t)”,”Увел.-Уменьш.”) .

Лабораторная работа № I

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОСТРОЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ

Цель работы:

1. Изучить устройство регулятора и работу разомкнутой систе­мы автоматического регулирования (САР).

1. Изучить назначение приборов и переключателей по рис.2 и 3.

2. Построить статические характеристики объекта регулирова­ния и регулятора.

Краткие сведения, необходимые для выполнения работы

Статической характеристикой элемента называется зависимость выходной координаты от входной, снятая на установившихся режимах. Статические характеристики могут быть представлены графически или аналитически. Если входных сигналов у элемента два, а выходной один, статическая характеристика представляет собой семейство кривых.

Прежде чем снимать статические характеристики, необходимо раз­бить систему на отдельные элементы, определить их входные и, вы­ходные сигналы.

Для снятия статических характеристик отдельных элементов сле­дует разомкнуть систему для того, чтобы иметь возможность в ши­роком интервале изменять входные и выходные сигналы всех звеньев системы. Размыкание системы производят переключателем 20 (см рис.2), установив его в положение I "Система разомкнута". В этом случае на вход ЭМУ поступает напряжение не с потенциометра 26, а напряжение U_ВХ, снимаемое с потенциометра 25, движок которого перемещается рукояткой 7 (рис.3). Функциональная схема разомкну­той системы представлена на рис.4.

Данную систему можно представить в виде четырех основных эле­ментов, включенных последовательно: сам регулятор Р (1,см. рис.2), преобразующий потенциометр ПП (26 на рис.2), электромашинный усилитель ЭМУ (17 на рис.2) и электродвигатель ЭД (9 на рис.2).

Для уменьшения объема работы разобьем систему на два элемен­та - регулятор и объект регулирования; будем считать выходным сигналом регулятора не перемещение сервопоршня, которое через рычаг перемещает движок потенциометра 26 (см.рис.2), а электрический сигнал на выходе потенциометра - напряжение U_т ,т.е. от­несем преобразующий потенциометр к регулятору, Объектом регули­рования будем считать систему ЭМУ - ЭД.

Входными сигналами в регулятор будут; п - частота вращения вала двигателя и g - затяжка пружины центробежного маятника (задающее воздействие), а выходными - напряжение U_т .

В объект регулирования на вход поступает напряжение U_ВХ , ко­торое изменяется вручную потенциометром 25 (см.рис.2) и N=U_Г I_Г - нагрузка со стороны генератора на электродвигатель.

Таким образом, необходимо получить зависимость n=n(U_ВХ,n)- статическую характеристику объекта и зависимость U_m=U_m(n,g) -статическую характеристику регулятора.

Порядок выполнения работы

1.Включить стенд. Для этого переключатель 14 (см.рис.3"Вклю­чение установки") последовательно включить в положения 1,2,3.При этом на световом табло 13 последовательно загорятся сигна­льные лампы "Установка включена", "Выключен масляный насос" и "Включен ЭМУ".

2.Замкнуть цепь ЭД тумблером 6 (см.рис.З).

3. Установить переключатель 21 (20. на рис.2) рода работ в по­ложение I. На световом табло загорится лампочка "Система разомк­нута".

4.Снять статическую характеристику объекта регулирования n=n(U_ВХ,N).

Удобнее снимать зависимость п от нагрузки N=U_ГI_Г для фиксированных значений U_ВХ . Устанавливаем заданное преподава­телем значение U_ВХ и изменяем нагрузку от нуля до максимальной. Для этого вначале получаем данные, когда цепь якоря нагрузочного генератора разомкнута (N= 0, так как I_Г = 0), Затем тумблер I3 (см.рис.2) в цепи якоря генератора замыкаем (тумблер II в по­ложение "Вкл." – см.рис.3) и устанавливаем с помощью нагрузоч­ного реостата 12 (см.рис.2) различные значения N. Движок ре­остата перемещаем с помощью тумблера 9 (см. рис. 3). Снятые дан­ные записать в табл.1 для пяти U_ВХ , значения которых задаются преподавателем

5. Снять статическую характеристику регулятора и представить ее в виде графика зависимости U_m от n для двух различных зна­чений задающего воздействия g - затяжки пружины центробежного маятника. Значения g, задаются преподавателем и устанавливаются с помощью тумблера 8 (см. рис.3), которые подает питание на электродвигатель 28 (см. рис.2). Далее устанавливаем g=g₁ и с по­мощью потенциометра 7 "Bх. ЭМУ" (см.рис.3) изменяем частоту вра­щения вала двигателя от начала автоматической работы (НАР) ре­гулятора, когда его муфта 31 (см.рис.2), а следовательно, и сервопоршень 7 стоят на своем нижнем упоре (точка I на рис.7), а U_m имеет свое максимальное знчение. В интервале n_НАР< n<n_КАР снимается статическая характеристика регулятора. Здесь n_НАР - частота вращения вала двигателя, когда центробежная сила груза станет равной усилию от настроечной пружины 30 (см.рис.2), а n_КАР - значение n в конце автоматической работы регулятора при данной затяжке g , когда муфта маятника и сервопоршень стоят на своем верхнем упоре и U_m = 0. Данные записать в табл. 2.

Обработка экспериментальных данных

По данным табл.1 строим зависимость n=n(N,U_вх) - рис.5. Рассекая полученные на рис.5 зависимости прямыми N=const, получаем статическую характеристику объекта в другом виде, представленном на рис.6.

Статическую характеристику регулятора иллюстрируем графиком U_m=U_m(n,g) , примерный вид которого представлен на рис.7.

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. цель лабораторной работы;

2. принципиальную схему лабораторного стенда;

3. экспериментальные данные;

4. статические характеристики регулятора и объекта регулирования.

Контрольные вопросы

1.Работа лабораторной установки по принципиальной схеме.

2.Устройство и принцип работы регулятора.

3. Классификация САР.

4. Понятие о статических характеристиках элементов САР.

5. Порядок проведения эксперимента.

6. Обработка экспериментальных данных.

Лабораторная работа № 2

ПОСТРОЕНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ

Цель работы:

1.Освоить методику аналитического построения статической ха­рактеристики замкнутой САР по статическим характеристикам отдельных элементов.

2. Проверить полученную зависимость экспериментальным путем.

Краткие сведения, необходимые для выполнения работы

Раздел теории, изучающий свойства систем автоматического ре­гулирования на установившихся режимах, называется статикой сис­тем регулирования в отлитие от динамики, рассматривающей вопро­сы, связанные с переходными режимами.

Под статической характеристикой замкнутой САР понимают функ­циональную зависимость регулируемой величины от задающего и воз­мущающих воздействий, снятую на установившихся режимах.

В зависимости от того, изменяется ли регулируемая величина в статике при изменении возмущающих воздействий или нет, системы делятся на статические и астатические. Если регулируемая вели­чина на установившемся режиме не зависит от возмущающих воздей­ствий, то такая система называется астатической, а если зависит, то статической. В последнем случае регулятор поддерживает регу­лируемую величину с точностью до статической ошибки регулирова­ния.

Величина статической ошибки регулирования зависит от харак­теристики отдельных элементов САР и связана с характеристиками объекта регулирования и регулятора следующим соотношением:

Здесь и на рис.8 x - регулируемая величина; f – возмущающее воздействие; ∆x_S - статическая ошибка при выборе объекта совместно с регулятором, когда система замкнута; ∆x_S *- отклонение при работе объекта без регулятора – при разомкнутой системе; k_об – коэффициент усиления объекта регулирования по управляющему сигналу; k_p – коэффициент усиления регулятора.

Из рис.8 следует, что в данном случае использование регулятора не приводит к полному уничтожению ста­тической ошибки, но уменьшает ее в (1+ k_об k_p).

Из зависимости (I) видно , что статическая

ошибка регулирования ∆x_S уменьшается с увеличением коэффициента усиления регулятора k_p . Значение k_p можно определить из статической характеристики регулятора как отношение приращения его выходной координаты U_т - управляющего сигнала к входной - регулируемой величине n - пори фиксированном значении задающего воздействия. Коэффициент усиления объекта

регулирования k_об - это отношение приращения регулируемой величины к приращению управляемого сигнала при фиксированном значении возмущающего воздействия N= const. Здесь k_об определяется из статической характеристики объекта.

Порядок выполнения работы

I. Построить график статической характеристики замкнутой системы, используя данные лабораторной работы № I.

В данном случае это будет зависимость частоты вращения вала n электродвигателя от возмущающего воздействия - нагрузки на двигатель N , полученная для разных значений задающего воздействия g – затяжки пружины центробежного маятника. Если система замкнута, напряжение U_m пропорциональное перемещению муфты регулятора, подается на вход электромашинного усилителя, т.е. в этом случае U_m =U_вх. Поэтому ось абсцисс на статической характеристике объекта регулирования обозначим не U_вх , а U_m. Для построения статической характеристики замкнутой системы n=n(N,g) совместим на общем графике статическую характерис­тику объекта регулирования и регулятора, как показано на ри­сунке 9. Чтобы получить по характеристикам отдельных элементов статическую характеристику замкнутой системы, необходимо выход данного звена связать со входом последующего и таким образом за­мкнуть контур. Построение n=n(N,g) показано на рис.9 стрелками.

Вначале задаемся g=g₁ , и каждому значению n будет соот­ветствовать точка на поле статических характеристик объекта, ко­торая определяет значение N.

Величину нагрузки определяем путем интерполяции, если точка попадает между кривыми. Выполняем далее такое же построение для g=g₂ .

Такое построение выполняют обычно, если число элементов бо­лее двух. Если число элементов больше четырех, то используя пра­вило построения статических характеристик группы звеньев, их число уменьшают до четырех.

В рассматриваемом случае число звеньев равно двум - это объ­ект регулирования и регулятор, поэтому построение статической характеристики замкнутой системы можно упростить: наложить статическую характеристику регулятора на статическую характеристику объекта (рис.10) и по точкам пересечения статической характеристики регулятора для g=g₁ с кривыми N=const статической характеристики объекта определить значения n, соответствующие N=0, N=N₁, N=N₂, N=N₃, N=N₄ и т.п.

Полученные данные наносим на график n=n(N, g) – рис.11. Такое же построение выполняем и для других значений g.

2. Снять статическую характеристику замкнутой системы в следующей последовательности:

1. тумблер переключателя рода работ 21 (см.рис.3) устанав­ливаем в положение 2 - загорается табло "Система замкнута". В этом случае напряжение, снимаемое с потенциометра 26 (см.рис.2) движок которого соединен со следящим сервопоршнем 7, подается на управляющую обмотку ЭМУ;

2. устанавливаем тумблером 8 (см.рис.3) затяжку пружины цен­тробежного маятника g=g₁ такую же, как и при выполнении ла­бораторной работы № Г. Так как точная установка такого же зна­чения g затруднена (недостаточная точность шкалы, люфт и зазоры в кинематических парах), то устанавливаем N=0 и изменяем g до тех пор, пока не выйдем на обороты, соответствующие точке а на рис.10;

3. изменяя нагрузку от 0 до максимального значения с исполь­зованием тумблеров 11 и 9 (см.рис.3), снимаем зависимость n от N при g=g₁ .Нагрузка N = 0 устанавливается тумблером 11;

4. устанавливаем другие значения затяжки пружины - такие же, как и при выполнении лабораторной работы № I и повторяем измерения. Для точной установки g=g₂ используем точку δ из рис.10. Данные заносим в табл.3.

Обработка экспериментальных данных

1. Рассчитав в табл.3 значения нагрузки N=U_ГI_Г, наносим точки на построенную ранее статическую характеристику замкну­той системы автоматического регулирования (кривые 1 и 2,рис.11).

2. На этом же графике строим статическую характеристику объекта для U_вх=const (кривые 3 и 4), используя рис.6 или рис.10.Величину U_вх выбираем такой, чтобы статическая характеристика объекта при N=0 проходила через точки a и b (см.рис.11).

3.Для фиксированного значения N определяем ∆n_S и ∆n_S* для g=g₁ и g=g₂.

4.Используя формулу (I), определяем значение коэффициента разомкнутой системы k_раз*=k _обk_р.

5.Из статической характеристики объекта регулирования оп­ределяем значение его коэффициента усиления по управляющему сигналу k_об=(∂n/∂U_вх)_N=const и коэффициент усиления регуля­тора k_р=(∂U_m/∂n)_g=const . Вычисляем значение k_раз= k_обk_р и сравниваем с k_раз*, полученным в п.4.

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. цель лабораторной работы

2. принципиальную схему лабораторного стенда

3. порядок выполнения лабораторной работы

4. статическую характеристику замкнутой САР, построенную по статическим характеристикам объекта и регулятора

5. экспериментальную проверку статической характеристики замкнутой САР

6. значение полученного коэффициента усиления разомкнутой системы.

Контрольные вопросы

1. Понятие о статической характеристике замкнутой системы.

2. Построение статической характеристики замкнутой системы по статическим характеристикам объекта и регулятора.

3. Как определить коэффициент усиления объекта регулирования, регулятора и разомкнутой системы?

4. Как влияет коэффициент усиления регулятора на статическую ошибку регулирования?

5. Определить, какие должны быть коэффициент усиления регулятора, чтобы

статическая ошибка регулирования имела значении в 2 раза больше и в 2 раза меньше полученной в эксперименте.

Лабораторная работа №3

ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТА РЕГУЛИРОВАНИЯ, ВЫБОР ЗАКОНА РЕГУЛИРОВАНИЯ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ НАСТРОЕК РЕГУЛЯТОРА

Цель работы:

1. Изучить методику экспериментального получения приближенно­го математического описания многоемкостных объектов.

2. Изучить инженерный метод выбора закона регулирования и рас­чета параметров настроек регуляторов непрерывного действия.

Краткие сведения, необходимые для выполнения работы