Сизых В.А. Судовая автоматика и аппаратура контроля

Подождите немного. Документ загружается.

где Т — постоянная времени звена;

—

статический

коэффициент

усиления (передачи) звена.

При упрощенной записи дифференциальных уравне-

ний, если символ

дифференцирования

-^-

заменить

на р, уравнение апериодического звена примет вид

(Тр +

)-!•„,„

=-**„.

такой зависимостью

между

лт

ых

х*%

переходных

режимах работают

фазочувствительные

электронные

усилители,

однокаскадные

магнитные усилители, термо-

пары, термометры сопротивления, контуры из активных

сопротивлений с емкостью и другие звенья.

Динамические характеристики безынерционного к

апериодического звеньев показаны соответственно на

рис. 32, а, б и в, колебательных, интегрирующих и

диф"

ференцирующих

— соответственно на рис, 32, г, д, е.

Передаточная функция апериодического звена име-

ет вид

Тр+

где

Т — величины,

зависящие

от параметров звена, и для каж-

дого звена они имеют определенный физический смысл.

Рассмотрим, например, апериодическое звено, пред-

ставляющее собой цепь постоянного тока с активным

Рис. 32.

Характеристики

звеньев систем

Рис. 33. Электрическое

апериодическое звено

.т:

сопротивлением

и емкостью (рис, 33). При изменении

напряжения на входе системы будет изменяться и за-

ряд конденсатора. Согласно закону Кирхгофа полное

напряжение

на входе для такого контура

Заряд конденсатора определяется его емкостью и на-

пряжением на выходе, т. е.

Ос =

№

»ь>*.

В переходном процессе конденсатор разряжается или

заряжается и в цепи течет ток силой

Указанный ток вызывает падение напряжения на резис-

торе сопротивлением К:

Следовательно,

Если теперь заменим

—

— на

рЦ

то

получим

Из сравнения полученного уравнения с ранее ука-

занным

Лых

{Тр-\-

1)=

их,

видно, что

Г=КС.

Таким

образом, Т — постоянная времени переходного процес-

са, в данном случае имеет конкретный физический

смысл и зависит от параметров К и С.

Аналогично определяют постоянную времени пере-

ходного процесса и для других звеньев.

Как

колебательные

звенья

в автоматических систе-

мах используют центробежные измерители угловой ско-

рости валов,

электродвигатели,

соленоидные измери-

тельные элементы с противодействующими пружинами,

электромашинные усилители с поперечным полем и дру-

гие элементы. Характерной особенностью таких звеньев

является способность аккумулирования энергии двух

видов: например, кинетической и потенциальной, элек-

трической и магнитной. Возможные запасы энергии в

звене определяются соответственно постоянными вре-

мени

и Т„,

Т„.

При переходных режимах в

звене происходит обмен между этими видами энергии.

Динамические характеристики колебательных звень-

ев изображены на рис. 32, г, а аналитически они выра-

жаются

уравнением

Следовательно, передаточная функция колебатель-

ного звена

интегрирующим

звеньям

относят такие элементы

средств автоматизации, переходные режимы в которых

описываются уравнением

<**-„„

У таких звеньев выходная величина пропорциональна

интегралу от входной величины:

Б качестве интегрирующих звеньев в средствах ав-

томатизации на судах используют гидравлические

поршневые механизмы и электродвигатели, действую-

щие в режиме отработки угла поворота вала.

Графически динамические характеристики таких

звеньев имеют вид, изображенный на рис. 32, д.

Дифференцирующие звенья обеспечивают пропорци-

ональную зависимость выходной величины от скорости

изменения сигнала на входе и их динамические харак-

теристики выражаются уравнениями

**,•

Передаточная функция дифференциальных звеньев

(шеет вид

Ър

(Тр+\) '

Графические характеристики таких звеньев

(сильфо-

нов

с перепускными клапанами; дифференцирующих

трансформаторов;

гидропневмоуспокоителей

в виде ци-

линдров с дроссельным клапаном, поршней с пружи-

ной, называемых катарактами и других элементов) при-

ведены на рис. 32, е.

Передаточные функции звеньев позволяют наряду с

функциональной (элементной) схемой представить лю-

бую автоматическую систему в виде структурной схе-

мы, отражающей ее динамические свойства. Звенья в

этом случае могут совпадать с элементами системы,

могут включать несколько элементов или, наоборот,

быть частью одного элемента. По структурной схеме

автоматической системы и передаточным функциям ее

отдельных звеньев можно определить передаточную

функцию системы в целом, т. е. еще при проектирова-

нии установить характер поведения системы в переход-

ном режиме или составить уравнение движения (мате-

матическую модель) системы.

Рис 34 Способы соединения звеньев

Модель,

т. е. аналог реальной системы позволяет в

этом случае определить теоретически качественные по-

казатели будущей системы, найти пути их улучшения;

решить отдельные вопросы изготовления, эксплуатации,

эффективности функционирования и другие технико-

экономические проблемы.

При составлении

уравнения

движения (математиче-

ской модели) системы руководствуются следующими

правилами:

результирующая передаточная функция группы по-

следовательно включенных в систему звеньев равна

произведению передаточных функций отдельных звень-

ев, а для группы параллельно соединенных звеньев

равна сумме передаточных функций отдельных звеньев.

Для доказательства рассмотрим цепочку звеньев,

схема которой представлена на рис. 34, а. Передаточ-

ные функции звеньев следующие: первого звена

У,

х>/х,х;

второго звена:

Уг

—

Хг/хс,

третьего звена

№,=х,

*/х

Перемножив передаточные функции звеньев, полу-

Для звеньев, соединенных параллельно (рис. 34, б),

можем записать:

Сложив передаточные

функции,

найдем:

+Х.+Х

Пользуясь аналогичными рассуждениями, можно

вывести также формулу

передаточной

функции систе-

мы с

комбинированным

включением звеньев

(рис.

34, в),

Проектирование автоматических систем начинается

с изучения условий эксплуатации объекта и формиро-

вания требований к управляющим устройствам. Кон-

структивные элементы системы должны состоять из

унифицированных узлов и отличаться простотой обслу-

живания Их масса, габариты и стоимость должны

отвечать требованиям эксплуатации в судовых услови-

ях. Крен, дифферент, повышенные температура и влаж-

ность воздуха в машинно-котельных помещениях не

должны влиять на надежность их действия. Средства

автоматизации в таких условиях не должны давать

ложных сигналов.

Кроме рассмотренных общих требований, к судовым

автоматическим и автоматизированным системам предъ-

являются частные

требования,

например удобство мон-

тажа в судовых условиях, приспособленность к дистан-

ционному управлению, пожаро- и взрывобезопасность

в т. д.

Практическая пригодность средств автоматизации в

первую очередь определяется их устойчивостью и при-

емлемым качеством регулирования.

14 КОРРЕКТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Интегральные регуляторы. Улучшение

качественных

показателей работы автоматических систем заключа-

ется в повышении их статической точности, уменьшении

времени переходного режима,

>сидении

чувствительнос-

ти элементов, достижении требуемой надежности.

Повышения статической точности автоматической

системы можно достигнуть путем увеличения ее обще-

го коэффициента усиления. В ряде случаев

удается

подобрать такой общий коэффициент усиления, при ко-

тором статическая ошибка, время переходного режима

и колебательность системы не превышают допустимых

пределов. Однако увеличивать общий коэффициент

можно до определенных пределов, так как при больших

его значениях могут появиться нежелательные колеба-

ния регулируемых параметров в переходных режимах

и даже неустойчивость системы. Иногда конструкция

автоматической системы исключает возможность увели-

чения ее общего коэффициента усиления. Тогда

изменяют структурные схемы автоматических систем

введением в них дополнительных звеньев. Такие допол-

нительные звенья, предназначенные для улучшения

статических и динамических свойств систем, называют

корректирующими устройствами.

По способу включения в систему корректирующие

устройства делят на последовательные и параллельные.

Последовательные корректирующие устройства вклю-

чают после тех элементов системы, динамические харак-

теристики которых требуют улучшения. Параллельные

корректирующие устройства, называемые

дополнитель-

ными обратными связями, включают параллельно одно-

му или нескольким элементам системы.

Влияние последовательных корректирующих уст-

ройств на качество работы автоматических систем по-

кажем на примере регулятора угловой скорости колен-

чатого вала дизеля. В схему регулятора (см. рис. 27, б)

включены два последовательных корректирующих

уст-

ройства: золотниковый усилитель 3 и гидроцилиндр 5

(рис.

35,

и).

Рассмотрим принцип работы системы с

указанными

корректирующими

элементами в установившихся и пе-

реходных режимах. Предположим, что в какой-то мо-

мент 1\ (рис. 35, 6) при мощности

потребляемой

гребным винтом, коленчатый вал вращается с угловой

скоростью

юо.

При увеличении нагрузки до

Л',

угло-

вая скорость вала начнет уменьшаться, грузы центро-

бежного измерителя сойдутся и, растягивая пружину,

опустят муфту 2 (см. рис. 35, а). Последняя через ры-

чаг 1 сместит вниз золотник усилителя 3. Масло из

смазочной системы поступит в нижнюю полость гидро-

цилиндра 5, поршень которого, перемещаясь вверх, че-

рез шток и систему рычагов сместит рейку 4 таким

Рис. 35. Интегральный регулятор:

а —

функциональная

схема; б —

нагрузочная

характеристика; в — график

переходного режима

образом, что подача топлива увеличится. При возрас-

тании угловой скорости вала регулятор будет воздей-

ствовать на элементы системы противоположным обра-

зом. Угловая скорость вала будет колебаться до тех

пор, пока система не придет к новому заданному ре-

жиму работы с нагрузкой №.

Однако, как видно из схемы, при любом установив-

шемся режиме поршень гидроцилиндра всегда занима-

ет вполне определенное положение, при котором золот-

ник перекрывает полностью окна, соединяющие его с

гидроцилиндром. Следовательно, при увеличении на-

грузки до

Л^1

в новом установившемся режиме двига-

тель будет развивать ту же угловую скорость

шо

(см.

рис. 35, б), т. е. система регулирования работает как

астатическая. Рассмотрим, как будет вести себя регу-

лятор в переходном режиме. При увеличении нагрузки

угловая скорость вала через некоторое время

(г—^^

(рис. 35, в) уменьшится до

шь

Регулятор начнет уве-

личивать подачу топлива. Угловая скорость вала будет

приближаться к заданному значению. Но даже при за-

данной скорости в момент

регулятор по инерции все

еще перемещает рейку топливных насосов в прежнем

направлении и только в момент

(л

уменьшит подачу

топлива, что снова приведет к снижению угловой ско-

рости вала. Регулятор приобретет новое установившее-

ся

состояние только после того, как произойдет множе-

ство колебаний со в сторону уменьшения и увеличения

ее по отношению к заданному значению

соо.

Таким образом, введение в автоматическую систему

последовательных корректирующих устройств повыси-

ло статическую точность регулятора, однако длитель.

ность перехода его из одного режима в другой стала

сравнительно большой вследствие быстрого реагирова-

ния системы на скорость изменения угловой скорости

вала. Такие регуляторы в теории автоматики называ-

ют

интегральными

(И-регуляторами).

Подобные регу-

ляторы можно устанавливать на объекты автоматиза-

ции, обладающие свойством саморегулирования, в про-

тивном случае продолжительность переходного режима

может быть слишком большой и при определенных ус-

ловиях колебания системы могут стать незатухающи-

ми, т. е. автоматическая система потеряет устойчивость.

Пропорциональные регуляторы. Для обеспечения

устойчивости работы системы в нее включают парал-

лельные корректирующие устройства. Эти устройства

обычно называют обратными связями, так как они ока-

зывают воздействия на одно или несколько предыду-

щих звеньев системы. Если обратная связь усиливает

сигнал, поступающий на вход звена, параллельно кото-

рому связь подключена, она называется положитель-

ной, а если ослабляет сигнал — отрицательной. Как

правило, в автоматические системы включают отрица-

тельные обратные связи. Рассмотрим принцип работы

регулятора с обратной связью ЛВС

{рис.

36, о). Ры-

чаг

ЛВС

шарнирно

соединен со штоком поршня гидро-

цилиндра

штоком золотникового усилителя 3 и пре-

образователем центробежного измерительного элемен-

та — муфтой 2. Пусть при одном из установившихся

режимов с нагрузкой

Л'о

(рис.

36,

б) регулятор под-

держивает угловую скорость вала «о При увеличении

нагрузки до

№,

как было указано, угловая скорость

вала понизится до он, грузы центробежного измерите-

ля через муфту 2 (см. рис. 36, а) сместят вниз золот-

ник усилителя 3. Так как поршень гидроцилиндра

первый момент заторможен маслом, находящимся в его

полостях, обратная связь (рычаг ЛВС) будет повора-

чиваться по часовой стрелке относительно неподвиж-

ной точки А. Как и в рассмотренном случае, поршень,

смещаясь вверх, под давлением масла в нижней

по-

Рис.

36. Пропорциональный

регулятор:

лости цилиндра передвинет рейку 4 топливного насоса

и регулятор восстановит заданную скорость вала. Од-

нако при

подъеме

поршня обратная связь сравнительно

быстро поставит золотник в нейтральное положение.

Подача масла в гидроцилиндр прекратится и поршень

через некоторое время

^2—^1

(рис.

36,

в) «зависнет» в

нем

при новой скорости вала.

Итак, положение поршня в цилиндре при различных

установившихся режимах будет разным в зависимости

от внешних возмущающих воздействий. Поэтому такие

регуляторы получили название пропорциональных

(обычно их называют

П-регуляторами).

Работают

П-регуляторы

как статические системы, их характери-

стики показаны на рис. 36, б, в. Вследствие жесткого

соединения исполнительного элемента с рычагом ЛВС

регулятору присуща определенная статическая ошиб-

ка, однако наличие жесткой обратной связи повышает

устойчивость, снижает число колебаний и время пере-

ходного режима системы, что очень важно для объек-

тов автоматизации, не обладающих свойством саморе-

гулирования.

Пропорционально-интегральные регуляторы. В це-

лях повышения статической и динамической точности

очень часто, в том числе и в судовых средствах авто-

матизации, применяют пропорционально-интегральные