WWW.KNIGA.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Книги, пособия, учебники, издания, публикации

 

Pages:   || 2 |

«ВВЕДЕНИЕ Двигатели внутреннего сгорания занимают в энергетике ведущее место по количеству вырабатываемой энергии. Особо существенна роль двигателей в автомобильном, ...»

-- [ Страница 1 ] --

ВВЕДЕНИЕ

Двигатели внутреннего сгорания занимают в энергетике ведущее место по количеству вырабатываемой энергии. Особо существенна роль

двигателей в автомобильном, водном транспорте, в стационарной энергетике. Вследствие низкой устойчивости режимов дизелей чрезвычайно

трудно обеспечивать их работу в эксплуатационных условиях и особенно

в тех случаях, когда нагрузка оказывается переменной во времени или незначительна.

Именно поэтому двигатели внутреннего сгорания снабжают автоматическими регуляторами частоты вращения, а в некоторых случаях и другими устройствами.

Проблема регулирования дизелей с учетом эксплуатационных условий их работы имеет большое практическое значение. Система автоматического регулирования предназначена для обеспечения качественной работы как на стационарных режимах, так и на неустановившихся, когда изменения параметров процессов особо сильно влияют на эффективные показатели работы силовой установки в целом.

Исследование динамики регулирования дизелей показывает, что пока еще не решены такие вопросы, как обеспечение максимальной эксплуатационной надежности, оптимальное управление в условиях резко выраженной динамики изменения нагрузки, обеспечение качества переходных процессов дизеля при сбросах или набросах нагрузки и т. п.

При разработке новых или модернизации существующих двигателей, а также при доводке систем автоматического регулирования следует прежде всего обеспечить надежность и устойчивость работы их работы с максимально возможной производительностью и экономичностью.

Доводка систем автоматического регулирования производится на уровне экспериментальных исследований, когда знание происходящих в системе процессов позволяет ускорить доводку и обеспечить наибольшее качество создаваемой продукции. Поэтому основой настоящего учебного пособия стали положения дисциплины «Основы автоматики», далее рассматриваются вопросы статики регулирования, характеристики элементов системы регулирования, схемные решения по созданию автоматических регуляторов, наконец излагаются вопросы динамики процессов регулирования и управления. В учебном пособии на базе положений теоретической механики выполнены выкладки уравнений движения как элементов системы автоматического регулирования, так и системы в целом, а также предлагается анализ переходных процессов и вопросов обеспечения устойчивости работы двигателя под управлением системы автоматического регулирования. Это способствует пониманию студентами сложных процессов регулирования, позволяет выделить влияние элементов системы автоматического регулирования на параметры переходных режимов и качество регулирования. Знания при условии закрепления их на практических и лабораторных работах обеспечивают привитие навыков работы с дизелями, позволяют в дальнейшем успешно проводить доводочные и настроечные работы на объектах. И здесь не имеют принципиального значения тип двигателя, его мощность и размеры.

В учебном пособии излагаются практические инженерные методы решения ряда задач регулирования и обосновываются рекомендации, существенно повышающие производительность двигателей и их техникоэкономические показатели.

Материал учебного пособия изложен применительно к решению задач обеспечения качественной работы системы автоматического регулирования скоростных режимов двигателя. Предложенные пути и методы являются универсальными.

Задачи теоретического анализа направлены на практическое приложение, с которым приходится иметь дело специалистам. Научится разбираться в процессах – значит уметь управлять ими и обеспечивать оптимальную настройку систем автоматического регулирования.

Учебное пособие предназначено для студентов дневного и заочного обучения специальности «Двигатели внутреннего сгорания», может быть полезно инженерам и научным работникам, занимающимся вопросами автоматического регулирования двигателей и управления ими.

Глава 1. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР

РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Современный уровень развития средств автоматизации энергетических установок с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) настолько высок, что каждый инженер, имеющий дело с ДВС, должен не только разбираться в вопросах автоматизации процессов, но и мочь принимать непосредственное участие в разработке новых, усовершенствовании существующих автоматических устройств, в том числе электронных, выполненных на базе элементов микропроцессорной техники. Суть происходящих процессов регулирования и управления в электронных и механических приборах имеет полную физическую и математическую аналогию.

Впервые появился автоматический регулятор уровня воды в паровом котле на «огнедействующей машине» И. И. Ползунова в 1765 г.

на Барнаульском горном металлургическом заводе (рис.1.1).

Рис. 1.1. Система автоматического регулирования уровня воды в паровом котле В 1786 г. Джеймс Уатт построил паровую машину двойного действия и универсального назначения с вращающимся валом, имеющую регулятор скорости. Работа регулятора согласно рис. 1.1 очевидна. Входная координата регулятора p, выходная – перемещение муфты, связанной с помощью рычагов с шибером, положение которого определяет расход пара через паровую машину. Согласно статической характеристике при увеличении нагрузки на машину, например при движении на подъем, происходит уменьшение частоты вращения вала, центробежная сила грузов снижается и под действием главной пружины регулятора происходит перемещение муфты и шибера в сторону увеличения подачи пара. При уменьшении нагрузки обороты возрастают и шибер перемещается в сторону снижения подачи пара. Так регулятор обеспечивает поддержание заданного параметра (выходной координаты) в некоторых пределах, определенных соотношениями между силами пружины и инерционными силами. Если ввести механизм, обеспечивающий изменение предварительной затяжки главной пружины (так называемое устройство изменения координаты задания y зад ), то данный однорежимный регулятор превратится во всережимный, таким образом можно задавать конкретный скоростной режим работы.





Сравнивая принципиальные схемы Ползунова и Уатта, основанные на неравномерности регулируемого параметра h и p или, как это называли, «неравномерности хода машины», приходим к выводу, что организовать процесс регулирования более просто невозможно. В технике регулирования принцип управления получил название принципа ПолзуноваУатта. Это самый применяемый и по сей день принцип. Суть его ясна согласно рис. 1.1 и рис. 1.2, поясняется статическими характеристиками, т.

е. зависимостями выходной координаты от входной при фиксированной настройке регуляторов G p f (h) и z f ( p ). Главным параметром статической характеристики является ее с т е п е н ь н е р а в н о м е р н о ст и (ранее применялись термины: «наклон характеристики», «неравноp,max p, мин мерность хода машины» или «статизм») 100 %, где р,н – р,н номинальная частота вращения вала регулятора. Для регулятора Ползунова формула аналогична.

Впервые при работе телескопов были замечены колебания регулируемого параметра (частоты вращения площадки с телескопом, приводимой во вращение старыми, отработавшими свой век на шахтах и ослепшими лошадьми). Считалось, что именно так можно было обеспечить равномерное вращение площадки и отслеживать движение небесных тел. Других движителей в начале ХV111-го века просто не было.

Рис. 1.2. САР частоты с регулятором Д.Уатта (функциональная схема) и его статическая характеристика Астроном и изобретатель Эри (англ.) в 1851 г. предложил катаракт, суть работы которого представлена на рис. 1.3. Катаракт при правильной настройке иглы значительно уменьшает неравномерность хода площадки телескопа. Так, в области регулирования машин появилось устройство, позволяющее повышать качество работы особенно в случаях быстропротекающих переходных процессов.

Д. Максвэлл (англ. физик) в 1868 г. в своей научной работе «О регуляторах», применив линеаризацию (рис. 1.4), создал метод малых колебаний. Суть метода линеаризации в том, что при малых отклонениях величины x реальную кривую возможно заменить участком прямой (ошибка при этом y y ' 0 при ). Таким образом, можно понижать степень уравнений до первой (т. е. заменять на участках кривые уравнениями прямой). Это в дальнейшем позволило решать задачи регулирования, представленные дифференциальными уравнениями высокого порядка.

Рис. 1.4. Суть метода линеаризации в задачах регулирования Далее, после упрощения системы дифференциальных уравнений путем понижения их порядка, анализ сводился к переходу при помощи операторной формы записи к алгебраическим уравнениям и последующему их исследованию. Если действительные части корней алгебраического уравнения, являющегося характеристическим для исследуемой системы, меньше нуля, то система устойчива. Максвелл в своих физикоматематических описаниях процессов регулирования забежал вперед развития техники регулирования, так как занимался астатическим регулятором непрямого действия без обратной связи, т. е. крайне сложной задачей, не имеющей аналога в технике. На практике эти регуляторы так и не нашли применения из-за большого перерегулирования в условиях переходных процессов и неустойчивости работы системы автоматического регулирования скорости. Но первые кирпичики в здание теории регулирования были положены.

В период 1870–1880 гг. в Петербурге математическая школа под руководством П. Л. Чебышева занималась прикладными вопросами техники регулирования, так как эти вопросы стали чрезвычайно актуальными в связи с появлением паровых машин и турбин большой мощности. В работе «О центробежном уравнителе» Чебышев теоретически показал пути снижения неравномерности работы регулятора Уатта, тем самым, заложив основы метода проектирования регуляторов и его расчета. В дальнейшем один из талантливых учеников Чебышева А. М. Ляпунов станет ведущим ученым в этой области.

В 1877 г. И. А. Вышнеградский (профессор Петербургского технологического института, министр просвещения России, он же автор планиметра – прибора для определения площади индикаторной диаграммы двигателя) публикует статью на трех европейских языках «О регуляторах прямого действия». Он умышленно не учитывает силы сухого трения и составляет систему дифференциальных уравнений третьего порядка для системы автоматического регулирования двигатель регулятор. Вышнеградский выводит характеристическое уравнение в безразмерном виде третьей степени с двумя постоянными коэффициентами и, определяющими работу системы регулирования двигателя с центробежным регулятором прямого действия. В результате им получена диаграмма устойчивости (рис. 1.5), которой пользуются в настоящее время и которая носит его имя.

Рис. 1.5. Общее представление о диаграмме Вышнеградского Вышнеградский положил начало изучению переходных процессов регулирования (динамики систем автоматического регулирования частоты вращения (САРч) двигателей внутреннего сгорания) и заслуженно считается основоположником классической теории автоматического регулирования.

Важнейший вклад в эту новую область знаний внесли работы ученика Чебышева А. М. Ляпунова по теории устойчивости движения возмущенной САРч. Они были в дальнейшем обобщены в фундаментальной книге Ляпунова «Общие задачи об устойчивости движения» в 1948 г.

В период 1880–1890 гг. появляется необходимость в регуляторах непрерывного действия с большими перестановочными усилиями на выходе. Начинают применяться регуляторы непрямого действия (РН), состоящие из двух последовательно соединенных элементов: чувствительного измерителя скорости вращения вала машины и усилителя мощности, как правило, гидравлического типа (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Функциональная схема регулятора непрямого действия без обратной связи Усилитель мощности (см. рис. 1.6) состоит из управляющего устройства (УУ) и исполнительного механизма (ИМ). Выходная координата S связана с органом управления подачей топлива или пара. Рабочее тело (масло), имея высокое давление и действуя на поршень достаточно большого диаметра, обеспечивает высокое значение перестановочной силы, что позволяет управлять мощными машинами. Новый режим работы, например, устанавливается после многократных движений механизма, когда, наконец, координата S будет соответствовать новой нагрузке, а золотник УУ займет нейтральную позицию. Это возможно только тогда, когда восстановится скоростной режим. Следовательно, статическая характеристика будет астатической, 0. Однако, из-за неустойчивой работы объекта с РН без обратной связи, так и не удалось обеспечить качественную работу объекта регулирования. Но в практике вскоре нашлось весьма простое решение: введение так называемой обратной связи (ОС), которая представлена на рис. 1.7, а. Как видно из рис. 1.7, а, жесткая обратная связь обеспечивает воздействие от перемещения силового поршня ИМ на золотник УУ (ось вращения находится на муфте регулятора).

По окончании переходного процесса регулирования золотник должен занять нейтральную позицию при новом положении силового поршня, соответствующем новой нагрузке. Это возможно лишь при условии, что восстановится статическая характеристика чувствительного элемента, всякому положению силового поршня будет соответствовать новое значение угловой скорости регулятора. Если рассматривать процесс регулирования в замедленном режиме, то увидим, что начавшееся движение поршня ИМ через обратную связь как бы само себя останавливает (процесс вывода на новый режим происходит как бы малыми шагами до наступления равновесного состояния, когда поршень выходит на положение новой нагрузки, а золотник находится в нейтральной позиции).

Рис. 1.7. Функциональные схемы регуляторов непрямого действия:

а) – с жесткой обратной связью (ЖОС); б) – с гибкой обратной связью (ГОС) В настоящее время широкое применение получили регуляторы непрямого действия с гибкой обратной связью (см. рис. 1.7, б). Отличие их от ЖОС во введении в обратную связь катаракта и пружины (так называемого в технике изодрома). Поэтому РН с ГОС часто называют изодромными регуляторами. Процессы в регуляторе быстротечны, и РН с ГОС на первых шагах регулирования ведет себя как РН с ЖОС (в катаракте не успевает перетекать через иглу масло, что вызывает деформацию пружины). И переходный процесс, предварительно закончившись по принципу ЖОС, продолжается до тех пор, пока силовой поршень не займет новую позицию, золотник окажется в нейтральном положении, а частота вращения будет соответствовать исходной. Вот почему статическая характеристика будет астатической, т. е. 0, и будет иметь место точное регулирование. Если же перекрыть иглу катаракта, то ОС превратится в ЖОС и тогда 0. При полностью открытой игле будет иметь место 0 (регулятор без ОС) при низком качестве регулирования.

Появляются работы М. Н. Леоте (франц., исследовал нелинейности, связанные с работой ИМ и УУ), Н. Фарко (франц., предложил использование ЖОС), А. Стодола. Последний перенес и развил идеи своего времени на регуляторы непрямого действия, он получил характеристическое уравнение до 6-го порядка, затем сводил порядок системы уравнений путем упрощений до 3-го порядка и затем пользовался диаграммой Вышнеградского.

Желая получить метод исследования сходимости (устойчивости) процессов регулирования, описываемых системой дифференциальных уравнений, А. Стодола обратился к А. Гурвицу (математику Цюрихского политехникума). И тот в удобной детерминантной форме, пригодной для характеристического уравнения любой степени, записал условие сходимости.

Несколько иным путем и примерно в тот же период времени другой немецкий математик Рауз (в литературе можно встретить написание Раут) пришел к решению поставленной задачи. Поэтому указанные критерии в дальнейшем стали называть критериями сходимости РаузаГурвица. Теперь А. Стодола смог завершить свои теоретические исследования регуляторов скорости, проверить действенность теории путем эксперимента на конкретных моделях регуляторов. Считается, что именно он, опираясь на работы Вышнеградского, к началу ХХ века создал теоретические основы классической теории регулирования.

С 1906 по 1909 гг. в МВТУ и МГУ (г. Москва) проф. Н. Е. Жуковский (отец русской авиации) издает лекции по курсу «Теория регулирования хода машин». Эти лекции нашли широкое использование не только при подготовке специалистов, но и в практике проектирования регуляторов скорости.

В 1922 г. создано Всесоюзное объединение тяжелого машиностроения, в состав которого вошли 18 заводов, изготавливающих двигатели, и 13 научных организаций.

Следует отметить основные вехи дальнейшего развития теории автоматического регулирования в нашей стране. На заводах дизелестроительной промышленности создаются многочисленные типы регуляторов для выпускаемых двигателей (это Петербургский завод братьев Нобель, в дальнейшем з-д «Русский дизель», Коломенский завод, бывший завод «Фельзер» в г. Рига, эвакуированный перед Отечественной войной в Нижний Новгород и получивший название завод «Двигатель революции», и др.). Созданы научно-исследовательские организации. Например, в 1924 г. под руководством Л. К. Мартенса создана Ленинградская лаборатория тепловых двигателей, которая далее была реорганизована в центральный научно-исследовательский дизельный институт (ЦНИДИ).

Именно здесь в 1937 г. создается отдел автоматического регулирования и управления дизельных установок. Создаются регуляторы скорости, температуры масла и воды, системы аварийно-предупредительной сигнализации и защиты (АПС), системы дистанционного автоматизированного управления дизелями (ДАУ), приемные и исполнительные устройства автоматики. В ЦНИДИ разрабатываются отечественные дизели, в том числе автоматизированные дизель-генераторы, внедряются в эксплуатацию системы АПС и ДАУ. Там же разработаны под руководством А. М. Каца, Л.

В. Гендлера и Е. С. Ковалевского различные автоматические регуляторы частоты, а на заводе в г. Саратове создано производство унифицированных регуляторов типа РН-30, не уступающих всемирно признанной фирме «Вудворд». Внедрены методы проектирования систем автоматического регулирования частоты, температуры воды и масла. В Ленинграде создан центральный научно-исследовательский институт топливной аппаратуры (ЦНИТА), в котором также работает отдел регулирования автотракторных дизелей. Создаются институты НАМИ (научно-исследовательский автомоторный институт, г. Москва), НАТИ (научно-исследовательский автотракторный институт, г. Москва) и другие ведущие научные организации.

В 1932 г. под руководством академика А. А. Чернышева создан научно-исследовательский институт телемеханики, и уже в этом году утверждается организационный комитет во главе с академиком Г. М.

Кржи-жановским для созыва Всесоюзных конференций по вопросам автоматики в отдельных отраслях промышленности.

С 1939 г. начат выпуск журнала «Автоматика и телемеханика», а в 1939 г. образован Институт автоматики и телемеханики Академии наук СССР. В 1938–1939 гг. опубликованы две работы А. В. Михайлова, которые вошли в анналы мировой науки, а предложенный им критерий устойчивости положил начало широкому применению частотных методов в теории автоматического регулирования.

Благодаря вкладу отечественных ученых (М. А. Айзерман, Я. З. Ципкин, В. В. Солодовников и др.) были внедрены методы структурного анализа систем автоматики. Разработана теория связанного прямого и непрямого регулирования (теоретические труды А. А. Андронова, Б. В. Булгакова, А. Г. Майера, А. И. Лурье, Г. Г. Калиш, В. И. Крутова, практические разработки Н. Н. Настенко, А. М. Кац, В. А. Колосова и многих других инженеров дизелестроения).

На базе теории автоматического регулирования появилась новая наука – техническая кибернетика (наука об управлении), а применение электронно-вычислительной техники положило начало новой эры – применению электронных регуляторов и систем управления объектами. Скорость переработки информации здесь настолько велика, что возможен поиск оптимального режима работы с оптимизацией параметров системы и самоприспосабливанием (адаптацией) к режиму. Роль отечественной науки в становлении теории регулирования подчеркивает состоявшийся в Москве (1960 г.) мировой конгресс по вопросам автоматического управления.

Уважаемые студенты, Ваша дальнейшая работа с новой техникой определяет будущее страны, так как решение проблем и практических вопросов регулирования ДВС и управления ими с учетом эксплуатационных условий работы имеет колоссальное значение для будущего развития.

В настоящее время, например, не решены такие вопросы, как:

1. Обеспечение максимальной эксплуатационной надежности автоматики.

2. Неустановившиеся режимы двигателей, их оптимальное регулирование и управление ими на этих режимах.

3. Максимальная производительность, экологичность и экономичность дизелей (т. е. эффективность их использования).

4. Обеспечение, выбор и поддержание наивыгоднейших режимов работы, а также автоматизация синхронной работы нескольких Задание для самостоятельной работы 1. Перечислите имена тех, кто внес вклад в развитие отечественной науки и практики в области регулирования двигателей.

2. Роль И. И. Ползунова и Д. Уатта в создании первых автоматических регуляторов.

3. В чем отличие регуляторов прямого действия от регуляторов непрямого 4. Охарактеризуйте принцип Ползунова-Уатта.

5. Как работает регулятор прямого действия?

6. Как работает регулятор непрямого действия?

7. Что дает применение в регуляторах непрямого действия обратных связей (жесткой и гибкой)?

8. Назначение катаракта, принцип его работы.

9. С какой целью вводится в конструкцию регуляторов катаракты?

10. Перечислите научно-производственные организации в России, занимающиеся вопросами регулирования.

11. Ваше представление о задачах двигателестроения в области автоматических регуляторов.

12. Назовите имена отечественных ученых в области регулирования, вошедших в анналы мировой науки.

§ 2.1. Общие представления о функциональных Анализ цепи передач воздействий (возмущений) от элемента к элементу системы САРч, а также анализ свойств и характеристик основных элементов в отдельности позволяет изучить работу системы автоматического регулирования (САР) в целом и ее элементов. Система автоматического регулирования обеспечивает работу механизма (агрегата) по заданному режиму с сохранением необходимых значений параметров, характеризующих этот режим. Сам агрегат является при этом регулируемым объектом (О). САР состоит как минимум из объекта и регулирующего устройства (автоматического регулятора – Р). Воздействие на объект Р обеспечивается через регулирующий орган (РО), который изменяет подвод или отвод энергии ( qп, qот ) к О. Например, РО изменяет подачу топлива, подвод пара, проходное сечение и т. п.

Параметр, который поддерживается САР в заданных пределах, называется регулируемым параметром. При этом регулируемый параметр конкретизирует назначение САР, например, САРч – система автоматического регулирования частоты (это самая сложная из всех САР, именно с изучения этой системы регулирования развилась теория автоматического регулирования, в дальнейшем своем развитии перешедшая в научное направление «кибернетика»), САРт – температуры, САРд – давления. Причина, заставляющая О выйти из заданного режима, называется возмущением.

Характерными видами возмущения могут быть «толчок», «скачок», гармонические колебания и т. п. На рис. 2.1 представлена структурная схема классической САР.

САР или ее элементов на уровне эскиза или чертежа, что крайне удобно для понимания работы изделия.

Под с т р у к т у р н о й с х е м о й понимается простейшее представление элементов в виде прямоугольников, окружностей, стрелок и других обозначений, в том числе буквенных.

Стрелки на структурной схеме указывают направление возмущения и отработки элементами САР этих возмущений. В САР имеются обратные связи. Но обратная связь, проходящая через регулятор, называется главной обратной связью. Так, на рис. 2.1 главная обратная связь проходит от выходной координаты объекта y 0, через кинематическую пару с коэффициентом статической передачи Kc3, через регулятор Р, кинематическую пару с Kc1, регулирующий орган РО и кинематическую пару с Kc 2 на входную x0. Дополнительная обратная связь проходит от выкоординату объекта ходной координаты О через кинематическую пару Kc 4 на координату входа в объект yн.

Из структурной схемы САР следует, что она является замкнутой системой звеньев направленного (детектирующего) действия. На структурной схеме показаны входные и выходные координаты звеньев или в абсолютном (размерном), или в относительном (безразмерном) выражении.

Желательно вводить безразмерные выражения, которые обозначаются прописными буквами.

Объект имеет координаты входа ( x0 ) и нагрузки ( H или ), а также координату выхода ( yo ). Координата указывает, что объект работает на потребителя.

Условные обозначения на структурной схеме позволяют представить взаимодействие на ней элементов.

§ 2.2. Представление элементов регулирования и их характеристик Объект регулирования, например, двигатель, компрессор, котел и другие, является главным звеном системы автоматического регулирования, поэтому становится очевидным важность знания характеристик и свойств О. Как правило, О представляют в виде структурной схемы (рис. 2.2, а) с входными координатами подвода и отвода энергии и выходной координатой в виде регулируемого параметра [3]. Соответственно выделяют канал регуляторной проводимости с коэффициентом статичеK ox и канал нагрузочной проводимости с коэффициентом ской передачи статической передачи Рис. 2.2. Структурная (а) и функциональная схемы (б) объекта В данном случае в качестве объекта (рис. 2.2, а) выбрана емкость, в которую поступает жидкость через регулируемый вентиль 1 с текущим проходным сечением f п (подвод энергии qп, где qп – расход жидкости), из емкости уходит определенное количество жидкости через вентиль 2 с проходным сечением (отвод энергии qот ). В зависимости от qп и qот в емкости будет меняться уровень жидкости h (регулируемый параметр или выходная координата объекта).

Например, для судового двигателя под qп понимается эффективный крутящий момент на коленчатом вале, под qот – момент сопротивления винта, в зависимости от их соотношения установится значение частоты вращения (выходная координата y o ).

Через первый канал осуществляется подвод энергии (подача топлива). Это канал регуляторной проводимости, именно по нему регулятор, изменяя подачу топлива, обеспечивает подвод энергии.

Отвод энергии (ее потребление) осуществляется винтом. Это канал нагрузочной проводимости, он обеспечивает отвод энергии.

Оба канала, как правило, работают независимо друг от друга. Поэтому возможно конечный эффект по изменению выходной координаты оценивать как сумму работы обоих каналов (принцип суперпозиции).

Рассмотрим подробнее работу объекта (рис. 2.2, б). На базе уравнения Бернулли построим семейство расходных характеристик для qп при постоянном напоре с противодавлением h (здесь под qп имеем расход жидкости через вентиль с f п ) – при фиксированном положении вентиля f от (рис. 2.3, а). Перестроим графики исходя из того, что точки пересечения определяют равновесные режимы работы (рис. 2.4, а). Например, для рис. 2.3, а точка пересечения характеристики подвода энергии при f п с характеристикой отвода энергии определится уравнением qп qот 0.

Это выражение называется уравнением статики объекта, а регулируемый параметр определится как yo h3. Запишем уравнение статики для канала регуляторной характеристики (рис. 2.4, а), предполагая линейность кривой, состоящей из равновесных точек:

Аналогично представим уравнение статики для канала нагрузочной проводимости (рис. 2.4, б):

Рис. 2.3. Характеристики подвода и отвода энергии объекта Рис. 2.4. Статические характеристики каналов передачи объекта При совместной работе каналов, используя принцип суперпозиции, получим уравнение статики объекта Полученное уравнение называется уравнением статики объекта.

Знаки членов правой части уравнения (2.2) определятся направленностью воздействия каждого канала на выходную координату. Тогда Например, для двигателя уравнение запишется как Таким образом, целесообразно введение понятия, определяющего поведение любого элемента САР – статической характеристики. Статическая характеристика – это зависимость регулируемого параметра от входной координаты того или иного канала проводимости при фиксированном (выключенном) третьем канале проводимости, определенная во всем диапазоне регулирования. Например, для регулятора (см. рис. 2.1) это Для оценки устойчивости объекта и регулятора в статике вводится параметр – фактор устойчивости, обозначаемый буквой F с соответствующим индексом (рис. 2.5).

Пересечение кривых qп и qот в соответствии с уравнением статики определит равновесный режим. Внесение возмущения y в ту или иную сторону в случае рис. 2.5, а приведет к нарушению баланса подвода и отвода энергии и соответствующему восстановлению исходного режима.

Говорят, элемент обладает положительным самовыравниванием (фактор устойчивости F 0 ).

Положение шарика на выпуклой поверхности (геометрическая интерпретация ситуации на рис. 2.5, в) неустойчиво. Фактор устойчивости F 0. Случай рис. 2.5, б определяет F 0 или безразличный режим, когда возмущение переводит шарик в другое положение.

Рис. 2.5. Геометрическая интерпретация устойчивости элемента САР Предложено оценивать статическую устойчивость элемента САР соотношением [1] У регулятора входные координаты ( x р ) и ( y зад ). В регуляторах координату y зад называют координатой задания или настройки регулятора, она определяет выбор и положение его статической характеристики и, следовательно, диапазон работы.

Кинематические пары (маленькие окружности) могут быть различного типа, например, шестеренная передача с коэффициентом статической коэффициент статической передачи – это отношение выходной координаты к входной при фиксированной третьей координате, если таковая имеется.

Каждое звено САР имеет свой коэффициент статической передачи.

Например, для регулятора K р. Если размерности входной и выходxр ной координаты различны, то выражение приводят к безразмерному виду.

Так, y р имеет размерность метры, x р – секунда в минус первой степени и В выражение вводят номинальные паспортные параметры элемента, определяющие весь диапазон его изменения. Кинематические пары имеют физический смысл, например, пара вида читается как черненная часть «лампочки» и обозначает отрицательное значение обратной связи, САР может находиться в состоянии равновесия или в состоянии переходного процесса (статика и динамика регулирования). Вследствие внесенного в САР возмущения происходит отработка всех звеньев системы на это возмущение.

Структурная схема наглядно отражает участие и роль каждого звена и элемента в данном процессе регулирования. При изучении САР рассматривают отдельно свойства всех звеньев, образующих систему как в равновесных режимах (статика), так и на переходных режимах (динамика).

Зная статику и динамику каждого звена САР, можно выполнять анализ (разложение на простейшие элементы) и синтез (структурирование и создание) сложных систем.

На основании вышеизложенного составим уравнение статики простейшей САР для структурной схемы, представленной на рис. 2.1 (обратную связь по объекту не принимаем во внимание).

Составим систему уравнений, описывающих статику всех звеньев системы автоматического регулирования.

Подставив в первое уравнение xо из последнего уравнения и далее вместо y ро его значение из предпоследнего уравнения и т. д., получим выражение САР является замкнутой системой, составленной из конечного числа звеньев, при этом главная обратная связь проходит от выходной координаты объекта через регулятор на входную координату и является отрицательной. Обозначим через K произведение коэффициентов статической передачи последовательно расположенных элементов (как бы для разомкнутой цепочки звеньев):

где K – коэффициент статической передачи так называемой «разомкнутой» САР.

Тогда вместо системы уравнений получим выражение получим вместо системы уравнений уравнение статики САР структурная схема САР упростится до вида прямоугольника, когда входной координатой будет, а выходной y, коэффициент статической передачи будет K з. Полученное выражение справедливо для САР с любым количеством звеньев. При астатическом регуляторе K p, и тогда K з 0, т. е. тогда отсутствует зависимость выходной координаты от нагрузки, 0 (точное регулирование). Если через регулятор будет проходить положительная обратная связь, то K будет противоположного знака и определится как § 2.5. Анализ статики систем автоматического регулирования САР могут быть представлены в виде разветвленных цепочек из звеньев, взаимодействующих между собой в соответствии с общей структурой. Если известны статические характеристики каждого звена и всех кинематических элементов и их коэффициенты статической передачи (коэффициенты усиления), то возможно существенное упрощение структурной схемы при переходе на ее эквивалентный аналог с K з (рис. 2.6, в).

П о с л е д о в а т е л ь н о е с о е д и н е н и е з в е н ь е в направленного (детектирующего) действия представлено на рис. 2.6, а.

Такое соединение заменяется эквивалентом в виде элемента с коэфi фициентом статической передачи K K i, где – произведение, i – количество элементов цепочки.

рис. 2.6, б. Такое соединение заменяется эквивалентом в виде элемента с коэффициентом статической передачи K K i.

З а м к н у т а я с и с т е м а (САР) с о т р и ц а т е л ь н о й о б р ат н о й связью, проходящей через регулятор, представлена на рис. 2.6, в.

Данная САР заменяется эквивалентом с коэффициентом статической передачи замкнутой системы K з. Уравнение статики САР запишется как Звено, охваченное отрицательной обратной связью (рис. 2.6, г), имеет эквивалент, описываемый уравнением Замкнутая система с положительной обратной связью (рис. 2.6, д) заменяется эквивалентом Звено, охваченное положительной обратной связью (рис. 2.6, е), заменяется эквивалентом Таким образом, в результате анализа возможно упрощение сложных структур автоматического регулирования и управления, получение уравнения САР, исследование статических характеристик и выработка практических рекомендаций, направленных на повышение качества регулирования.

При наличии нелинейных статических характеристик отдельных элементов САР (например, объекта или регулятора, это характерно для элементов автоматики) анализ производится с использованием метода кусочной аппроксимации, т. е. реальную характеристику заменяют на участках прямолинейной статической характеристикой.

Обратными действиями на основании известных статических характеристик элементов САР возможно структурирование сложных систем автоматического регулирования.

Рис. 2.6. Варианты эквивалентной замены звеньев и структур:

а – последовательное соединение элементов; б – параллельное соединение элементов;

в – замкнутый контур САР с отрицательной обратной связью; г – звено, охваченное отрицательной обратной связью; д – замкнутый контур САР с положительной обратной связью; е – звено, охваченное положительной обратной связью Следует особо выделить вопрос об устойчивости САР и ее элементов. Если после переходных процессов, вызванных внесенным в САР возмущением, наступает равновесный режим, то говорят, что САР устойчива. Если возникает расходящийся процесс, то САР определяют как неустойчивую. В случае вывода системы на режим незатухающих периодических колебаний считают, что САР является консервативной системой.

На практике реализуются три вида задач регулирования.

1. Статическое регулирование а) Статическое регулирование – это регулирование с определенной ошибкой, которую называют степенью неравномерности регулирования или статизмом САР (рис. 2.7). В некоторых случаях ошибку регулирования называют наклоном статической характеристики.

При этом зависимость y0 f, полученную для САР на рис. 2.7, при работе объекта на регуляторе с фиксированной координатой задания ( yзад const ) называют статической характеристикой САР или регуляторной характеристикой. При изменении режима нагружения (в данном случае путем последовательного динамического наброса нагрузки от 1 до 3 ) после некоторого переходного процесса с динамическим забросом параметра y0 устанавливается равновесный режим при y1, y 2 и y3 соответственно. Регулируемый параметр при изменении нагрузки не восстанавливается, имеет место ошибка регулирования. В данном случае при статическом или динамическом переходе от нулевой нагрузки до полной ( 1 ) y0 изменится на величину 0,6 (или на 60 %). Степень неравномерности статической характеристики САР (или ее статизм, или ее наклон к оси регулируемого параметра, или остаточная ошибка регулирования) будет равна 60%.

б) Астатическое регулирование, т. е. регулирование, при котором ошибка регулирования равна нулю при любом изменении нагрузки (рис. 2.8).

Наклон статической характеристики САР, выраженный величиной ее проекции на ось y 0, равен нулю. По сути, это частный случай статического регулирования. Это точное регулирование при степени неравномерности характеристики 0 %. При переходе с одного режима нагружения на другой имеет место переходный процесс с динамическим забросом регулируемого параметра.

2. Программное регулирование (рис. 2.9) Программа задается функцией или таблично. Реализуется на базе микропроцессорных комплектов (МПК) в современных системах автоматизации.

3. Системы позиционного (релейного) регулирования (рис. 2.10) Например, в САРд (системе автоматического регулирования давления пара во вспомогательном котле с электрическим подогревом) регулируемый параметр давление пара y0 поддерживается в рабочем диапазоне путем включения – выключения электрического нагреватеy0 ymax ymin ля. Темп возрастания – падения давления определяется величиной потребления пара (нагрузкой ), в результате чего скважность подачи тока 0 t, t 2 t3 и t 4 t5 различна во времени. САР обеспечивает поддержание давления пара в пределах заданной степени неравномерности статической характеристики (статизма) САРд где yo,ном - номинальное (паспортное) давление пара.

Если ось ординат имеет безразмерный вид, то В отличие от САР, представленной на рис. 2.1, система автоматизированного управления (САУ) предполагает внедрение интеллектуального интерфейса между пользователем, программным устройством и САР (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Структурная схема автоматизированного управления Система автоматического управления предполагает, в отличие от автоматизированного управления, введение многочисленных обратных связей от объекта к программному устройству с исключением роли вахтенного с его воздействием на координату режима y реж программного устройства (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Структурная схема автоматического управления Системы автоматизации должны удовлетворять следующим основным требованиям Регистра РФ и других надзорных органов:

Повышению технической и эксплуатационной эффективности использования технических средств, безопасности работы и плавания при улучшении условий труда и быта экипажа или обслуживающего персонала.

Повышению количественных показателей надежности, связанных с возрастанием отрыва судов от береговых баз:

срок службы систем автоматизации без регулировок и разборки не менее 7000 ч, а общий ресурс работы должен быть равен ресурсу объекта;

средства автоматизации должны нормально функционировать при крене до 20° (при длительном крене –15°) и дифференте до 10°;

средства автоматизации должны нормально функционировать в условиях вибрации с f 20 Гц при амплитуде 0,5 мм и выдерживать удары с ускорением до 70 м/с2 при t мко до 60 °С и влажности воздуха до 95 %;

средства автоматизации должны соответствовать Правилам приемки Регистра РФ и других надзорных органов, наблюдения и освидетельствования;

исполнение должно быть искро- и взрывобезопасным и защищенным от влаги, паров масла и топлива;

в средствах автоматизации должна предусматриваться возможность ручного вмешательства в процесс управления;

для питания средств автоматизации должен предусматриваться резервный источник, включаемый в работу автоматически за t 10 с;

усилия на задающих органах средств автоматизации должны быть в пределах 30–50 Н;

технические требования к характеристикам и показателям индивидуальны для каждой системы и объекта, исходя из характера и условий работы согласно государственным стандартам или ведомственной нормативной документации;

средства автоматизации должны обеспечивать алгоритм управления согласно с инструкциями, т. е. должны обеспечивать технически правильный алгоритм функционирования (с исключением опасных перегрузок и аварийных состояний);

для средств автоматизации должны быть оговорены требования по точности задаваемого режима, времени отработки задания и т. д.

Если САР (САУ) сама определяет наивыгоднейшее для данных условий эксплуатационное значение координаты y зад и способна перенастраиваться, то ее называют самонастраивающейся (адаптивной) или оптимизирующей системой. Применение микропроцессорных САУ в этом плане является перспективным.

В целом, вопросы автоматизации связаны с осуществлением функций управления, контроля и защиты объектов, что в обобщенном виде наглядно представлено на рис. 2.13.

Главными функциями управления, контроля и защиты являются:

– автоматическое или автоматизированное управление;

– сигнализация, индикация или регистрация основных параметров работы силовой установки;

– снятие, ограничение или блокировка нагрузки.

При этом параметры постоянно или периодически выводятся на штатные приборы, индикаторные или световые табло, а также распечатываются.

Защита Рис. 2.13. Структура и виды управления, контроля и защиты Следует особо остановиться на способах регулирования процессов в судовой автоматике.

1) регулирование по отклонению регулируемого параметра от заданной величины, в теории регулирования этот способ известен как принцип И. Ползунова – Д. Уатта;

2) регулирование по скорости изменения регулируемого параметра (способ братьев Сименс);

3) регулирование по ускорению регулируемого параметра;

4) регулирование по изменению нагрузки (способ Понселе).

На практике реализуется принцип Ползунова – Уатта, реже в совокупности с 3-м и 4-м способами. Самостоятельно 2, 3 и 4-й способы уже не применяются.

Зная цепь передачи воздействий в САР и зная относительные характеристики элементов, можем построить, например, характеристику системы, т. е. для этого необходимо поэлементное познание связей в объекте регулирования (рис. 2.14).

Противоположными действиями на основании известных статических характеристик элементов САР возможно структурирование сложных систем автоматического регулирования. Этот подход называют синтезом структурных схем. На рис. 2.14 в простейшем виде показан механизм создания САР из элементов автоматики с известными свойствами и характеристиками.

Исходя из известных статических характеристик элементов простейшей САР (для объекта – это семейство нагрузочных характеристик, для получаем с т а т и ч е с к у ю х а р а к т е р и с т и к у САР. Это зависимость момента двигателя как функция частоты вращения коленчатого вала M f (), полученная для всего диапазона регулирования при работе двигателя на регуляторе при фиксированном значении координаты задания yзад const.

Эту зависимость также называют р е г у л я т о р н о й х а р а к т е р и с т и к о й двигателя. Как следует из рис. 2.14, параметры регуляторной характеристики определяются частными характеристиками составляющих САР элементов. Следовательно, при синтезе возможен целенаправленный выбор и корректирование характеристик элементов с целью оптимизации параметров проектируемой (модернизируемой) САР.

Рис. 2.14. Синтез статической характеристики САР на базе статических Наклон же статической характеристики регулятора при этом определяет степень неравномерности регуляторной характеристики. Следует поставить задачи для последующего изучения курса:

1. Общие требования к САРч и характеристики элементов системы.

2. Двигатель как объект регулирования.

3. Измеритель скорости с его элементами.

4. Динамика двигателя, регулятора и САРч в целом.

5. Устойчивость системы автоматического регулирования.

Задание для самостоятельной работы Что собой представляет функциональная схема САР?

Что собой представляет структурная схема САР?

Какими условными элементами представлена структурная схема САР?

Как представляют на структурных схемах элементы САР?

Дайте понятие о характеристиках подвода и отвода энергии.

Что собой представляют статические характеристики каналов передачи объекта?

7. Дайте представление об устойчивости элементов САР с использованием статических характеристик.

8. Дайте понятие «статическая характеристика».

9. Дайте понятие об уравнении статики элемента САР.

10. Понятие об уравнении САР.

11. Как упростить сложную структурную схему САР с использованием стандартных эквивалентов?

12. Перечислите виды задач регулирования.

13. В чем отличие статического регулирования от программного регулирования сложных объектов?

14. Поясните принцип и работу автоматизированного управления по структурной схеме.

15. Поясните работу автоматического управления по структурной схеме.

16. В чем заключается задача синтеза (анализа) САР?

Глава 3. ТЕРМИНОЛОГИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ,

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К САРч

Системой автоматического регулирования скоростного режима работы двигателя называется совокупность взаимодействующих элементов (как минимум объект и автоматический регулятор), предназначенных для поддержания в заданных пределах частоты вращения ( ) коленчатого вала. Здесь – регулируемый параметр, сам ДВС – регулируемый объект.

Регулятор является отдельным элементом системы. Это устройство, воспринимающее отклонение регулируемого параметра от заданной величины и вырабатывающее автоматически воздействие, исключающее это отклонение. Регулятор, как правило, состоит:

1. Из чувствительного элемента (центробежный измеритель скорости – частный, но очень распространенный случай), который воспринимает отклонение регулируемого параметра от заданной величины и реагирует на это воздействие.

2. Привода на орган управления дизеля (рейка топливного насоса высокого давления).

3. Сервомотора (усилителя мощности – УМ) в случае, когда усилие, развиваемое чувствительным элементом, недостаточно для перемещения органа управления. Тогда регулятор называется регулятором непрямого действия (РН).

4. Устройства, позволяющего осуществлять настройку регулятора на определенную величину регулируемого параметра (координата задания).

5. Катаракта, как правило, с приводом через пружину (так называемый упруго присоединенный катаракт).

6. Устройства для настройки статизма (например, включение дополнительной пружины для изменения жесткости главной).

В практике регулирования частота вращения обозначается как (1/с), но так как по настоящее время принято измерять частоту вращения по используемым приборам как n (об/мин или 1/мин), то в дальнейшем будем применять параметры и n. Как правило, органы настройки либо изменяют предварительную затяжку пружины, либо воздействуют на кинематические связи между элементами регулятора.

Органы, связывающие во время работы регулируемый объект с регулятором, а также отдельные элементы регулятора между собой, называются соединительными элементами, а остальные органы, обслуживающие САР, – вспомогательными органами (например, масляный насос, обратные клапаны).

В общем случае при помощи регулятора устанавливается (ограничивается) скорость вращения двигателя и основной функцией регулятора является стабилизация скорости.

Под средним числом оборотов (частотой) будем понимать скорость установившегося движения вала или n (за период времени t 3 60 с).

Под мгновенной частотой вращения – скорость вращения за интервал времени между вспышками в цилиндрах.

Зависимость между установившимися значениями относительного хода муфты регулятора (относительным перемещением муфты) и (относительной скоростью вращения), определенная во всем диапазоне регулирования при фиксированной настройке регулятора узад const, а (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Статическая характеристика регулятора:

а – общий случай; б – частный случай, как правило, для приборов Это определение соответствует ГОСТ 10511-83 и используется применительно к дизелям судовым, тепловозным, стационарным и промышленного назначения. Аналогичная зависимость (рис. 3.2), связывающая относительный крутящий момент (мощность) дизеля (или )с Рис. 3.2. Статическая характеристика САРч (регуляторная характеристика) Эта характеристика устанавливается для дизель-генераторов следующим образом. Выводят дизель на 50 % – ную нагрузку (0,5 о. е.), например, при номинальных оборотах 750 об/мин (1 о. е.) путем воздействия на орган настройки регулятора (координату задания). При снятии нагрузки, если орган настройки статизма установлен, на 3 %, частота вращения вала на режиме холостого хода составит 761 об/мин (1,01 о. е.), после нагружения на 100 % – 737 об/мин (0,98 о. е.). Таким образом, Измерения частоты вращения коленчатого вала производятся при помощи тахоскопа со стороны переднего открытого конца вала.

Для судового дизеля настройка номинальной регуляторной характеристики производится так, что 100 % – ная нагрузка соответствует номинальной частоте вращения, а обороты холостого хода соответствуют установленному статизму регулятора (степени неравномерности его статической характеристики). Например, для судовых дизелей статизм составляет 6–10 %. Тогда при статизме 6 % nxx составят С т е п е н ь н е п р я м о л и н е й н о с т и (%) статической характеристики определяется путем соединения конечных точек характеристики прямой и проведения ей параллельной линии в касание к кривой хаn рактеристики (см. рис. 3.2): 100 %.

На рис. 3.3 представлена диаграмма переходного процесса системы автоматического регулирования частоты дизель-генератора. На диаграмме во времени записано изменение частоты вращения (мгновенная скорость). Согласно ГОСТ 10511-83 вводятся параметры переходного процесса – степень нестабильности частоты вращения, длительность переходного процесса и заброс частоты вращения:

это размах колебаний скорости относительно мгновенного числа оборотов дизеля в установившемся режиме.

набросе и сбросе нагрузки определяется согласно рис. 3.3 как отношение максимальной величины заброса оборотов к номинальной частоте вращения (%);

сбросе нагрузки (с) определяется (рис. 3.3) моментом входа переходного процесса в область допускаемой степени нестабильности частоты вращения конечного режима (табл. 3.1).

Рис. 3.3. Диаграмма переходного процесса САРч (наброс-сброс 100 % нагрузки) Т е х н и ч е с к и е т р е б о в а н и я к С А Р ч. Система автоматического регулирования делится на четыре класса точности регулирования:

1-й Класс точности для САРч с 2-импульсными однорежимными регуляторами (ОРД) и отвечает особо о т в е т с т в е н н ы м требованиям;

2-й Класс точности для однорежимных регуляторов прямого и непрямого действия (ОРП и ОРН) отвечает п о в ы ш е н н ы м требованиям;

3-й Класс точности для ОРП, ОРН, всережимных регуляторов прямого и непрямого действия (ВРН и ВРП) отвечает нормальным требованиям;

4-й Класс точности для ВРП и ВРН и отвечает пониженным требованиям.

Так, допустимая степень непрямолинейности регуляторной характеристики K при 2 %, где K1 0,15 для 1-го и 2-го классов точности, и K1 0,2 для 3-го и 4-го классов точности.

Параметры переходных процессов САРч отражены в табл. 3.1.

№ Наименование параметров переходного процесса п/п системы автоматического регулирования частоты Нестабильность частоты вращения, % (допускаемая) Задание для самостоятельной работы 1. Перечислите общие требования к системам автоматического регулирования частоты вращения дизелей.

2. Дайте определение статической характеристики регулятора.

3. Дайте определение статической (регуляторной) характеристики САРч.

4. Дайте понятие «степень непрямолинейности статической характеристики регулятора».

5. Дайте понятие «степень непрямолинейности статической характеристики САРч».

6. Дайте понятие «степень нестабильности частоты вращения».

7. Дайте понятие «степень нечувствительности автоматического регулятора частоты».

8. Представьте тахограмму переходного процесса САР и определите параметры переходного процесса.

9. Дайте понятие «заброс частоты вращения при набросе нагрузки».

10. Дайте понятие «заброс частоты вращения при сбросе нагрузки».

11. Перечислите технические требования к САРч.

12. Дайте характеристику четырем классам точности САРч и регуляторов.

13. Как отличаются параметры переходного процесса 1-го класса точности от параметров 4-го класса точности?

§ 4.1. Общее представление о статике системы Структурную схему САРч с регулятором прямого действия можно представить в более детальном виде с включением в схему топливного насоса высокого давления и обратной связи, проходящей через него (рис.

4.1).

Рис. 4.1. Структурная схема САРч с регулятором прямого действия Структурная схема САРч с регулятором непрямого действия содержит дополнительные элементы (усилитель мощности) со своими ОС (рис.

4.2). Если двигатель с наддувом, то дополнительно следует включить в схему турбину, компрессор, впускной и выпускной трубопроводы. Анализ взаимодействия элементов схемы очевиден.

Рис. 4.2. Структурная схема САРч с регулятором непрямого действия § 4.2. Характеристики объекта регулирования Таким образом, из представленных структурных схем возможно выделить сам объект регулирования (рис. 4.3) и перейти к анализу его параметров и характеристик. В данном случае – это объект при ручном управлении за счет воздействия на нагрузку (канал нагрузочной проводимости) и рейку ТНВД (канал регуляторной проводимости).

Рис. 4.3. Структурная схема двигателя без наддува ТНВД имеет три характерных координаты (две входных и одну выходную). Через привод насоса с частотой нас проходит обратная связь с коэффициентом статической передачи K c, как правило, ОС положительная. Это приводит к неустойчивой работе двигателя на режимах частичных подач и оборотов (рис. 4.4). На рис. 4.4 представлены статические характеристики ТНВД (они же скоростные характеристики), т. е. зависимости цикловой подачи от частоты вращения кулачкового вала насоса при фиксированном положении рейки ТНВД (ручное управление дизелем). Точка «с» принадлежит номинальной скоростной характеристике, точка «а» принадлежит частичной скоростной характеристике.

Так, при случайном возмущении режима работы дизеля, например при попадании крупного предмета (бревна) на винт, временно снижаются обороты вала и через ОС это приводит к снижению цикловой подачи ( gц ), процесс может продолжаться вплоть до остановки дизеля. При оголении винта временно обороты возрастают и ОС, обеспечивая увеличение подачи топлива ( g ), способствует дальнейшему возрастанию оборотов.

Рис. 4.4. Статические характеристики ТНВД (они же скоростные характеристики) Соответственно, двигатель на режиме «а» неустойчив, без регулятора частоты работа не возможна. А вот на режиме «с» двигатель устойчив.

Определяющим условием является наклон скоростной характеристики ТНВД. Подобные характеристики топливной аппаратуры определяют протекание соответствующих статических характеристик двигателя (т. е.

его скоростных характеристик). Вид потребителя энергии «нагрузка»

также сильно влияет на устойчивость работы дизеля.

Следует выделить три характерных типа потребителей энергии, условно назовем их:

1. Потребители типа м е х а н и ч е с к и й т о р м о з, у которых момент сопротивления не зависит от частоты вращения M c const, а мощность Pc k, где k – коэффициент.

2. Потребители типа э л е к т р и ч е с к и й т о р м о з, у которых момент сопротивления зависит от частоты вращения M c k1, а мощность Pc k2 2 , где k1, k2 – коэффициенты.

3. Потребители типа г и д р а в л и ч е с к и й т о р м о з, у которых момент сопротивления зависит от частоты вращения M c k3 2, а мощность Pc k4 3, где k3 и k 4 – коэффициенты.

На практике любой потребитель энергии может быть охарактеризован как совокупность сочетаний трех типов потребителей (рис. 4.5).

Например, транспортный дизель – это совокупность (сумма) всех трех типов сопротивлений: механические потери в трансмиссии – это 1-й тип, привод электрогенератора – 2-й тип, аэродинамическое сопротивление движению – это 3-й тип сопротивления.

Рис. 4.5. Типы сопротивлений тормозов: 1 – механический; 2 – электрический;

§ 4.3. Фактор устойчивости – определяющий параметр статики чивости двигателя (см. § 2.3). Смысл параметра очевиден из рис. 4.6.

Характерное расположение характеристик двигателя и потребителя на практике соответствует у с т о й ч и в о м у р е ж и м у работы (точка пересечения характеристик), и аналогом этого является шарик, расположенный на вогнутой поверхности. Подобные режимы определяются скоростными характеристиками топливной аппаратуры (см. рис. 4.4, точка «с»), но на частичных режимах при ручном управлении двигателем более характерны неустойчивые режимы (точка «а»). Эти режимы более характерны для транспортных, стационарных, автотракторных и тепловозных двигателей, у которых характеристики потребителя аналогичны 1-му и 2му типам тормозов. Они представлены на рис. 4.7.

Рис. 4.6. Фактор устойчивости двигателя и ее физическая интерпретация:

(устойчивый режим) Применив метод линеаризации с учетом того, что при определения фактора устойчивости:

где M m – масштаб графика по оси ординат; M – масштаб графика по оси абсцисс.

Рис. 4.7. Физическая интерпретация устойчивости режима:

а – неустойчивый режим; б – безразличный режим После замены выражений для тангенсов получим удобную для использования формулу определения фактора устойчивости двигателя:

Для любого режима работы F можно определить, для чего следует провести касательные к точке пересечения кривых, найти значения тангенсов углов с учетом масштабов по осям и подставить в формулу. Или можно определить приращения моментов на выбранном конечном интервале и подставить полученные значения в формулу. Если близноминальные режимы устойчивы (см. рис. 4.6) и нет необходимости устанавливать регулятор, то на частичных режимах, когда Fд меньше нуля или равен нулю (см. рис. 4.7, а и рис. 4.7, б), без регулятора эксплуатация дизеля невозможна.

Фактор устойчивости после подстановки в основное выражение зависимостей двигателя и его топливной аппаратуры легко определить и аналитически:

где k1 и k 2 – постоянные коэффициенты, определяющие взаимосвязи между параметрами ТНВД и дизеля [1]; e – эффективный КПД дизеля как функция от скоростного режима.

Другие параметры и характеристики подробно представлены в технической литературе. Зависимость КПД e от частоты вращения практически мало зависит, поэтому последний член уравнения стремится к нулю. Зато цикловая подача в значительной мере зависит от частоты вращедg ц ния, и на частичных режимах производная положительна (см. рис.

4.4) и имеет большое численное значение, следовательно, именно по этой причине Fд принимает отрицательное значение.

Задание для самостоятельной работы 1. Представьте структурную схему системы автоматического регулирования частоты с регулятором прямого действия.

2. Представьте структурную схему системы автоматического регулирования частоты с регулятором непрямого действия.

3. Представьте структурную схему объекта системы автоматического регулирования частоты для двигателя без наддува.

4. Как представить на графике различные потребители энергии?

5. Дайте понятие «фактор устойчивости двигателя и его геометрическая интерпретация».

6. Дайте понятие «неустойчивый режим работы двигателя».

7. Дайте понятие «устойчивый режим работы двигателя».

8. Дайте понятие «безразличный режим работы двигателя».

9. Какой вид тормоза при проведении стендовых испытаний соответствует требованию обеспечения стабильного режима работы?

10. Какие факторы определяют устойчивость режима?

11. Может ли работать дизель на потребитель на всех режимах и нужен ли автоматический регулятор?

12. Какова роль топливной аппаратуры с позиции устойчивой работы?

13. Почему топливный насос высокого давления должен быть включен в структурную схему объекта как отдельный элемент?

14. Что такое прямая и обратная связи между элементами структурной Глава 5. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕГУЛЯТОРОВ ЧАСТОТЫ

И СХЕМНЫЕ ВАРИАНТЫ ИСПОЛНЕНИЯ

§ 5.1. Классификация автоматических регуляторов частоты В мировом двигателестроении разработаны и реализованы многочисленные конструкции автоматических регуляторов частоты вращения, в том числе и электронные системы управления. Целесообразно для упорядочивания этого многообразия ввести простую классификацию применяемых регуляторов скорости (табл. 5.1). При этом вводятся сокращенные обозначения регуляторов: РП – регулятор прямого действия; РН – регулятор непрямого действия; ОРП или ОРН – соответственно регуляторы однорежимные; ВРП или ВРН – соответственно регуляторы всережимные; буква Д, стоящая перед сокращенным наименованием регулятора, обозначает, что это д в у х р е ж и м н ы й регулятор, а после – двухимпульсный.

По диапазону ре- Однорежимные, двухрежимные, все- ОРП, ОРН, ДРП, Центробежгулирования режимные, предельные ДРН, ВРП, ВРН ный измеритель По наклону ста- Статические (пропорциональные) ОРП, ВРП, ВРН с Универсально-статические (пропорциональноинтегральные регуляторы ОРН, ВРН ному исполнению По типу измери- Механический; гидравлический; Согласно обозна- – § 5.2. Схемные решения применяемых на практике регуляторов Одна из широко применяемых функциональных схем регуляторов прямого действия представлена на рис. 5.1. Например, подобный регулятор применяется на судовых дизелях типа ЧН 18/22. Регулятор состоит из следующих устройств: чувствительного измерителя скорости центробежного типа (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7); устройства изменения степени неравномерности статической характеристики регулятора (8, 9); упруго присоединенного катаракта (13, 14, 15, 16); устройства передачи перемещения муфты на рейку ТНВД (12, 11, 10).

Рис. 5.1. Упрощенная функциональная схема всережимного регулятора прямого действия с упруго присоединенным катарактом: 1 – крестовина; 2 – угловой рычаг; – шаровой груз; 4 – главная пружина регулятора; 5 – нажимной поршень; 6 – маховичок устройства изменения координаты задания; 7 – кулачок; 8 – рычаг с резьбой устройства изменения статизма; 9 – пружина устройства изменения статизма; 10 – рейка ТНВД; 11 – жесткий угловой рычаг привода рейки; 12 – валик привода катаракта и рейки; 13 – емкость с маслом; 14 – пружина катаракта; 15 – упруго присоединенный поршень катаракта; 16 – игла катаракта; 17 – муфта регулятора; 18 – разделительный шарикоподшипник Всережимный регулятор дизелей 6ЧСПН18/22 является автономным, встроен в местный пост управления дизеля. Обеспечивает ручное и дистанционное управление частотой вращения от минимально устойчивой до 103 % – ной от номинальной. Наклон регуляторной характеристики дизеля с регулятором обеспечивается в пределах 6–10 %. Регулятор соответствует 4-му классу точности. Местный пост с регулятором дизеля 6ЧСПН18/ представлен на рис. 5.2, 5.2, а, 52, б.

Местный пост расположен на верхней плоскости передней части блока цилиндров, к которому корпус 68 поста крепится болтами с внутренней стороны полости блока; а регулятор 30 закреплен стаканом 47 в отверстии блока при помощи винта.

Всережимный центробежный регулятор прямого действия 30 состоит из стакана 47, в котором расположен вал 48 регулятора с подшипниками и шестерней 46, крестовины 48 с грузами 50 на осях 43, скользящей муфты 42, опирающейся на сухари 44 груза регулятора, и стакана 39 на упорном подшипнике 41. Регулятор получает вращение от конической шестерни 46, находящейся в зацеплении с приводом регулятора. Измеритель частоты вращения включает в себя грузы 50 регулятора, скользящую муфту 42 со стаканом 39 и главную пружину 40, которые находятся в равновесии, пока установившаяся частота вращения коленчатого вала дизеля соответствует заданной.

При нарушении этого соответствия изменяются центробежные силы грузов регулятора, равновесие нарушается, скользящая муфта 42, перемещаясь по валу 48, воздействует через стакан 39 на главную пружину 40, вилку 51 регулятора, вал 60 и рычаг 1 рейки топливного насоса. Под действием рычага 1 рейка перемещается, изменяя подачу топлива и соответственно частоту вращения коленчатого вала дизеля до заданной величины.

Положение верхней опоры главной пружины 40 регулируется гайкой 38, подвижной опоры пружины 52 – гайкой 61. Масло для смазки регулятора подводится масляной трубкой 28 от штуцера 27.

Управление дизелем (дизель-редукторным агрегатом) с местного поста производится штурвалом 5 с валом 7 управления, на котором закреплен эксцентрик 8 и кулак реверса 9. Поворотом штурвала из положения «Холостой ход» в положение «Вперед» или «Назад» задается необходимый режим работы агрегата.

Рис. 5.2. Пост управления местный (продольный разрез):

1 – рычаг; 2 – рукоятка пуска; 3 – звездочка пуска; 4 – рукоятка тормоза; 5 – штурвал; – привод переключателя; 7 – вал управления; 8 – эксцентрик; 9 – кулак реверса; 10 – пружина переключателя;; 11 – муфта; 12 – полумуфта; 13 – крышка задняя; 14 – корпус гидроусилителя; 15, 23 – планки уплотнительные; 16 – втулка; 17 – крышка; 18 – золотник; 19 – ограничитель; 20 – звездочка; 21 – вал; 22 – упор ограничения; 24 – винт регулировочный; 25, 26 – штифты; 27 – штуцера; 28 – трубка масляная; 29 – рычаг реверса; 30 – регулятор; 31 – рычаг катаракта При повороте штурвала 5 на угол больше 50 в ту или другую сторону эксцентрик перемещает стакан 36 вниз, через гайку 38 увеличивается сжатие главной пружины регулятора, что приводит к увеличению частоты вращения дизеля. Гайкой 38 настраивается минимальная частота вращения агрегата, после чего гайка контрится болтом.

Рис. 5.2, а. Пост управления местный (разрез С-С) (поперечный разрез регулятора):

32 – маховик; 33 – пружина; 34 – крышка; 35 – диск; 36, 39 – стаканы; 37 – втулка; 38 – гайка регулировочная; 40 – пружина главная; 41 – подшипник упорный; 42 – муфта скользящая; 43 – ось груза; 44 – сухарь; 45 – подшипник; 46 – шестерня коническая; – стакан подшипника; 48 – вал регулятора; 49 – крестовина; 50 – груз регулятора; 51 – вилка регулятора При повороте штурвала 5 на угол 45–50 в ту или другую сторону включается реверс-редукторная передача (РРП) на передний или задний ход поворотом крана золотникового устройства РРП кулаком – реверса через рычаг 29 реверса и систему тяг. Установившийся режим работы агрегата (при ручном управлении с местного поста) закрепляется поворотом рукоятки тормоза по часовой стрелке, фиксируя штурвал 5 в положении установившегося режима. Дополнительное регулирующее устройство состоит из крышки 34, маховика 32 со втулкой, пружины 33 и предназначено для настройки частоты вращения дизеля при включенной муфте дополнительного отбора мощности и выключенной РРП. При вращении маховика диск 35 через стакан 36 во втулке 37 воздействует на главную пружину регулятора.

Рис. 5.2, б. Пост управления местный (разрезы по сечениям А-А и В-В):

52 – пружина; 53 – вал пусковой; 54 – рычаг отсечки; 55 – стакан катаракта; 56 – поршень катаракта; 57 – пружина катаракта; 58 – игла; 59 – защелка; 60 – вал главный; 61 – гайка регулировочная; 62, 69 – крышки; 63 – ось поплавка; 64, 67 – штуцера; 65 – клапан; 66 – поплавок; 68 – корпус поста Упруго присоединенный катаракт служит для улучшения устойчивости и плавности регулирования при переходных режимах работы агрегата.

Он состоит из стакана 55, поршня 56 и регулирующей иглы 58. Поршень 56 через пружину 57 соединен с рычагом 31 катаракта, закрепленным на валу 60.

Пуск и остановка агрегата производятся поворотом рукоятки 2 в положение «Пуск» или «Стоп». При установке рукоятки 2 в положение «Пуск» пусковой вал 53, жестко связанный с рукояткой 2, фиксируется в этом положении защелкой 59 устройства автоотсечки пускового воздуха.

Через систему рычагов и тяг открывается главный пусковой клапан, происходит предпусковая прокачка дизеля маслом, запускается дизель, рычаг 54 срывает с упора защелку 59 автоотсечки пускового воздуха, и пусковой вал 53 с рукояткой 2 возвращается в исходное положение пружиной 10.

При установке рукоятки 2 в положение «Стоп» рейка топливного насоса через систему рычагов устанавливается в положение нулевой подачи топлива.

Для обеспечения дистанционного пуска и остановки на пусковом валу 53 установлена звездочка 3.

Привод 6 переключателя служит для выключения гидропривода при переходе с дистанционного управления на местное и включения гидропривода при переходе на управление с дистанционного поста. Для отключения гидропривода необходимо привод 6 оттянуть на себя и повернуть на 90 в любую сторону. Подвижная соединительная муфта 11, связанная с приводом переключателя, выйдет из зацепления с полумуфтой 12 гидропривода.

Механизмы поста управления с регулятором закрыты крышкой 62.

Сняв крышку, можно отрегулировать минимальную частоту вращения дизеля на холостом ходу.

В корпусе местного поста расположен расширительный бачок, который представляет собой полость в корпусе 68 поста, закрытую крышкой 69. Для автоматического пополнения расширительного бачка водой служит штуцер 64 с клапаном 65. Клапан управляется автоматически от поплавка 66, поворачивающегося на оси 63 в зависимости от уровня воды в бачке. Пар из расширительного бачка отводится по пароотводящей трубке через штуцер 67.

Гидропривод дистанционного управления (в том числе частотой вращения дизеля) имеет звездочку 20 для тросиковой связи с дистанционным постом.

Таким образом, реальный регулятор имеет дополнительные устройства, например, устройство для разъединения рейки с приводом от регулятора, устройство для задания тарированной степени нечувствительности статической характеристики, упругий привод крестовины, устройство для автоматического отключения пускового воздуха, привод для пуска и останова двигателя, устройство настройки минимально-устойчивых оборотов под нагрузкой, сервопривод для дистанционного автоматизированного управления.

Упрощенная структурная схема регулятора приведена на рис. 5.3.

Следует отметить, что по степени сложности конструкции и по функциям управления представленный автоматический регулятор соответствует техническому уровню современных регуляторов четвертого класса точности.

Регуляторы автотракторных двигателей в этом отношении более просты в конструктивном исполнении несмотря на то, что соответствуют четвертому классу регулирования.

На рис. 5.4 приведены соответственно статические характеристики РП (верхний рисунок) и статические характеристики САРч (нижний рисунок). Они же называются регуляторными характеристиками.

Рис. 5.4. Статические характеристики регулятора РП и статические характеристики САРч: 1 – ограничительная характеристика максимальной мощности; 2 – номинальная ограничительная характеристика; 3 – ограничительная характеристика при наличии специального устройства; 5, 6 и 4 – соответственно минимальная, промежуточная и номинальная статические характеристики; 7 и 8 – соответственно внешние скоростные характеристики максимальной и номинальной мощности; 9, 10 и 11 – соответственно минимальная, промежуточная и номинальная статические характеристики Р е г у л я т о р ы н е п р я м о г о д е й с т в и я по сути представляют собой комбинацию из чувствительного элемента скорости и усилителя мощности, как правило, гидравлического типа с обратными связями (жесткими – ЖОС, гибкими – ГОС или с комбинированными ЖОС и ГОС). Это вызвано тем, что при мощности дизеля, большей 250–300 кВт, для перестановки рейки ТНВД недостаточно усилия, развиваемого РП.

Целесообразно, вместо существенного увеличения размерности регулятора, для создания достаточного перестановочного усилия ввести усиление сигнала путем установки усилителя мощности. На рис. 5.5 представлена функциональная схема РН без обратной связи. Первые попытки установить их на паровых машинах большой мощности в XIX в. окончились неудачей, так как качество регулирования было низким, особенно в случае резких изменений нагрузки.

Рис. 5.5. Функциональная схема регулятора непрямого действия без обратной связи:

1 – чувствительный элемент; 2 – усилитель мощности гидравлического типа; 3 – топливный насос высокого давления; 4 – исполнительный механизм ИМ (сервомотор); – золотниковое управляющее устройство (УУ); 6 – масляная емкость; 7 – фильтр; 8 – масляный шестеренный насос Работает РН без обратной связи следующим образом. При изменении нагрузки на двигатель, например при снятии ее, увеличится частота вращения вала регулятора, ЧЭ произведет перестановку координаты z вправо. Тогда УУ заставит силовой поршень переместиться влево, что приведет к соответствующему снижению оборотов. Переходный процесс будет продолжаться до тех пор, пока при новом положении рейки ТНВД, соответствующем новому режиму, силовой поршень не будет остановлен выходом УУ в нейтральную позицию (когда перекрыт подвод масла к ИМ).

Но это произойдет только при возвращении муфты ЧЭ в исходное положение, которое возможно лишь при восстановлении скоростного режима.

Следовательно, при любом отклонении нагрузки скоростной режим будет восстановлен и характеристика регулятора и САРч будет астатической (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Астатическая характеристика РН без обратной связи Упрощенная структурная схема представлена на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Упрощенная структурная схема РН без ОС Эти регуляторы не нашли широкого применения из-за больших перерегулирований в САРч при изменениях нагрузки, снижающих качество работы.

Однако был найден эффективный путь улучшения качества регулирования путем ввода так называемой жесткой обратной связи (ЖОС).

5.8. Суть действия жесткой обратной связи видна из рис. 5.8. При перемещении золотника УУ 5 начавшееся движение силового поршня СМ по отношению к положения муфты регулятора опять выводит золотник в нейтральную позицию. Движение СМ прекращается. Если координата z продолжит перемещение, то это вызовет дальнейшее движение силового поршня. И далее процесс будет продолжаться до тех пор, пока СМ не выйдет на режим новой нагрузки, УУ займет нейтральное положение, а новое значение координаты муфты измерителя скорости в соответствии с его статической характеристикой будет определено новым значением угловой скорости вращения. Таким образом, статическая характеристика РН с ЖОС будет статической с, соответствующей статизму измерителя (см. рис. 5.4).

Сервомотор СМ является исполнительным механизмом в регуляторах РН и в ряде случаев называется сокращенно ИМ.

Рис. 5.8. Функциональная схема регулятора непрямого действия Структурная схема РН с ЖОС представлена на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Упрощенная структурная схема РН с ЖОС ЖОС может быть выполнена с воздействием непосредственно на координату задания. Обратная связь в данном случае отрицательная. Это иллюстрируется условно «лампочкой». Передача сигнала от z к e показана белым сектором лампочки, а отрицательное воздействие ЖОС – противоположным черным цветом.

Р е г у л я т о р ы н е п р я м о г о д е й с т в и я с г и б к о й (и з о др о м н о й) о б р а т н о й с в я з ь ю (Г О С) появились значительно позже РН с ЖОС. В конструкцию был введен так называемый изодром, представляющий собой катаракт с пружиной в линии обратной связи.

Структурная схема РН с ГОС представлена на рис. 5.10, а его функциональная схема представлена на рис. 5.11.

Работа ГОС происходит следующим образом (рассматривать переходные процессы регулятора будем как бы на малых последовательно происходящих временных интервалах):

- на первом шаге переходного процесса из-за дросселирования под иглой катаракта корпус и поршень представляют собой единое жесткое звено и работа аналогична регулятору с ЖОС, так как пружина для силового поршня не представляет практически никакого сопротивления;

- рано или поздно завершатся основные переходные процессы в регуляторе и начнутся так называемые постпереходные процессы, связанные с восстановлением исходного положения пружины, которая во времени постепенно перемещает поршень катаракта относительно корпуса;

- золотник УУ должен вернуться в исходное (нейтральное) положение, что означает стабилизацию переходных процессов.

Таким образом, новый режим возможен тогда, когда 1 – положение силового поршня будет соответствовать новой нагрузке; 2 – пружина катаракта вернется в исходное положение; 3 – золотник займет нейтральную позицию, но это возможно лишь при восстановлении исходной частоты вращения. Любое новое значение нагрузки режима будет происходить при постоянной частоте вращения, следовательно, имеем астатическую характеристику регулятора и обеспечиваем точное регулирование.

Безусловно, процесс регулирования является как бы многоступенчатым и занимает больше времени, чем в случае РН с ЖОС или без ОС. Но качество регулирования, безусловно, выигрывает.

Рассмотрим возможные 3 варианта работы РН с ГОС:

1-й вариант – игла катаракта полностью открыта, регулятор работает без обратной связи и имеет астатическую характеристику, подобный случай возможен лишь при аварийном состоянии САРч.

2-й вариант – игла катаракта закрыта полностью, регулятор работает как РН с ЖОС и имеет статическую характеристику. Это основной режим работы для стационарных дизелей и дизель-генераторов, предназначенных для параллельной работы. Регулятор имеет статическую характеристику.

3-й вариант – игла катаракта находится в оптимально подобранном положении, 2–4 четыре оборота до закрытия. Регулятор имеет астатическую характеристику (точное регулирование при высоком качестве переходных процессов).

установках широкое применение получили так называемые электронные регуляторы. Они могут быть использованы для регулирования частоты вращения, температуры в системах охлаждения воды и масла двигателей и различных теплообменных аппаратов, давления воздуха и масла и т. п.

Сам регулятор представляет унифицированный электронный блок, в который подается входная координата соответствующего регулируемого параметра в виде аналогового электрического сигнала, а на выходе формируется управляющий сигнал по полному закону регулирования, воздействующий на серводвигатель регулирующего органа. Имеется стабилизированный источник питания.

На рис. 5.12 представлена структурная схема электронного регулятора Непосредственно на объекте устанавливаются блоки 1, 4, 5, а блоки 2 и 3 (собственно сам электронный регулятор) установлены вне объекта, в месте, где минимальны вредные воздействия на регулятор, например вибрации и температуры. Свойства регулятора описываются зависимостью Упрощенная функциональная (принципиальная) схема электронного регулятора представлена на рис. 5.13.

Рис. 5.12. Структурная схема электронного регулятора:

1 – датчик-преобразователь; 2 – измерительный блок; 3 – блок-формирователь закона регулирования; 4 – усилитель; 5 – исполнительный механизм При регулировании частоты вращения в электронный регулятор вводится аналоговый электрический сигнал от генератора постоянного тока, приводимого в работу коленчатым валом. Входной сигнал составляет величину от 10 до 50 мА, поэтому на сопротивлении 100 Ом происходит падение напряжения 1–5 В. Питание электронного регулятора осуществляется от судовой сети с частотой тока 50–60 Гц при потребляемой мощности 14 В А. Эталонное напряжение U эт подается от блока питания через выпрямитель и стабилизатор. Через потенциометр R3 реализована функция задания режима.

В точках А и В возникает сигнал рассогласования, что является выходным сигналом измерителя Uи (от 0 до 5 В). К точкам А и В подключен показывающий прибор, по которому производится согласование схемы и уставки нуля (от 0 до 5 В). При выбранной уставке задания (R3) на выходе измерителя напряжение пропорционально Uвх, таким образом, чувствительный элемент (измеритель вместе с датчиком) является статическим пропорциональным звеном.

Вход в блок-формирователь закона регулирования производится через реверсивный переключатель П1, который изменяет знак сигнала Uи, таким образом, что электронный регулятор можно ставить как на стороне подвода энергии, так и на стороне отвода ее.

Для получения желаемого закона регулирования предусмотрена параллельно основной дифференцирующая цепь, а также цепь обратных связей как ЖОС, так и ГОС.

Изодромная связь (ГОС) вводит в закон регулирования интегрирующую составляющую, т. е. RC - цепочку.

служит для настройки постоянной времени дифференцирования и соотношения между величинами основного (пропорционального) сигнала и сигнала дифференцирования. Диоды Д1 и Д2 (стабилитроны) выполняют роль пороговых ограничителей сигнала на вход первого усилителя.

ЖОС состоит из цепочки R8 и R9. Изменением R8 настраивают коэффициент статической передачи Кжос и, следовательно, коэффициент усиления регулятора КR.

ГОС состоит из цепочки R8-C3. Самостоятельно ГОС не настраивается. Для введения в закон регулирования настраиваемой ГОС убирают перемычку КД и при этом включается цепочка C2-R7 (регулировка с помощью R7).

На выходе регулятора установлен переключатель П2, выполняющий следующие функции:

«автоматическое регулирование» – сервомотор привода рейки ТНВД управляется регулятором;

«ручное управление» – сервомотор управляется сигналом ручного задатчика R10;

«баланс» – согласуется Uвых с сигналом ручного задатчика Uр.

Питание усилителей, модуляторов, демодуляторов, частотных генераторов (на схеме не показано) осуществляется от двух трансформаторов через выпрямитель и стабилизаторы напряжения.

Достоинство электронных регуляторов заключается в следующем:

- они универсальны, могут быть использованы для автоматического регулирования частоты вращения, температуры, давления и т. п.;

- гибки и просты в осуществлении связей между элементами, взаимозаменяемы;

- легкость суммирования сигналов позволяет осуществить П-, И-, ПИ-, ПИД-законы регулирования;

- малые размеры дают возможность размещения их на любом расстоянии от объекта;

- возможно решение вопроса замены благодаря унификации регуляторов.

Недостатки электронных регуляторов связаны с показателями надежности (они уступают традиционным приборам).

Электронные регуляторы находят сегодня все более широкое применение. Это объясняется возможностью широкой унификации регуляторов для различных систем автоматического регулирования. Элементная база таких регуляторов становится все более надежной и это обеспечивает их продвижение на международный рынок. Главное, что они позволяют использовать любой закон регулирования в зависимости от назначения САР.

Задание для самостоятельной работы 1. Поясните работу регулятора прямого действия с использованием структурной и функциональной схемы.

2. Поясните работу регулятора РП дизелей 6ЧСПН 18/22 с использованием функциональной схемы на уровне чертежа.

3. Поясните работу регулятора РН без ОС с использованием структурной и функциональной схем.

4. Поясните работу регулятора РН с ЖОС с использованием структурной и функциональной схем.

5. Поясните работу регулятора РН с ГОС с использованием структурной и функциональной схем.

6. Дайте объяснение астатической характеристики РН с ГОС.

7. Дайте объяснение статической характеристики РН с ЖОС.

8. Как обеспечить работу дизеля с РН, имеющим РН с ГОС, для различных условий его работы и в зависимости от нагрузки?

9. Что представляет собой изодромная обратная связь?

10. Поясните принцип работы электронного регулятора.

11. Как можно использовать электронные регуляторы для различных систем автоматического регулирования?

12. Как реализуются в электронном регуляторе различные законы регулирования?

Глава 6. СТАТИКА РЕГУЛЯТОРА, СХЕМЫ, ПАРАМЕТРЫ

И ХАРАКТЕРИСТИКА

Классическая функциональная схема простейшего регулятора прямого действия с имеющими место действующими силами представлена на рис.

6.1. Для упрощения силовой схемы вводятся эквивалентные замены сил:

1) все действующие силы гравитации и пружин заменяются в о с с т ан а в л и в а ю щ е й с и л о й E;

Эти силы приложены к центру тяжести муфты и действуют в противоположных направлениях, эквивалентно заменяя действующие силы.

Используя принцип, что сумма работ гравитационных сил и сил пружин на виртуальном (малом) перемещении муфты ( z ) равна работе заменяющей силы Ez, получим где G м – масса муфты регулятора; G г – масса груза; i г – количество грузов.

При этом гравитационными силами соединительных элементов пренебрегаем в силу их малости в современных регуляторах по сравнению с силами муфты и грузов. Все обозначения очевидны из рис. 6.1.

чим выражение для E перемещения муфты.

После введения замен получим выражение для определения восстанавливающей силы для всех центробежных регуляторов прямого действия. Она заменяет эквивалентно все действующие силы гравитации и пружин Построив план скоростей, например для десяти положений регулятора, можно найти значение E f1 ( z). Но возможно и более простое решение.

Например, для регулятора (или чувствительного элемента ЧЭ) на рис.

6.2 гравитационные силы грузов и пружин перпендикулярны к оси и равны нулю, а V2 Vz и один конец пружины фиксирован. Сила пружины определится как F c(пред.зат z), где с – жесткость пружины регулятора;

– предварительная затяжка пружины. Тогда E с( пред. зат z) f1 ( z).

пред. зат Восстанавливающая сила приложена к центру тяжести муфты и направлена по линии движения муфты.

Рис. 6.2. Функциональная схема регулятора прямого действия Вид зависимости восстанавливающей силы как функции перемещения муфты при различных предварительных затяжках пружины и различных значениях жесткости представлен на рис. 6.3. Изменяя затяжку пружины при помощи устройства изменения координаты задания, можно изменить настройку регулятора ( y зад ) на тот или иной скоростной режим, а увеличив жесткость главной пружины за счет введения дополнительной пружины, можно изменить наклон статической характеристики регулятора.

Для другой конструкции регулятора с выносной главной пружиной (рис. 6.4) необходимо привести пружину к оси движения муфты. Тогда где bпред. зат – предварительная затяжка самой пружины; а и d – размеры, представленные на рис. 6.4. При этом зависимости E f1 ( z ) имеют небольшую нелинейность (вид квадратичной параболы).

Рис. 6.3. Зависимость восстанавливающей силы от жесткости Рис. 6.4. Конструкция регулятора с выносной главной пружиной характеристика регулятора. По величине «работоспособности» выбирают тот или иной регулятор под проектируемый двигатель.

Используя принцип, что сумма работ инерционных сил на виртуальном (малом) перемещении муфты ( z ) равна работе заменяющей силы умножения на правой и левой частей уравнения и ввода скорости гоt где mг – масса груза; r – текущий радиус вращения груза; A – инерционный коэффициент.



Pages:   || 2 |

Похожие работы:

«Промышленные сети • Технические потребности 1 • Компоненты сетей • Информационные технологии в промышленности • Техническая политика Schneider Electric 2 9.1 Введение 218 9.2 История 218 3 9.3 Требования рынка и возможные решения 219 4 9.4 Сетевые технологии 221 9.5 Сети, рекомендуемые Schneider Electric 223 5 9.6 Сеть Ethernet TCP/IP 9.7 Web-сервисы и концепция Transparent Ready 9.8 Промышленная шина CANopen 9.9 Совместная работа Ethernet и CANopen 9.10 Промышленная шина AS-interface (AS-i)...»

«ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ СТУДЕНТОВ ЭКОНОМИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ Минск Изд-во МИУ 2009 УДК 620.9(076.6) ББК 31.47 Б Рецензенты: М.И. Фурсанов, заведующий кафедрой Электрические системы БНТУ, доктор технических наук, профессор; В.Н. Нагорнов, заведующий кафедрой Экономика и организация энергетики БНТУ, кандидат экономических наук, доцент. Рекомендован к изданию научно-методической комиссией факультета экономики МИУ. (Протокол № 4 от 30.12. 2008 г.) Б Основы...»

«Опубликовано по п. 39 Приложения №1 НРАВСТВЕННЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ Вертинский П. А. г. Усолье-Сибирское pavel-35@mail.ru 1. ПРЕДИСЛОВИЕ История нашей потребительской цивилизации человечества подошла к своему главному парадоксу: в настоящее время техническое покорение Природы (атомная энергетика, космонавтика, инженерная генетика.) по своим последствиям ( Чернобыльская катастрофа, цунами 27.12.2004 в Индонезии, СПИД, куриный грипп.) [См. Зеленый мир № 17-18 (487-488) / 06. 09....»

«МЕЖДУНАРОДНОЕ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ АГЕНСТВО ЭКОНОМИЧЕСКОГО СОТРУДНИЧЕСТВА И РАЗВИТИЯ 9, rue de la Fdration, 75739 Paris, cedex 15, France В соответствии со Статьей 1 Конвенции, подписанной в Международное энергетическое агентство Париже 14 декабря 1960 года, которая вступила в силу (МЭА) является автономной организацией, 20 сентября 1961 года, Организация экономического сооснованной в ноябре 1974 года в рамках трудничества и развития (ОЭСР) осуществляет политику, Организации...»

«Здесь начал свою жизнь ВИРГ Перед вами коллективный портрет тех, кто стоял у истоков ВИРГа – Всесоюзного (затем Всероссийского) института разведочной геофизики, который был создан в 1945 году по постановлению Совета Министров СССР на базе геофизического сектора ВСЕГЕИ для обеспечения нужд нарождающейся атомной промышленности и энергетики стратегическим сырьем – ураном. Это был обыкновенный для того послевоенного времени коллектив. В его составе были в основном те, кто прошел через горнило...»

«КАЛЕНДАРЬ МЕЖДУНАРОДНЫХ, ОБЩЕРОССИЙСКИХ ЗНАМЕНАТЕЛЬНЫХ И ПАМЯТНЫХ ДАТ 2012 ГОД В Российской Федерации 2012 год объявлен: ГОДОМ РОССИЙСКОЙ ИСТОРИИ ГОДОМ СЕЗОНОВ РУССКОГО ЯЗЫКА ВО ФРАНЦИИ И ФРАНЦУЗСКОГО ЯЗЫКА В РОССИИ 2012 год в России: Важнейшие даты: 1150-летие зарождения российской государственности (Указ Президента № 267 от 3 марта 2011 г.) 770 лет (5 апреля 1242 г.) победы русских воинов князя Александра Невского над немецкими рыцарями на Чудском озере (Ледовое побоище, 1242 г.) (День...»

«Изучение образования скрытых слоев CoSi2 при высокоэнергетической имплантации ионов Co+ в Si СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ.. 5 ГЛАВА I. КРАТКИЙ ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. 7 1.1. Эпитаксия.. 7 1.2. Газофазная эпитаксия.. 8 1.3. Методы жидкофазной и твердофазной эпитаксии. 10 1.4. Молекулярно-лучевая эпитаксия 1.5. Выводы из обзора и постановка задачи исследования. 18 ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПРИБОР. 2.1. Оборудование для ионной имплантации. ГЛАВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. СКРЫТЫЕ III. ПРОВОДЯЩИЕ СЛОИ...»

«Л.М.ФИЛИНСКИЙ КВАДРОЛЕКТИКА ПРИРОДЫ Том I Теория и практика матричной систематики 2012 г. Оглавление Стр. Предисловие 2. Раздел I. Глава 1.Теория и практика матричной систематики......... 25 1.1 Унифицированный классификационный макет на базе обобщенной модели системы*(УКСМ или матрица Уникласс)..... 25 2. Апробация матрицы Уникласс на примерах фундаментальных Систем микро - и макромира................ 2.1. Система химических элементов.................»

«3783 УДК 62-50 АНАЛИТИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАКОНОВ ТРАЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ МОБИЛЬНЫМИ РОБОТАМИ Л.А. Краснодубец Севастопольский национальный технический университет Россия, Севастополь, Студенческая ул., 33 E-mail: lakrasno@gmail.com А.Е. Осадченко Севастопольский национальный технический университет Россия, Севастополь, Студенческая ул., 33 E-mail: aeosadchenko@rambler.ru Ключевые слова: адаптация, анализ, закон управления, мобильный робот, траектория, энергетический критерий, локальная...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ В.П. ЗАКАРЮКИН, А.В. КРЮКОВ МЕТОДЫ СОВМЕСТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ ТЯГОВОГО И ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Иркутск 2011 УДК 621.311: 621.321 ББК 31.27-07 К 85 Представлено к изданию Иркутским государственным университетом путей сообщения Рецензенты: доктор технических наук, проф. Ю.М. Краковский кандидат...»

«Министерство образования Российской Федерации Южно-Уральский государственный университет Кафедра Электрические станции, сети и системы П.Н.Сенигов ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ Конспект лекций Челябинск 2000 Сенигов П.Н. Теория автоматического управления: Конспект лекций. – Челябинск: ЮУрГУ, 2000 - 93с. Изложены основы теории автоматического управления: построение, методы математического описания, анализа устойчивости, оценки качества и синтеза линейных автоматических систем управления....»

«Энергетический бюллетень Тема выпуска: Инвестиции в ТЭК Ежемесячное издание Выпуск № 14, июнь 2014 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БЮЛЛЕТЕНЬ Выпуск № 14, июнь 2014 Содержание выпуска Вступительный комментарий 3 Ключевая статистика 4 По теме выпуска Долгосрочные инвестиции в ТЭК России 10 Инвестиции в ТЭК: кто оплачивает развитие? 14 Обсуждение Севморпуть как перспективный маршрут торговли энергоресурсами 18 ТНК и международные споры в энергетике 23 Обзор новостей Выпуск подготовлен авторским коллективом под...»

«неофициальная редакция ГОСТ Р 51387-99 УДК 62.1:006.354 Группа Е01 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Энергосбережение НОРМАТИВНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ Основные положения Energy conservation. Norm-method securing. Basic concept ОКС 01.110 ОКСТУ 3103, 3104, 3403 Дата введения 2000—07—01 Предисловие 1 РАЗРАБОТАН ФГУ Российское агентство энергоэффективности Минтопэнерго России совместно с ВНИЦ СМВ и ВНИИстандарт Госстандарта России ВНЕСЕН ФГУ Российское агентство энергоэффективности...»

«Человек тем более совершенен, чем более он полезен для широкого круга интересов общественных. Д.И. Менделеев Пусть расцветают все цветы. Китайская мудрость Поощрение так же нужно таланту, как канифоль смычку виртуоза. Козьма Прутков ИНСТИТУТ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИКИ им. Л.А. МЕЛЕНТЬЕВА СО РАН Вехи полувекового пути Книга 3 НЕ НАУКОЙ ЕДИНОЙ Иркутск 2010 УДК 061.62(09) ББК 72.3 В 39 ISBN 978-5-93908-072-9. Вехи полувекового пути. Книга 3. Не наукой единой. – Иркутск: ИСЭМ, 2010. 200 с. К 50-летию...»

«2008 Лучшие идеи апрель 4 апреля 2008 г. Содержание Стратегия и тактика. Циклы внутри циклов Итоговые рекомендации Апрель: жизнь без кризиса Нефть и газ Электроэнергетика Металлургия Химия Строительство Транспорт Машиностроение Телекоммуникации Потребительский сектор Финансовый сектор 2 Лучшие идеи 2008 апрель 4 апреля 2008 г. Циклы внутри циклов Россия Стратегия и тактика Оглядываясь на месяц назад, мы видим, что индекс РТС вырос едва ли на процент, в то время как индекс акций второго эшелона...»

«ПЕРСПЕКТИВИ ВИРОБНИЦТВА ТА ВИКОРИСТАННЯ БІОГАЗУ В УКРАЇНІ Аналитическая записка БАУ №4 Гелетуха Г.Г., Кучерук П.П., Матвеев Ю.Б. 31 мая 2013 р. Обсуждение в БАУ: с 18.05.2013 до 31.05.2013 Утверждение Правлением БАУ и публикация на www.uabio.org: 31.05.2013 Публикация будет доступна на: www.uabio.org/activity/uabio-analytics Для отзывов и комментариев: matveev@uabio.org © Биоэнергетическая ассоциация Украины, 2013 копирование и публикация материалов ассоциации без ссылки на первоисточник...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КГЭУ (ФГБОУ ВПО КГЭУ) УТВЕРЖДАЮ Ректор Э.Ю. Абдуллазянов 2013 г. ПОЛОЖЕНИЕ ОБ ЭЛЕКТРОННЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ РЕСУРСАХ КГЭУ Выпуск 1 Изменение Экземпляр № Лист 1/ П-0400- ПРЕДИСЛОВИЕ РАЗРАБОТЧИКИ: начальник УМУ Зарипова С.Н., специалисты ООТ Григорян Т.А., Липачева Е.В. ОДОБРЕНО решением...»

«Источник: ИС Параграф WWW http://online.zakon.kz Постановление Правительства Республики Казахстан от 24 октября 2012 года № 1352 Об утверждении Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей В соответствии с подпунктом 8) статьи 4 Закона Республики Казахстан от 9 июля 2004 года Об электроэнергетике Правительство Республики Казахстан ПОСТАНОВЛЯЕТ: 1. Утвердить прилагаемые Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. 2. Настоящее постановление вводится в действие...»

«Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого Кафедра Физика О. И. Проневич, С. В. Пискунов МЕХАНИКА И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА ПРАКТИКУМ по курсу Физика для студентов всех специальностей дневной формы обучения В трех частях Часть 1 Гомель 2010 УДК 531/534+539.19(075.8) ББК 22.2+22.36я73 П81 Рекомендовано научно-методическим советом энергетического факультета ГГТУ им. П. О. Сухого (протокол № 9 от 01.06.2010...»

«Кэрролл Ли. Книга VII. Письма из Дома. Послания любви от твоей Семьи //ООО Издательский Дом София, Москва, 2005 ISBN: 5-9550-0831-4 FB2: “mrholms ” mrholms@mail.ru, 2009-04-12, version 2 UUID: B57D912A-DBB5-4D4D-BA65-0AB2D53E8106 PDF: fb2pdf-j.20111230, 13.01.2012 Крайон Письма из Дома. Послания любви от твоей Семьи (Книга #7) Большая часть этой книги состоит из записей бесед Крайона с учениками, проводившихся в разных городах и странах на рубеже тысячелетий. Среди затрагиваемых тем: что собой...»







 
© 2014 www.kniga.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Книги, пособия, учебники, издания, публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.