ПРЕДИСЛОВИЕ Улучшение показателей работы судовых энергетических установок (СЭУ) неразрывно связано с механизацией и автоматизацией управления ими. Механизация производства может быть частичной или комплексной. В первом случае ручные средства труда заменяют машинами или механизмами лишь для выполнения отдельных (обычно основных) операций производственного процесса, во втором — вручную осуществляют только работы, но управлению машиной. При автоматизации производства специальные устройства выполняют функции управления. Под автоматизацией понимают комплекс мероприятий научного, технического, социально-правового и организационного характера, направленных на повышение производительности оборудования, экономию времени, материалов, энергии, рабочей силы, улучшение условий труда, повышение качества продукции (технологических операций), и другие факторы, обеспечивающие рост производительности труда. Производственные процессы могут быть комплексно автоматизированы в пределах какого-либо участка, цеха, порта, шлюза, крана, судна, если все выполняемые при этом операции не требуют ручного труда. Если часть операций управления выполняется автоматически, а часть — вручную, то автоматизация называется частичной. В связи с ростом энерговооруженности флота объем средств комплексной автоматизации судов с каждым годом возрастает. Большинство судов с дизельными энергетическими установками оборудовано в настоящее время системами дистанционного управления, главными и вспомогательными дизелями, средствами автоматического управления топливными, маслоподкачивающими, санитарными, балластными и пожарными насосами, устройствами дистанционного управления якорно-швартовными, грузовыми, счальными (сцепными) механизмами, техническими средствами судовождения, централизованного контроля, сигнализации, защиты и другими устройствами автоматизации. Внедрение на судах новых технических средств все в большей степени характеризуется переходом от автоматизации отдельных механизмов к дистанционному автоматическому управлению комплексами судовых энергетических установок и развивается в двух направлениях: 1) по пути увеличения числа и номенклатуры операций, выполняемых уже промеренными в эксплуатации устройствами автоматизации, 2) по пути создания новых средств автоматизации на основе современных достижений науки и техники.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СРЕДСТВАХ АВТОМАТИЗАЦИИ Понятие об автоматических системах СЭУ. Работу СЭУ характеризуют: температура, давление, напряжение, угловая скорость коленчатого вала, мощность, уровень жидкости, производительность, подача и другие параметры. Целенаправленное изменение указанных параметров при работе СЭУ и составляет сущность управления. Желаемый режим работы (управления СЭУ) может быть обеспечен обслуживающим персоналом вручную или с помощью взаимосвязанных и взаимодействующих между собой устройств автоматизации. Совокупность таких устройств, осуществляющих управление производственным процессом без непосредственного участия человека, называют автоматическими системами управления. В общем виде автоматические системы управления обеспечивают не только изменение параметров работы СЭУ, но и их контроль, а также поддержание определенных параметров работы судовой техники в заданных пределах. Как в промышленности, так и на транспорте получили распространение разнообразные автоматические системы, и которых применяются различные по конструкции механические, электрические, пневматические, гидравлические, радиотехнические и другие устройства. Автоматические системы могут различаться характером работы, назначением, однако принципы построения различных систем, предназначенных для управления разными по природе физическими процессами, одинаковы. Любую автоматическую систему управления можно представить в виде двух основных частей: управляющего устройства (УУ) и управляемого объекта (УО). Рассмотрим взаимосвязь между ними на примере масляного выключателя дизеля, представляющего собой
двухступенчатый цилиндр 1 (рис. 1, а), в котором на общем штоке могут передвигаться два поршня. При пуске дизеля (управляемого объекта) сжатый воздух поступает в пневмоцилиндр и передвигает поршни влево. Между штоком 2 выключателя (управляющего устройства) и тягой 3, связанной с рейкой ТНВД, устанавливается определенный зазор. По окончании пуска сжатый воздух из цилиндра стравливается в атмосферу. За это время давление в смазочной системе дизеля повышается до заданного значения и шток выключателя будет удерживаться давлением смазочного масла в левом крайнем положении. В момент снижения давления в смазочной системе до установленного значения стрелка электроконтактного манометра 4 замыкает цепь сигнальной лампы пли звуковой сигнализации (сирены), предупреждая обслуживающий персонал о предаварийном режиме дизеля. В случае падения давления смазочного масла ниже допустимого значения пружина перемещает поршни и шток 2 вправо. Последний, воздействуя на тягу 3 управляющего устройства, выключает топливные насосы, и дизель останавливается. В данном примере состояние УО характеризуется давлением в смазочной системе, а управляющего устройства — положениями штока 2 и стрелки электроконтактного манометра 4. В общем виде состояние (выходную величину) УО (рис. 1, б) обозначают буквой х, а состояние УУ (управляющее воздействие) -- буквой и. Кроме управляющего воздействия, на объект могут действовать также и возмущающие воздействия f. К последним относят различные помехи (например, выход из строя смазочного насоса, разрыв трубопровода и т. п.), предсказать конкретное влияние которых на управление практически невозможно. Задающее воздействие g (в нашем примере натяжение пружины) регулируют таким образом, чтобы при падении давления в смазочной системе до заданного значения шток выключателя устанавливал рейки ТНВД и положение, соответствующее нулевой подаче. В качестве средств автоматизации судовой техники широкое распространение получили системы автоматического управления, уравнивающие значения х и g, несмотря на различные помехи. Управляющее устройство таких систем называют регулятором, а выходную величину — регулируемой величиной. Классификация автоматических систем. На водном транспорте с каждым годом все более широкое применение находят автоматические (без участия человека) и автоматизированные (с участием человека) системы управления, регулирования, контроля, защиты и диагностирования производственных процессов. Одновременное использование информации о состоянии объекта (по внутренним воздействиям) и внешней ситуации (по внешним возмущающим воздействиям) позволяет повысить. точность систем регулирования, однако конструкции регуляторов в таких случаях усложняются. Регуляторы, получающие информацию о значении регулируемой величины и изменении нагрузки объекта, называются двухимпульсными. В зависимости от способа передачи воздействий различают автоматические системы непрерывного и прерывистого действия. В системах непрерывного действия при изменении регулируемой величины непрерывно изменяются также механические, электрические и другие величины во всех элементах системы. Таким образом, для систем непрерывного действия характерна непрерывная функциональная связь между «входом» и «выходом» каждого элемента, а также между звеньями всей системы. К таким системам относят регулятор угловой скорости коленчатого вала дизеля, В автоматических системах прерывистого действия цепь воздействий замыкается или размыкается в определенные, заранее заданные промежутки времени или при определенных заранее заданных условиях, как, например, в системах автоматического контроля, сигнализации и защиты. Прерывистые автоматические системы работают по двухпозиционному принципу «включено — выключено». Поэтому их иногда называют двухпозиционными. Они делятся на импульсные и релейные. К импульсным системам можно отнести, например, применяемые на судах светоимпульсные отмашки, при включении которых цепь сигнальной лампы замыкается на определенные промежутки времени и размыкается в определенные промежутки времени. Релейными называют системы, имеющие в составе релейное устройство, которое при определенных значениях входной величины размыкает или замыкает цепь воздействия в автоматической системе. Примером таких систем могут служить регуляторы температуры воды в котлах. При повышении температуры воды, например, до 95°С регулятор выключает котел, а при снижении ее до 80°С снова включает котел в работу. По характеру задающего (управляющего) воздействия различают системы стабилизации, следящие и программного регулирования. К системам стабилизации относят автоматические системы, которые при постоянном значении управляющего воздействия (настройки) длительное время с определенной точностью поддерживают одно и то же значение регулируемой величины. В следящих системах задающее воздействие (настройка) может в процессе эксплуатации изменяться, причем характер его изменения заранее неизвестен (см. рис. 1, в). Регулятор следит за этим воздействием и поддерживает тот режим работы объекта, который ему задан. Так же, как и в следящих системах, в системах программного регулирования используется переменное задающее воздействие (настройка). Однако в отличие от •следящих систем характер изменения настройки в системах программного регулирования заранее известен. Непрерывное воздействие на настройку во время работы системы и приводит к изменению регулируемой величины по заранее известной программе. Выше рассматривались одноконтурные автоматические системы, т. е. системы, состоящие из одного объекта и одного регулятора. В практике эксплуатации СЭУ применяют также и многоконтурные системы, например, дизель, как управляемый объект, снабжен несколькими регуляторами (угловой скорости вала, температуры воды, давления, смазочного масла и т. д.). Многоконтурные системы могут быть независимыми одна от другой -и связанными. К последним относят такие системы, в которых в единый автоматически работающий комплекс объединены несколько регуляторов и несколько объектов с перекрестными связями между ними.
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Классификация элементов. Автоматические системы включают в себя много различных элементов, под которыми понимают технические устройства, выполняющие одну из следующих операций: измерение контролируемой величины и преобразование ее в сигнал (сообщение о состоянии объекта, команда управления и т. п.), удобный для дальнейшей обработки и дистанционной передачи (измерительные элементы); преобразование сигнала одного рода энергии в сигнал другого рода (преобразователи); преобразование сигналов по значению энергии (усилительные элементы); преобразование непрерывного сигнала в прерывистый и наоборот, сигналов постоянного тока в сигналы переменного тока или наоборот (модуляторы и демодуляторы); функциональное распределение сигналов (счетно-решающие устройства); распределение сигналов по различным направлениям (распределители, коммутаторы); сравнение (элементы сравнения) и хранение сигналов (элементы памяти); использование сигналов для воздействия на управляемый объект (исполнительные элементы) и т. д. Часто в автоматических системах элементы выполняют сразу несколько операций, например, измеряют контролируемую величину и затем преобразуют ее в сигналы другой физической природы, выполняют логические операции и сравнивают сигналы. Обычно первые измерители параметров регулируемых величин называют первичными преобразователями (чувствительными элементами), а в комплексе с одним или несколькими преобразователями сигналов — измерительными преобразователями (датчиками). Различают элементы систем активные и пассивные. Выходной сигнал в пассивных элементах образуется за счет энергии входного сигнала, и вследствие потерь мощность выходного сигнала всегда меньше мощности входного сигнала. Автоматические системы с активными элементами снабжают дополнительными источниками энергии. Входной сигнал активного элемента в этом случае управляет подачей энергии от дополнительного источника, и мощность сигнала на выходе из активного элемента может быть больше мощности входного сигнала. По виду энергии входных и выходных сигналов элементы подразделяют на: механические, пневматические,. гидравлические, электрические, электронные и комбинированные. Автоматические системы с пассивными элементами называют системами прямого действия.
Измерительные элементы. По принципу работы различают измерительные элементы непрерывного и прерывистого (реле) действия. Последние обычно называют реле, они включают или выключают регулятор при определенных заданных условиях или через установленные промежутки времени. В соответствии с назначением регуляторов в судовых условиях в основном используют измерительные элементы давления, температуры, уровня, расхода, напряжения, угловой скорости вала. В общем виде измерительный элемент состоит из одного или нескольких преобразователей. Первичный преобразователь воспринимает сигнал от объекта автоматизации, а последующие преобразователи преобразуют его в сигналы, удобные для дальнейшего использования в автоматическом регуляторе. Измерительные преобразователи давления (мембраны, сильфоны, трубчатые пружины), температуры (манометрические, термопары и термометры сопротивления), уровня (поплавковые и пневматические уровнемеры), угловой скорости вала (механические и электрические тахометры), применяемые в средствах судовой автоматизации, по конструкции и принципу действия аналогичны подобным устройствам в контрольно-измерительных приборах Преобразователи же измерительных элементов автоматических систем несколько отличаются по конструкции от аналогичных по функциям преобразователей КИП. Существенная разница между теми и другими определяется, прежде всего, их назначением: - измерительные преобразователи КИП, преобразуя сигналы первичных преобразователей в линейные или угловые перемещения стрелки указательного прибора, фиксируют на данный момент абсолютные значения контролируемых величин в паскалях, градусах и т. д.; - преобразователи измерительных элементов автоматических систем, как правило, не связаны с указательными приборами. Получив сигнал от первичного преобразователя, они сравнивают сигнал с заданным значением (настройкой) и при рассогласовании воздействуют на последующие звенья автоматической системы с тем, чтобы восстановить установленные пределы регулируемого параметра (давления, температуры и т. п.). Преобразователи систем автоматического регулирования (CAP) сигнал на входе чувствительного элемента через штоки, коромысла и рычаги преобразуют на выходе, как правило, в угловые и линейные перемещения или в электрические сигналы. В последнем случае линейные перемещения сердечника катушки индуктивности, движка реостата или пластин конденсатора приводят к изменению соответственно индуктивности, сопротивления или емкости в электрической цепи регулятора.
Усилительные элементы. В системах непрямого действия сигнал на выходе измерительного элемента поступает к усилителю, где за счет дополнительной энергии он усиливается до значения, при котором срабатывает исполнительный элемент, и перемещается регулирующий орган (устройство, управляющее подводом либо отводом энергии к УО в целях изменения регулируемого параметра). Причем сигнал на выходе усилителя может быть по абсолютному значению больше сигнала на входе (положительное усиление) или меньше поступившего в. него сигнала (отрицательное усиление). Отношение абсолютных значений этих сигналов называют коэффициентом усиления k. Усилители судовых автоматических систем в зависимости от вида подводимой к ним энергии делят на гидравлические, пневматические и электрические. Основными элементами гидравлических и пневматических усилителей являются обычные краны (рис. 2, а) золотники (рис. 2, б), дроссельные заслонки (рис. 2, в) и струйные трубки (рис. 2, г). Их принцип работы основан на преобразовании кинетической энергии струи жидкости, вытекающей из усилителя, в давление на исполнительный Рис. 2. Гидравлические и пневматические усилители
элемент системы. Золотник представляет собой цилиндр с отверстиями для входа и выхода рабочей жидкости. Внутри цилиндра установлен золотник (два или три поршня, соединенных общим штоком). Шток жестко связан с измерительным элементом регулятора. При отклонении золотника от среднего положения одна из его полостей сообщается со сливной магистралью, из другой — рабочая жидкость попадает к исполнительному элементу. В состоянии равновесия золотник находится в среднем положении, и его поршни перекрывают отверстия, через которые поток жидкости может поступать к последующим элементам системы. Золотниковые усилители (рис. 2, б) используют главным образом в регуляторах с измерительными элементами, развивающими сравнительно большие перестановочные силы. Ограничение области применения золотниковых усилителей объясняется наличием трения, а также склонностью золотников к заеданию из-за попадания механических примесей в зазор между золотником и цилиндром. Поэтому в качестве рабочей жидкости для золотниковых усилителей используют смазочное масло. Усилители с дроссельной заслонкой (рис. 2, в) устроены таким образом, что часть подведенной к ним рабочей жидкости может перетекать в сливной трубопровод, вследствие чего изменяется и давление в магистрали, соединенной с исполнительным элементом автоматической системы. Струйная трубка (рис. 2, г) жестко связанная с измерительным элементом, в состоянии равновесия находится в среднем положении по отношению к приемным сопловым отверстиям. В этом случае рабочая жидкость поступает с одинаковым давлением в оба приемных отверстия и поддерживает исполнительный элемент в равновесном состоянии. При отклонении струйной трубки от среднего положения в одном из приемных отверстий создается большее давление, чем в другом, что приводит к срабатыванию автоматической системы. Для усиления электрических сигналов в автоматических системах применяют магнитные, электронные, полупроводниковые и электромашинные усилители. Магнитные усилители имеют несколько замкнутых сердечников (магнитопроводов) из ферромагнитного материала. Основной особенностью ферромагнитных материалов является зависимость их магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля. При создании измерительным элементом различной напряженности магнитного поля такие усилители изменяют индуктивную составляющую полного сопротивления катушки и обеспечивают управление проходящим через них током. Магнитные усилители соответствуют специфическим условиям эксплуатации регуляторов в СЭУ. Они надежны и просты в эксплуатации, не имеют подвижных частей, могут работать при значительных перегрузках и вибрациях, Электронные усилители, подавая на сетку лампы слабое переменное напряжение от измерительного элемента, позволяют получить значительное напряжение в анодной цепи. Небольшой гарантийный срок службы ламп (5-103—104 с), чувствительность к вибрациям, повышенной температуре и влажности ограничивает область их применения в судовых условиях. В средствах автоматизации, в том числе и судовой, получили значительное распространение полупроводниковые усилители. Действие их основано на использовании полупроводниковых триодов. Физическая сущность полупроводниковых триодов всех типов заключается в том, что под действием вводимых из внешней цепи носителей тока (электронов) изменяется проводимость выходного участка цепи, в которую включен местный источник э. д. с. Полупроводниковые усилители отличаются высоким гарантийным сроком службы, могут работать в условиях высокой относительной влажности воздуха и выдерживают вибрации до 2000 Гц. Электромашинный усилитель (ЭМУ) в простейшем виде представляет собой генератор постоянного тока с независимым возбуждением. Входное напряжение подается к обмотке возбуждения, а со щеток генератора снимается усиленное выходное напряжение. Электромашинные усилители имеют большую массу и значительные габариты, поэтому их применяют в основном в тех случаях, когда необходимо увеличить мощность.
Основные сведения об управляемых объектах. Любой управляемый объект СЭУ (дизель, насос, котел, электродвигатель, расходная цистерна и т. д.) характеризуется количеством энергии или рабочего вещества, проходящего через него в единицу времени. Так как УО является первичным источником информации, необходимой для работы автоматической системы управления, правильный выбор схем автоматизации, типа и характеристик регулирующей аппаратуры возможен лишь при знании и учете свойств объекта, по которым определяется поведение последнего в случае нарушения баланса подвода и отвода рабочего вещества или энергии. Количество вещества или энергии, содержащихся в управляемом объекте, принято называть его аккумулирующей способностью. Так как аккумулирующая способность объекта характеризует его состояние, то на основании закона сохранения вещества и энергии можно составить уравнение или систему уравнений, определяющих свойства рассматриваемого объекта. Например, тепловой баланс дизеля может характеризоваться следующим уравнением: Qт = Qе + Qохл + Qо.г. + Qн.г. + Qо.с., где Qт — теплота, вводимая в дизель с топливом; Qе — теплота, эквивалентная эффективной работе, т. е. полезно используемая теплота; Qохл — теплота, уносимая охлаждающей жидкостью (водой и маслом); Qо.г. — теплота, уносимая отработанными газами; Qн.г. — теплота, теряемая в результате неполного сгорания топлива; Qо.с. — потери теплоты в окружающую среду. тепловой баланс парового котла определяется уравнением: Qт • ηк = D(iп – iв) где ηк — КПД котла; iп — энтальпия пара; iв — энтальпия 1 кг воды, поступающей в котел. приход и расход рабочего вещества в цистерне связаны зависимостью: Qп – Qр = ρ•Vж где Qп — количество жидкости, поступающей в цистерну за единицу времени; Qр — количество жидкости, расходуемой из цистерны за то же время; ρ — плотность жидкости; Vж — объем жидкости в цистерне. Приведенные уравнения — уравнения баланса между притоком (поступлением) и расходом энергии (рабочего вещества) — характеризуют условия установившихся режимов работы дизеля, котла, цистерны. Установившийся режим работы управляемого объекта характеризуется постоянством регулируемых величин (угловой скорости, вала, температуры, давления среды; уровня жидкости и т. д.). Он может быть достигнут при различных значениях этих величин. Однако установившийся режим работы объекта может быть по тем или иным причинам нарушен. В таком случае различные объекты ведут себя по-разному. Например, нарушение теплового баланса в системе регулирования угловой скорости коленчатого вала дизеля приводит к сравнительно быстрому изменению регулируемой величины и, наоборот, нарушение баланса «прихода — расхода» пара в системе регулирования горения в паровом котле вызывает медленное изменение регулируемых величин. Предположим, что в некоторый момент в котле поддерживалось нормальное давление пара 0,5 МПа. При этом температура воды в котле составляла 151°С и энтальпия ее равнялась 630 кДж/кг. Если в результате резкого увеличения расхода пара из котла давление в нем понизилось до 0,3 МПа, то соответственно изменятся температура кипения и энтальпия воды. С понижением давления до 0,3 МПа испарение воды в котле будет происходить уже при 132°С, а энтальпия ее будет равна 560 кДж/кг. Разность энтальпии 630—560= ==7Q кДж/кг тратится при этом на дополнительное парообразование. С уменьшением нагрузки происходит обратный процесс. Свойство управляемых объектов самостоятельно устанавливать новое значение регулируемой величины при нарушениях равновесия между поступлением и расходом рабочего вещества (или энергии) называется самовыравниванием, или саморегулированием. Это свойство облегчает задачу автоматизации, а в некоторых случаях (при большой аккумулирующей способности объекта) вообще делает ненужным автоматическое регулирование. При нарушениях равновесия между поступлением и расходом рабочего вещества (или энергии) равновесное состояние восстанавливается в различных объектах через разные сроки. Время, в течение которого в объекте достигается установленное номинальное значение регулируемой величины, считая от начального пулевого значения, при максимальном поступлении рабочего вещества (или энергии) и отсутствии расхода, называется временем разгона объекта. Временем разгона дизеля, например, будет время достижения номинальной угловой скорости ωном при максимальном моменте Ммакс: tр = где J — момент инерции вращающихся масс. Во всех случаях чем больше время разгона, тем медленнее будет происходить изменение регулируемой величины при нарушении материально-энергетического баланса управляемого объекта. Выше были перечислены только основные свойства УО. Детальное изучение этих свойств и характеристик является одной из основных задач проектирования, настройки и эксплуатации автоматических систем.
Статические характеристики систем. Установившееся состояние автоматических систем (управляемых объектов и управляющих устройств) определяется уравнением статики, которое в общем виде может быть записано так: х = f (g) где х — регулируемая (выходная) величина; g — входная величина (нагрузка, возмущение). Зависимость регулируемой (выходной) величины от нагрузки при различных установившихся режимах работы системы называют статической или нагрузочной характеристикой. В зависимости от вида нагрузочной характеристики автоматические системы могут быть астатическими и статическими. В статических системах (рис. 4, а) каждой нагрузке g соответствует определенное значение регулируемого параметра. Разность между хмакс и хмин при минимальной и максимальной нагрузках на объект, называют неравномерностью регулирования или статической ошибкой системы. Степень неравномерности (%): δ = 100 (хмакс - хмин) / хном Для дизелей, например, степень неравномерности регулирования угловой скорости коленчатого вала определяется как отношение разности скоростей при режимах холостого хода и полной нагрузки к номинальной угловой скорости. В астатических системах, как видно из нагрузочной характеристики (рис. 4, б), степень неравномерности равна нулю. Как бы не была совершенна конструкция регулятора, он (вследствие зазоров в подвижных деталях, действия сил трения и сил инерции) не может мгновенно реагировать на изменения регулируемой величины. Регулятор начинает воздействовать на объект через некоторое время после изменения регулируемого параметра и продолжает по инерции Рис. 4. Нагрузочные характеристики автоматических систем: еще некоторое время воздействовать а, б — линейные; a — нелинейная на него, хотя регулируемый параметр уже достиг заданных значений. Такое свойство регулятора называют нечувствительностью. Таким образом, нагрузочная характеристика регулятора в установившемся режиме не является прямой, а представляет собой некоторую полосу шириной b, характеризующую неточность поддержания регулятором установленных значений регулируемого параметра. Ширина полосы b, отнесенная к заданному значению регулируемого параметра, определяет степень нечувствительности регулятора (%): ε =100 b / х0 Статические характеристики систем могут быть линейными либо иметь кривизну (рис. 4, в). Автоматические системы, имеющие такие характеристики, называют статически нелинейными. Практически все реальные системы нелинейны. Однако при малых отклонениях ∆g статические характеристики отдельных элементов системы можно с небольшой погрешностью представить в виде прямых линий.
Динамические характеристики систем. В условиях эксплуатации установившийся режим работы объекта может быть нарушен внешними возмущениями различного рода. При возникновении некоторого возмущения новый режим устанавливается не сразу, а в течение некоторого промежутка времени, причем длительность перехода от одного режима к другому и характер изменения регулируемых величин при этом будут различными для различных объектов. Режим перехода системы из одного установившегося состояния в другое называется переходным. Характеристики автоматической системы в переходном режиме называют динамическими, переходными, или временными. Аналитически эти характеристики определяют зависимость регулируемой величины х от времени t. Предположим, что в какой-то момент времени t1 (рис. 5, а) нагрузка на объект уменьшилась с g1 до g2 и система начала переходить из одного установившегося состояния с параметром регулирования х1 в другое с параметром х2 (рис. 5, б). Переходный режим может характеризоваться монотонным апериодическим (кривая 2), колебательным апериодическим (кривая 1) изменением регули-руемого параметра, когда он отклоняется от заданного значения с одной или несколькими амплитудами, и колебательным периодическим изменением регулируемого параметра (кривая 3), Рис. 5. Динамические характеристики автоматических систем: когда параметр отклоняется в обе а — нагрузочная характеристика; б — график переходного режима стороны от заданного значения. По графику переходного режима можно определить, насколько хорошо данная система удовлетворяет требованиям эксплуатации объекта. Для удовлетворения этим требованиям и выбирают основные параметры средств автоматизации. Под параметрами автоматической системы понимают такие параметры основных элементов, как передаточные числа, коэффициенты усиления, моменты инерции, индуктивность, емкость и т. д. В каждом регуляторе перемещению его звеньев противодействуют различные силы, например, силы трения, силы инерции и т. д. Поэтому регулятор начинает действовать в момент времени t2 после того, как регулируемая величина уже претерпела некоторое изменение. Чем больше нечувствительность регулятора, тем больше начальное рассогласование между заданным и текущим значениями регулируемой величины. Для быстрой ликвидации такого рассогласования необходима достаточно высокая скорость регулирования. Однако высокая скорость регулирования по инерции (инерционностью обладает всякий реальный процесс) может привести к увеличению значения регулируемого араметра по сравнению с заданным значением на ха. Такое отклонение называют динамическим «забросом» или перерегулированием. Этот показатель является очень важным для оценки качества переходного режима. Абсолютная величина его зависит не только от чувствительности системы, но и от аккумулирующей способности объекта. Например, - в главных паровых котлах при уменьшении нагрузки давление пара во избежание открытия предохранительных клапанов должно повышаться не более чем на 5—6% номинального; - в дизелях при падении нагрузки увеличение угловой скорости коленчатого вала не должно привести к «разносу», а при возрастании нагрузки к снижению угловой скорости до значения ниже минимально устойчивого, при которой дизель может «заглохнуть». Перерегулирование уменьшается с повышением чувствительности системы и увеличением аккумулирующей способности объекта. Отклонившись от заданного значения на ха, регулятор начинает возвращать систему к заданному режиму работы, при этом он по инерции уменьшает регулируемый параметр на хb и, только сделав несколько колебаний, в какое-либо время t3 приводит объект к новому установившемуся режиму. Ясно, что при ха = хb система будет совершать бесконечно долгие незатухающие колебания, а при хc > хb > ха колебательный процесс станет расходящимся и тоже незатухающим. Такие системы называют неустойчивыми. Практическая пригодность автоматических систем, в первую очередь, определяется их устойчивостью и качеством регулирования. Под устойчивостью понимают свойство автоматической системы возвращаться к установившемуся состоянию после прекращения действия возмущения, которое вывело ее из этого состояния. Время t3 — t1, в течение которого система переходит из одного установившегося состояния в другое, определяет быстродействие систем. Его называют временем переходного режима Т, или постоянной времени системы. Разность t2 — t1 характеризует нечувствительность, а отношение (t2 — t1)/T называют степенью нечувствительности регулятора. Таким образом, любая устойчивая автоматическая система в переходном режиме характеризуется перерегулированием, временем переходного режима, степенью нечувствительности регулятора и числом колебаний регулируемой величины. Колебательность переходного режима количественно характеризуется степенью затухания, определяемой отношением: θ = (ха — хс) / ха. При затухающем переходном режиме необходимо, чтобы выполнялось условие 1 < θ > 0.
Типовые звенья систем. В целом качество переходного режима автоматических систем определяется совокупностью свойств всех ее элементов. Группы элементов, обладающих одинаковыми статическими и динамическими свойствами, подразделяют на безынерционные (пропорциональные), апериодические, колебательные, интегрирующие и дифференцирующие звенья. К безынерционным звеньям относят такие элементы средств автоматизации, в которых зависимость выходной величины хвых от входной хвх в установившихся и переходных режимах описывается простейшим алгебраическим уравнением: хвых = k хвх Такую зависимость называют переходной функцией звена. Зависимость между входной и выходной величинами может изображаться и в виде: k = хвых / хвх где k - статический коэффициент передачи, или коэффициент усиления звена. Первое название применяют в случае разных размерностей входной и выходной величин. Зависимость между указанными величинами в последней записи называют передаточной функцией звена и обозначают W (p) или условно W. К безынерционным звеньям относят рычаги; зубчатые, червячные и другие неупругие передачи без вязкого трения. По принципу действия близки к безынерционным звеньям реостаты, электронные усилители с реостатным выходом, а также сельсины, работающие в трансформаторном режиме. У апериодических звеньев функциональная зависимость между входными и выходными величинами выражается дифференциальным уравнением: , где Т — постоянная времени звена; k — статический коэффициент усиления (передачи) звена. При упрощенной записи дифференциальных уравнений, если символ дифференцирования d / dt заменить на р, уравнение апериодического звена примет вид: (Т •р + 1) хвых = k хвх С такой зависимостью между хвых и хвх в переходных режимах работают фазочувствительные электронные усилители, однокаскадные магнитные усилители, термопары, термометры сопротивления, контуры из активных сопротивлений с емкостью и другие звенья. Динамические характеристики безынерционного и апериодического звеньев показаны на рис. 6, а, б и в, а колебательных, интегрирующих и дифференцирующих — соответственно на рис. 6, г, д, е. Передаточная функция апериодического звена имеет вид
где k и T — величины, зависящие от параметров звена, и для каждого звена они имеют определенный физический смысл. Рассмотрим, например, аперио-дическое звено, представляющее собой цепь постоянного тока с активным сопротивлением и Рис. 6. Характеристики звеньев систем емкостью (рис. 7). При изменении напряжения на входе системы будет изменяться и заряд конденсатора. Согласно закону Кирхгофа полное напряжение на входе для такого контура: Uвых + UR = U вх Рис. 7. Электрическое апериодическое звено Заряд конденсатора определяется его емкостью и напряжением на выходе, т. е.: Qс = CUвых. В переходном процессе конденсатор разряжается или заряжается .и в цепи течет ток силой:
Указанный ток вызывает падение напряжения на резисторе сопротивлением R:
Следовательно, + Uвых Если теперь заменим на pUвых, то получим: R •C •p•Uвых + Uвых = Uвх Из сравнения полученного уравнения с ранее указанным (Т •р + 1) хвых = k хвх видно, что T = RC. Таким образом, Т — постоянная времени переходного процесса, в данном случае имеет конкретный физический смысл и зависит от параметров R и С. Аналогично определяют постоянную времени переходного процесса и для других звеньев. Как колебательные звенья в автоматических системах используют центробежные измерители угловой скорости валов, электродвигатели, соленоидные измерительные элементы с противодействующими пружинами, электромашинные усилители с поперечным полем и другие элементы. Характерной особенностью таких звеньев является способность аккумулирования энергии двух видов: например, кинетической и потенциальной, электрической и магнитной. Возможные запасы энергии в звене определяются соответственно постоянными времени Тк и Тп, Тэ и Тм. При переходных режимах в звене происходит обмен между этими видами энергии. Динамические характеристики колебательных звеньев изображены на рис. 6,г. а аналитически они выражаются уравнением:
или
Следовательно, передаточная функция колебательного звена W = или W = К интегрирующим звеньям относят такие элементы средств автоматизации, переходные режимы в которых описываются уравнением:
или
У таких звеньев выходная величина пропорциональна интегралу от входной величины:
В качестве интегрирующих звеньев в средствах автоматизации на судах используют гидравлические поршневые механизмы и электродвигатели, действующие в режиме отработки угла поворота вала. Графически динамические характеристики таких звеньев имеют вид, изображенный на рис. 7, д. Дифференцирующие звенья обеспечивают пропорциональную зависимость выходной величины от скорости изменения сигнала на входе и их динамические характеристики выражаются уравнениями:
или
(Tp + 1) xвых = k p xвх
Передаточная функция дифференциальных звеньев имеет вид: W = Графические характеристики таких звеньев (сильфонов с перепускными клапанами; дифференцирующих трансформаторов; гидропневмоуспокоителей. в виде цилиндров с дроссельным клапаном, поршней с пружиной, называемых катарактами и других элементов) приведены на рис. 7, е. Передаточные функции звеньев позволяют наряду с функциональной (элементной) схемой представить любую автоматическую систему в виде структурной схемы, отражающей ее динамические свойства. Звенья в этом случае могут совпадать с элементами системы, могут включать несколько элементов или, наоборот, быть частью одного элемента. По структурной схеме автоматической системы и передаточным функциям ее отдельных звеньев можно определить передаточную функцию системы в целом, т. е. еще при проектировании установить характер поведения системы в переходном режиме или составить уравнение движения (математическую модель) системы. Рис. 8. Способы соединения звеньев Модель, т. е. аналог реальной системы позволяет: - определить теоретически качественные показатели будущей системы, найти пути их улучшения; - решить отдельные вопросы изготовления, эксплуатации, эффективности функционирования и другие технико-экономические проблемы. При составлении уравнения движения (математической модели) системы руководствуются следующими правилами: результирующая передаточная функция группы последовательно включенных в систему звеньев равна произведению передаточных функций отдельных звеньев, результирующая передаточная функция группы для группы параллельно соединенных звеньев равна сумме передаточных функций отдельных звеньев. Группа последовательно соединённых звеньев, схема которой представлена на рис. 8, а. Передаточные функции звеньев следующие: первого звена — W1 = x1 /xвх, второго звена — W2 = x2 /x1, третьего звена — W3 = xвых/x2. Перемножив передаточные функции звеньев, получим: W1W2W3 = (x1 x2 xвых) / xвх x1 x2 = xвых / xвх, т.е. W1W2W3 = W Для группы звеньев, соединенных параллельно (рис. 8, б), можно записать передаточные функции в виде: для первого звена — W1 = x1 /xвх, второго звена — W2 = x2 /xвх, третьего звена — W3 = x3/xвх. Сложив передаточные функции, получим: W1 + W2 + W3 =(x1 + x2 + x3) / xвх = xвых / xвх, т.е. W1 + W2 + W3 = W Для системы с комбинированным включением звеньев (рис, 34, е), передаточная функция имеет вид: W = (W1W2W3) / (1 + W2W4) Проектирование автоматических систем начинается с изучения условий эксплуатации объекта и формирования требований к управляющим устройствам. Конструктивные элементы системы должны состоять из унифицированных узлов и отличаться простотой обслуживания. Их масса, габариты и стоимость должны отвечать требованиям эксплуатации в судовых условиях. Крен, дифферент, повышенные температура и влажность воздуха в машинно-котельных и других помещениях не должны влиять на надежность их действия. Средства автоматизации в таких условиях не должны давать ложных сигналов. Кроме рассмотренных общих требований, к судовым автоматическим и автоматизированным системам предъявляются частные требования, например удобство монтажа в судовых условиях, приспособленность к дистанционному управлению, пожаро- и взрывобезопасность и т. д. Практическая пригодность средств автоматизации в первую очередь определяется их устойчивостью и приемлемым качеством регулирования.
Интегральные регуляторы. Улучшение качественных показателей работы автоматических систем заключается в повышении их статической точности, уменьшении времени переходного режима, усилении чувствительности элементов, достижении требуемой надежности. Повышения статической точности автоматической системы можно достигнуть путем увеличения общего коэффициента усиления. В ряде случаев удается подобрать такой общий коэффициент усиления, при котором статическая ошибка, время переходного режима и колебательность системы не превышают допустимых пределов. Однако увеличивать общий коэффициент можно до определенных пределов, так как при больших его значениях могут появиться нежелательные колебания регулируемых параметров в переходных режимах и даже неустойчивость системы. Иногда конструкция автоматической системы исключает возможность увеличения общего коэффициента усиления. Тогда изменяют структурные схемы автоматических систем введением в них дополнительных звеньев. Такие дополнительные звенья, предназначенные для улучшения статических и динамических свойств систем, называют корректирующими устройствами. По способу включения в систему корректирующие устройства делят на последовательные и параллельные. Последовательные корректирующие устройства включают после тех элементов системы, динамические характеристики которых требуют улучшения. Параллельные корректирующие устройства, называемые дополнительными обратными связями, включают параллельно одному или нескольким элементам системы. Влияние последовательных корректирующих устройств на качество работы автоматических систем покажем на примере регулятора угловой скорости коленчатого вала дизеля. В схему регулятора (см. рис. 1, б) включены два последовательных корректирующих устройства: золотниковый усилитель 3 и гидроцилиндр 5 (рис. 9, а). Рассмотрим принцип работы системы с указанными корректирующими элементами в установившихся и переходных режимах. Пусть в какой-то момент t1 (рис. 9, 6) при мощности No, потребляемой гребным винтом, коленчатый вал вращается с угловой скоростью ωо. При увеличении нагрузки до N1 угловая скорость вала начнет уменьшаться, грузы центробежного измерителя сойдутся и, растягивая пружину, опустят муфту 2 (рис. 9, а). Последняя через рычаг / сместит вниз золотник усилителя 3. Рис. 9. Интегральный регулятор: Масло из смазочной системы а — функциональная схема; б — нагрузочная характеристика, поступит в нижнюю полость в — график переходного режима гидроцилиндра 5, поршень которого, перемещаясь вверх, через шток и систему рычагов сместит рейку 4 таким образом, что подача топлива увеличится. При возрастании угловой скорости вала регулятор будет воздействовать на элементы системы противоположным образом. Угловая скорость вала будет колебаться до тех пор, пока система не придет к новому заданному режиму работы с нагрузкой N1. Однако, как видно из схемы, при любом установившемся режиме поршень гидроцилиндра всегда занимает вполне определенное положение, при котором золотник перекрывает полностью окна, соединяющие его с гидроцилиндром. Следовательно, при увеличении нагрузки до N1 в новом установившемся режиме двигатель будет развивать ту же угловую скорость ωо (рис. 9, б), т. е. система регулирования работает как астатическая. Рассмотрим, как будет вести себя регулятор в переходном режиме. При увеличении нагрузки угловая скорость вала через некоторое время t2 — t1 (рис. 9, в) уменьшится до ω1. Регулятор начнет увеличивать подачу топлива. Угловая скорость вала будет приближаться к заданному значению. Но даже при заданной скорости в момент t3 регулятор по инерции все еще перемещает рейку топливных насосов в прежнем направлении и только в момент t4 уменьшит подачу топлива, что снова приведет к снижению угловой скорости вала. Регулятор приобретет новое установившееся состояние только после того, как произойдет множество колебаний а в сторону уменьшения и увеличения ее по отношению к заданному значению ωо. Таким образом, введение в автоматическую систему последовательных корректирующих устройств повысило статическую точность регулятора, однако длительность перехода его из одного режима в другой стала сравнительно большой вследствие быстрого реагирования системы на скорость изменения угловой скорости вала. Такие регуляторы в теории автоматики называют интегральными (И - регуляторами). Подобные регуляторы можно устанавливать на объекты автоматизации, обладающие свойством саморегулирования, в противном случае продолжительность переходного режима может быть слишком большой и при определенных условиях колебания системы могут стать незатухающими, т. е. автоматическая система потеряет устойчивость.
Пропорциональные регуляторы. Для обеспечения устойчивости работы системы в нее включают параллельные корректирующие устройства. Эти устройства обычно называют обратными связями, так как они оказывают воздействия на одно или несколько предыдущих звеньев системы. Если обратная связь усиливает сигнал, поступающий на вход звена, параллельно которому связь подключена, она называется положительной. Если обратная связь ослабляет сигнал, поступающий на вход звена, параллельно которому связь подключена, она называется отрицательной. Как правило, в автоматические системы включают отрицательные обратные связи. Рассмотрим принцип работы регулятора с обратной связью АВС (рис. 10, а). Рычаг АВС шарнирно соединен со штоком поршня гидроцилиндра 7, штоком золотникового усилителя 3 и преобразователем центробежного измерительного элемента — муфтой 2. Пусть при одном из установившихся режимов с нагрузкой No (рис. 10, б) регулятор поддерживает угловую скорость вала ωо. При увеличении нагрузки до N1, как было указано, угловая скорость вала понизится до ω1, грузы центробежного измерителя через муфту 2 (рис. 10, а) сместят вниз Рис. 10. Пропорциональный регулятор: золотник усилителя 3. а — функциональная схема; б — нагрузочная характеристика; Так как поршень гидроцилиндра 1 в — график. переходного режима в первый момент заторможен маслом, находящимся в его полостях, обратная связь (рычаг АВС) будет поворачиваться по часовой стрелке относительно неподвижной точки А. Как и в рассмотренном случае, поршень, смещаясь вверх, под давлением масла в нижней полости цилиндра передвинет рейку 4 топливного насоса и регулятор восстановит заданную скорость вала. Однако при подъеме поршня обратная связь сравнительно быстро поставит золотник в нейтральное положение. Подача масла в гидроцилиндр прекратится и поршень через некоторое время t2 — t1 (рис. 10, в) «зависнет» в нем при новой скорости вала. Итак, положение поршня в цилиндре при различных установившихся режимах будет разным в зависимости от внешних возмущающих воздействий. Поэтому такие регуляторы получили название пропорциональных (обычно их называют П - регуляторами). Работают П - регуляторы как статические системы, их характеристики показаны на рис. 10, б, в. Вследствие жесткого соединения исполнительного элемента с рычагом АВС регулятору присуща определенная статическая ошибка, однако наличие жесткой обратной связи повышает устойчивость, снижает число колебаний и время переходного режима системы, что очень важно для объектов автоматизации, не обладающих свойством саморегулирования,
Пропорционально-интегральные регуляторы. В целях повышения статической и динамической точности очень часто, в том числе и в судовых средствах автоматизации, применяют пропорционально – интегральные регуляторы (ПИ - регуляторы), сочетающие в себе преимущества пропорциональных и интегральных систем регулирования. Функциональная схема такого регулятора приведена на рис. 11, а. Она отличается от схемы П - регулятора тем, что в нее дополнительно введена гибкая обратная связь, состоящая из гидроцилиндра 2, полости которого заполнены жидкостью и соединены между собой задросселированным каналом. Гидроцилиндр 2, называемый катарактом, жестко связан с поршнем гидроцилиндра 1 и шарнирно — с пружиной 3 и рычагом АВС. Рычаг, в свою очередь, шарнирно соединен с муфтой 4 центробежного измерителя и штоком золотникового усилителя 5. Совокупность пружины, катаракта и рычага АВС называется изодромом, поэтому такие регуляторы называют также изодромными. Регулятор при нагрузке No (рис. 11, б) поддерживает установившийся режим двигателя с угловой скоростью вала ωо. В этом случае все звенья системы находятся в положении, показанном на рис. 11, а. Пружина 3 расслаблена, а точка А рычага АВС занимает определенное положение, не зависящее от положения рейки топливного насоса. Предположим, что нагрузка на дизель в момент времени t1 (рис. 11, в) резко увеличилась до N1. Грузы центробежного измерителя сойдутся, муфта опустится вниз, рычаг АВС (рис. 11, а) повернется по часовой стрелке относительно точки А и масло через золотник поступит в нижнюю полость гидроцилиндра 1. Поршень гидро- цилиндра, смещаясь вверх, переместит Рис. 11. Пропорционально-интегральный регулятор: рейку 6 и увеличит подачу топлива. а — функциональная схема; б — нагрузочная характеристика; Угловая скорость в момент t2 начнет в — график переходного режима повышаться. Так как поршень жестко связан с цилиндром катаракта 2, одновременно с его перемещением сместится вверх, сжимая пружину, и катаракт. В начальный момент скорость перемещения поршня будет сравнительно большой и противодействие пружины 3, стремящейся сохранить неизменным положение точки А рычага, будет недостаточным. В рассматриваемый момент поршень катаракта переместится вверх вместе с цилиндром, так как проходное сечение трубопровода, сообщающего верхнюю и нижнюю полости катаракта, сравнительно небольшое и масло за короткий промежуток времени не может перейти из нижней полости катаракта в верхнюю. Рычаг повернется по часовой стрелке относительно точки С. Золотник усилителя, смещаясь при этом вверх, перекроет маслоподводящий канал, движение поршня гидроцилиндра прекратится. В тот момент, когда золотник займет нейтральное положение и поршень гидроцилиндра остановится, поршень катаракта под действием сжимающих сил пружины 3 и под давлением масла в верхней полости катаракта (к этому времени часть масла успеет перейти из его нижней полости в верхнюю) начнет смещаться вниз, возвращая точку А рычага в нейтральное положение. Золотник на данном этапе регулирования несколько сместится вниз и снова откроет нижний маслоподводящий канал. Рейка топливного насоса еще увеличит подачу топлива, и угловая скорость вала дизеля (линия bсd на рис. 11, в) будет постепенно приближаться к заданному значению. Таким образом, вначале (линия abc) регулятор быстро воздействует на систему и выключает исполнительный элемент в момент t3, когда система еще имеет статическую ошибку ωо — ω1. Потом (линия cd) изодромная (гибкая обратная) связь ликвидирует эту ошибку и за короткое время приводит систему в новое установившееся состояние с заданной угловой скоростью ωо. Как видно из схемы, гибкая обратная связь, в отличие от жесткой, реагирует не только на абсолютное отклонение регулируемой величины от заданного значения ωо, но и на скорость ее отклонения. Чем больше скорость этого отклонения, тем быстрее регулятор включается в действие, в связи с чем он и получил название изодромного, т. е. «равнобегущего». ПИ - регуляторы применяют в средствах судовой автоматизации тогда, когда статическая ошибка системы должна быть равна нулю, а наиболее простые по конструкции И - регуляторы, работающие так же, как астатические, не обеспечивают устойчивого регулирования. Выше было рассмотрено влияние корректирующих устройств па качество работы регуляторов угловой скорости. Это не значит, что корректирующие устройства вводятся только в данные регуляторы. По принципу П -, И - и ПИ - регуляторов могут работать также и автоматические системы регулирования давления, температуры среды и других параметров
