Параметрический анализ системы автоматического регулирования СЭУ (судовых электрических установок)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

По дисциплине "Автоматизация судовых энергетических установок"

Тема: "Параметрический анализ системы автоматического регулирования СЭУ"



Введение

Широкое внедрение автоматизации судовых энергетических установок на морском и речном транспорте ставит перед инженерно-техническим персоналом, эксплуатирующим судовую технику, новые задачи и предъявляет высокие требования к квалификации работников.

Научно-технический прогресс на водном транспорте проявляется в создании новых комплексно-автоматизированных судов. Это обстоятельство требует более высокой подготовленности судовых механиков, способных не просто эксплуатировать автоматизированные объекты, но и повышать технико-экономическую эффективность работы судовых энергетических установок путем применения практических и теоретических методов оптимизации процессов регулирования и управления сложными объектами.

Меняются функциональные обязанности судовых механиков. Большее внимание приходится уделять вопросам наладки и оптимизации работы средств судовой автоматики. Практически состоялся процесс вывода машинной команды из машинно-котельного отделения судов за счет широкого внедрения средств дистанционного автоматизированного управления энергетическими объектами, централизованных систем контроля и комплексных систем управления. Это позволило существенно улучшить условия труда и быта моряков, сократить численность экипажей при увеличении ресурса и надежности работы механизмов, что повышает безопасность мореплавания.

Увеличение степени и объема автоматизации судов вызывает необходимость подготовки высококвалифицированных специалистов, способных освоить и эксплуатировать современные автоматизированные силовые установки, обеспечивая их экономичную и надежную работу.

Практическая задача, решаемая в курсовой работе, заключается в следующем. При ходе судна на волнении, режимах буксирования, других режимах главный двигатель (ГД) практически постоянно работает на переменных режимах, что приводит к необходимости контроля и настройки систем регулирования СЭУ по критериям качества переходных процессов СЭУ.

Рассматривая СЭУ как инерционный объект, на который подается внешнее возмущение в виде изменения нагрузки и задания режимов, инженер-судомеханик должен уметь расчетным путем определить зоны критических режимов, недопустимых с точки зрения устойчивости переходных процессов ГД и параметры регулятора, обеспечивающие безопасные режимы эксплуатации ГД в заданных условиях.



1. Выбор регулятора частоты вращения для двигателя

1.1 Определение требуемой работоспособности регулятора частоты вращения

Определим потребную работоспособность R регулятора в Дж по формуле, используя исходные данные табл.1

Таблица 1 Данные для расчета требуемой работоспособности регулятор

№ варианта	Тип дизеля	Номинальная мощность, Ре, кВт	Номинальная частота вращения,nrоб/мин	Маховой момент, GD2, кг·м2
8	6ЧН30/38	600	450	2300

R=К ·Vq·i·рк,,

где К-коэффициент, учитывающий размерность параметров дизеля (выбираетсяиздиапазона1.5-3.0);Vq- рабочий объем цилиндра двигателя, дм3;i-количество цилиндров; рк-давление наддува, мПа (выбирается из диапазона 0,11-0,25).Будемиметьввиду,что1Дж?9,8кг·см.

Принимаем К=2,0, а рк=0,16 МПа.

Вычисляем рабочий объём цилиндра

Определим потребную работоспособность в Дж.

Работоспособность определим по формуле:

R=К ·Vq·i·рк=2.0*26.847*6*0,16=51.150 Дж

В данном проекте подходит регулятор UG-40.



Показатели	UG40
Номинальная работоспособность, фунт·фут/Дж /кг·см	78,0 (57,5)
Номинальнаячастотавращенияприводноговала,мин-1	1000
Пределы настройки,%:наклона статической характеристики частоты вращения	0-6
Диапазон настройки частоты вращения,%	30-105
Угол поворота выходного вала, угла поворота: полный (конструктивный) номинальный(используемый)	42.0 >28.0
Управление частотой вращения	Дистанционное бесступенчатое
Направление вращения приводного вала регулятора	Как по часовой, так и против часовой стрелки
Тип механизма задания частоты вращения	Пневмогидравлический
Наличие и тип механизма ограничения подачи топлива по давлению наддува	Да,пневмогидравлического типа
Потребляемая мощность привода	370Вт (0,5л)
Применяемое масло (в зависимости от внешней температуры)	SAE10-SAE50 Масла для гидравлических систем
Количество масла, заливаемого в регулятор, л	3.2

1.2 Описание схемы работы регулятора UG40

Чувствительный центробежный элемент 6 регулятора (Рисунок 1) приводится во вращение через вал 7 с упругим элементом приводным валиком 18. Изодромная обратная связь 10 регулируется иглой 12 изодрома и указателем 3. Поршни аккумулятора 11 обеспечивают постоянное давление масла в напорной магистрали и быстродействие сервомотора. Для устранения биений в приводе имеются 2 гасящих упругих устройства: в приводном валике 7 из пластинчатых пружин; для гашения низких частот служит масляный успокоитель в ЧЭ.

Степень неравномерности регулятора может быть изменена от 0 до 12%. Для стационарных ДГ и ВОД с небольшими мощностями в цилиндрах степень неравномерности устанавливают около 5 %. Для дизелей с большими цилиндровыми мощностями степень неравномерности регулятора устанавливают 6-8 %.

При увеличении нагрузки пружина ЧЭ ослабляется силовой жесткой обратной связью 19, автоматически снижая частоту вращения. Это предохраняет цилиндры дизеля от резкого увеличения подачи топлива. При уменьшении нагрузки пружина поджимается, что предохраняет от резкого уменьшения подачи топлива. Таким образом обеспечивается стабильный температурный режим в цилиндрах дизеля.

Втулка 15 золотника вращается вместе с приводным валиком 13, сводя к минимуму осевое трение в золотнике 14.

При уменьшении нагрузки на двигатель частота вращения увеличивается, золотник 14 под действием увеличивавшихся центробежных сил грузов ЧЭ движется вверх и сообщает нижнюю управляемую полость силового сервомотора со сливом. Под действием давления масла верхней полости сервомотора, постоянно сообщающейся с напорной магистралью аккумуляторов 11, поршень 17 перемещается вниз и посредством валика 18, рычага 1 и тяги 20 уменьшает подачу топлива на двигатель. Жесткая обратная связь 19 посредством кулачного выступа увеличивает затяжку пружины ЧЭ, возвращая золотник 14 в исходное положение. В канале изодромной связи 10 создается разрежение за счет движения задающего поршня 9 изодрома вверх. Воспринимающий поршень 8 изодрома движется вниз и перемещает, так же как и ЖОС, золотник 14 в исходное положение.

При увеличении нагрузки частота вращения уменьшается, сила натяжения пружины ЧЭ становится больше центробежной силы грузов и золотник 14 движется вниз. Напорная магистраль сообщается с нижней полостью дифференциального поршня 17 сервомотора, и поршень сервомотора движется вверх, а тяга 20 - на увеличение подачи топлива. Жесткая обратная связь уменьшает натяжение пружины ЧЭ, а в канале изодромной связи создается повышенное давление, и золотник 14 под действием этих сил возвращается в исходное положение. Изменение задания осуществляется маховиком 2.

Неравномерность регулятора изменяется путем смещения кулачка 5 в пазу рычага обратной связи 19. Время действия изодромной связи определяется затяжкой иглы 12 изодрома, а коэффициент усиления - указателем 3. Различное положение указателя на шкале определяет точку опоры рычага 4 гибкой обратной связи. Это позволяет получить различную скорость задающего поршня 9 изодрома при одинаковых ходах силового поршня 17 сервомотора. Пружина 16 служит для компенсации веса золотника 14. Масляный насос реверсивного типа осуществляет подачу масла из сливной полости в напорную магистраль аккумуляторов 11.

Рис.1 Принципиальная схема регулятора UG-40



2. Уравнение САРЧ

Для выполнения расчета необходимо представить уравнение динамики заданного объекта регулирования. Уравнение динамики двигателя можно принять в виде

Tа(dц) / (d t) +zц= м- л (t),

где Та-постоянная времени объекта регулирования, характеризующая его инерционные свойства (по ГОСТ10511 этот параметр называется временем разгона);

z-коэффициент самовыравнивания;

ц,м,л- относительные координаты частоты вращения, регуляторного и нагрузочного воздействий на объект, соответственно. В дальнейшем расчете примем во внимание только регуляторное воздействие, исключив влияние нагрузки л(t).

Выбрав уравнение в таком упрощенном виде, будем полагать, что влияние агрегатов наддува, впускного ресивера иинерционных свойств топливной аппаратуры при сбросе нагрузки пренебрежимо мало. Элементы регулятора представляются в виде типовых динамических звеньев, описываемых типовыми уравнениями с входными и выходными координатами, выраженными в относительных единицах.

а) чувствительный элемент (датчик частоты вращения)

T2r(d2з) / (dt2)+ Тк(dз) / (dt)+з =kцц,

где Tr-постоянная времени, характеризующая влияние массы измерителя;

Tк-постоянная времени, характеризующая силы вязкого трения;

ц- координата частоты вращения;

з - координата муфты измерителя;

- степень неравномерности ИЧВ;

kц - коэффициент неравномерности измерителя, примем равным

б) сервомотора, состоящего из управляющего элемента- золотника

м =kмз,

где м -координата золотника;

kм- коэффициент передачи и исполнительного механизма (ИМ)

Tѕ(dн)/(dt)=ksм,

где н-координата исполнительного механизма;

Ts -постоянная времени ИМ.

в) жесткой обратной связи

где-координата на выходе ЖОС; kжос-коэффициент усиления ЖОС;

г) гибкой обратной связи

Ti (di )/(dt)=?ki

гдеi-координата на выходеГОС; Ti -постоянная времени ГОС (изодрома); ki- коэффициент усиления ГОС; д)уравнение передаточного звена



h = кмпн,

где кмп=0,66 - коэффициент передачи;

h -координата рейки ТНВД.

Исходные данные с вариантами постоянных величин в уравнениях динамики элементов регулятора приведены в таблице.

Исходныеданные для уравнений динамикирегулятора

Давлениенаддува, рк, МПа	Параметры регулятора
	ТТr, с	Тк, с	Тs, с	Тi, с	,о.е	,о.е	ks, о.е.	kжос, о.е.	ki, о.е.
0,16	0	0,07	0,12	0,4	0,03	1,2	1	1	1



3. Построение структурной схемы регулятора и САРЧ

Для получения структурной схемы регулятора необходимо преобразовать принципиальную схему регулятора в структурную схему.

Определение передаточных функций (ПФ).

Для получения ПФ необходимо выполнить преобразование дифференциальных уравнений, используя преобразование Лапласа.

При этом полагают, что

d/dt=p.

Для ГД (ОР):

Уравнение динамики принимаем в виде:

Уравнение динамики в операторной форме:

И передаточная функция:

Для чувствительного элемента (ИЧВ):

Уравнение динамики принимаем в виде:



учитывая, что по заданию Tr = 0 получаем уравнение динамики для ИЧВ в виде:

Уравнение динамики в операторной форме:

И передаточная функция:

Для сервомотора (УЭ):

Уравнение динамики принимаем в виде:

Уравнение динамики в операторной форме:

И передаточная функция:

Уравнение динамики принимаем в виде:



Уравнение динамики в операторной форме:

И передаточная функция:

Для жесткой обратной связи (ЖОС):

Уравнение динамики принимаем в виде:

Уравнение динамики в операторной форме:

И передаточная функция:

Для гибкой обратной связи (ГОС):

Уравнение динамики принимаем в виде:



Уравнение динамики в операторной форме:

И передаточная функция:

Для передаточного звена (МП):

Уравнение динамики принимаем в виде:

Уравнение динамики в операторной форме:

И передаточная функция:



4. Структурная схема САРЧ судового двигателя

Структурная схема представляет собой замкнутую систему, которая состоит из звена объекта регулирования - двигателя, охваченного главной обратно связью, соединяющей выходной параметр ОР - частоту вращения - с входным параметром - положением рейки ТНВД. В главную обратную связь включено управляющее устройство - регулятор частоты вращения. Входным параметром регулятора является частота вращения, а выходным - положение выходного органа регулятора (выходного вала или выходного штока/тяги).

Передаточная функция САРЧ Wсар(р) представляет собой передаточную функцию звена - объекта управления [Wоб(р)], - охваченного отрицательной обратной связью, содержащей звено - регулятор - с передаточной функцией Wр(р).

Используя выражение из уравнения динамики регулятора и двигателя преобразуем их в передаточные функции и получим передаточную функцию замкнутой одноконтурной САРЧ.

Для записи передаточной функции сложной структурной схемы, её следует преобразовать в соответствии с правилами преобразования структурных схем.

Для этого необходимо объединить каждое звено, охваченное обратной связью, или расположенные последовательно звенья в одном звено, записав их передаточные функции в соответствии с указанными правилами.

Тогда получим структурную схему, состоящую из последовательно и параллельно соединенных звеньев. Записывая передаточные функции звеньев регулятора и двигателя, получим передаточную функцию САРЧ

Далее, используя правила эквивалентных преобразований для различных видов звеньев, преобразуем структурную схему, и получим передаточную функцию для:

Регулятора:

И для САРЧ:

Подставляя передаточные функции звеньев, получаем:



5. Расчет устойчивости САРЧ

Для исследования устойчивости систем автоматического регулирования необходимо иметь характеристическое уравнение САРЧ. Для получения характеристического уравнения необходимо, прежде всего, записать передаточную функцию замкнутой системы (рис. 1)

Задача данного раздела заключается в выборе регулируемых параметров САРЧ с целью обеспечения необходимого качества переходного процесса. При этом предполагается, что изменение степени неравномерности регулятора допускается только в том случае, когда изменение постоянной времени катаракта не дает необходимого результата, а методика решения поставленной задачи определяется способом построения итоговой кривой переходного процесса.

Передаточные функции звеньев регулятора частоты вращения:

Передаточная функция двигателя.

Wдчв=1/(0,07Р+0,03)



Уравнение для усилителя

Передаточные функции звеньев регулятора частоты вращения:

(Р)

Подставляя передаточные функции звеньев, получаем:

Характеристическое уравнение записывается в виде:

0,043P4+0,0585Р3+1,57Р2+1,434Р + 0,33 = 0

Задача решается с использованием формулировки критерия устойчивости по Гурвицу. Для этого необходимо из коэффициентов характеристического уравнения составить главный определитель Гурвица по определенному правилу: вдоль главной диагонали записываются коэффициенты, начиная саn-1,вышеглавной диагонали записываются коэффициенты с индексом на единицу меньше, ниже главной диагонали записываются коэффициенты с индексом на единицу больше. Порядок определителя соответствует порядку характеристического уравнения. Из этого определителя составляются диагональные миноры, которых должно быть n -1.

Система автоматического управления будет устойчивой тогда и только тогда, когда все диагональные миноры главного определителя будут положительны.

Для нашей задачи главный определитель Гурвица имеет вид

Д	0,0585	1,434	0	0
	0,043	1,57	0,33	0
	0	0,0585	1,434	0
	0	0	1,57	0,33



Последовательно вычислим диагональные миноры определителей:

Д1= а1=0,585>0;

Д2= а1·а2- а0·а3=0,0585 * 1,57 - 0,043 * 1,434 = 0,03019>0;

Д3= Д2· а3 = 0,03019 * 1,434 = 0,00433>0;

Д4= Д3· а4 = 0,00433 * 0,33 = 0,001429>0.

Все диагональные миноры данного характеристического уравнения положительны, следовательно, система устойчива.



Вывод

двигатель автоматический шатунный энергетический

В соответствии вариантом курсовой работы была выполнена принципиальная схема регулятора типа UG-40, с кратким описанием и принципом его работы. Произведен расчет устойчивости САРЧ, составлены уравнения динамики и передаточная функция САРЧ.

В данной работе для двигателя 6ЧН30/38 был выбран регулятор числа оборотов UG-40. Данная система САРЧ является устойчивой, так как в результате расчёта определители главных миноров больше нуля.



Список литературы

1. Петров А. П., Живлюк Г. Е. Параметрический анализ системы автоматического регулирования СЭУ: учебно-методическое пособие. - СПб.:СПГУВК, 2011. - 49 с.

2. Ланчуковский В. И., Козьминых А. В. Автоматизированные системы управления судовыми дизельными и газотурбинными установками: Учебник для вузов - 2-е издание, перераб. и доп. - М:Транспорт, 1990. - 335 с.

3. Письменный Д.Т. Конспект лекций по высшей математике часть 1 - 5-е издание М.: Айрис-пресс, 2005. 288 с.: ил.

4. Теория и устройство корабля: учебник - 2-е издание исправленное и доп. - СПБ.: Судостроение, 2000. - 336 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru

...