Свойства системы автоматического регулирования скорости

Размещено на http://www.allbest.ru

106

1. Регулятор частоты вращения

1.1 Назначение

Регулятор выполняет следующие функции:

- управляет подачей топлива, изменяя положение реек топливных насосов через рычажную передачу, и возбуждением генератора, изменяя положение якоря индуктивного датчика, включенного в цепь управления возбуждением возбудителя тягового генератора;

- обеспечивает возможность использования полной мощности дизеля и ограничивает его перегрузку при различных условиях движения, а также при включении и выключении вспомогательных агрегатов;

- обеспечивает с помощью электрогидравлического устройства дистанционное и ручное управление частотой вращения коленчатого вала дизеля путем изменения затяжки всережимной пружины регулятора.

автоматический регулятор частота вращение скорость

1.2 Состав, устройство и работа составных элементов

Регулятор выполнен в виде отдельного агрегата, имеющего следующие функциональные устройства:

- измерительное устройство;

- устройство для дистанционного и местного управления частотой вращения;

- устройство для регулировки степени неравномерности;

- устройство ограничения принимаемой двигателем нагрузки;

- устройство регулирования изодрома;

- встроенный масляный насос;

- гидравлический сервомотор;

- гидроаккумуляторы.

Грузы регулятора, образующие центробежный чувствительный элемент, приводятся во вращение от приводного вала через ведомую шестерню насоса, являющуюся полумуфтой, промежуточный вал и шестерню привода грузов.

Разница центробежной силы грузов и усилия затяжки пружины действует на шток, который через плавающий рычаг связан с золотником

При изменении частоты вращения двигателя, а следовательно, и грузов нарушается равновесие между силой затяжки пружины и центробежной силой, действующей на грузы. Это приводит к перемещению золотника во втулке. Это приводит к перемещению поршня сервомотора, который воздействует на топливную рейку и изменяет подачу топлива.

1.3 Настроечные элементы регулятора

Объем и последовательность регулировок

Регулировка регулятора, уже установленного на двигателе, обычно сводится к следующему:

а) проверить состояние и согласование положения топливной рейки и рычага, установленного на выходном валу регулятора, связанных тягами, см. п. 12.1;

б) отрегулировать максимальную или минимальную частоту вращения;

в) установить необходимую степень неравномерности;

г) отрегулировать время изодрома.

Регулировка максимума частоты вращения

Установить ручку ограничителя нагрузки на деление «5», ручка установки степени неравномерности может находиться в произвольном положении.

Снять указательную плату, декоративную ручку и вывести шестерню из зацепления с блок-шестерней.

Запустить двигатель и ручкой (правой верхней) установить необходимую максимальную частоту вращения двигателя (+=-110% от Nном).

Ввести шестерню в зацепление с блок-шестерней.

Установить на место указательную плату и ручки.

Установка степени неравномерности

В процессе работы установки происходит изменение характеристик объекта регулирования (двигателя) и регулятора Поэтому периодически возникает необходимость в корректировке степени неравномерности регуляторов разных двигателей. Такая необходимость появляется также после ремонта или замены регулятора.

Регулировка времени изодрома

Если при изменении нагрузки на двигатель появляются большие динамические забросы или двигатель медленно восстанавливает заданную частоту вращения (большое время переходного процесса), необходимо отрегулировать время изодрома регулятора.

Регулировка времени изодрома должна производиться после проведения регулировок на двигателе, работающем без нагрузки, после его прогрева и достижения постоянной температуры масла в регуляторе в следующем порядке:

а) ослабить стопорную гайку стрелки указателя настройки изодрома, установить стрелку в верхнее положение по шкале (максимум) и затянуть гайку снова;

б) отвернуть пробку-заглушку иглы изодрома, вывернуть иглу на 3--5 оборотов и дать двигателю поработать с колебаниями частоты вращения около 0,5 мин для того, чтобы выпустить воздух из масляных клапанов регулятора;

в) снова ослабить гайку стрелки указателя и установить стрелку в самое нижнее положение («min»), зажать гайку, медленно вворачивать иглу изодрома до тех пор, пока колебания частоты вращения двигателя прекратятся. Далее необходимо проверить величину открытия иглы. Для этого, отметив положение иглы, ввернуть ее до упора в седло и снова вывернуть до ранее отмеченного положения, при котором колебания оборотов двигателя прекратились.

Если игла изодрома находится в открытом положении более чем на 1/8 оборота и менее 1/4 оборота от упора для регулятора с одной пружиной изодрома или более 1/2 и менее 3/4 оборота для регулятора с двумя пружинами изодрома, регулировку изодрома считать удовлетворительной и дальнейшие подпункты «г», «д», «ж» и «з» не выполнять. Для окончательной проверки регулировки времени изодрома необходимо вручную переместить рейку топливного насоса, изменяя частоту вращения двигателя.

Изменившаяся частота вращения двигателя должна быстро (не более чем за 5 с) вернуться к заданной и не колебаться при дальнейшей работе двигателя;

г) если при ввертывании иглы колебания частоты вращения двигателя не прекращаются при степени открытия иглы от 1/4 До 1/8 оборота для регуляторов с одной пружиной изодрома или от 1/2 до 3/4 оборота для регуляторов с двумя пружинами, необходимо поднять стрелку-указатель на 2 деления по шкале;

д) далее вывернуть иглу изодрома приблизительно на 1 оборот и дать двигателю поработать с колебаниями частоты вращения в течение 0,5 мин;

ж) продолжать регулировку согласно подпункту «в»;

з) если необходимо, повторить регулировку согласно подпунктам «г», «д» и «в» до тех пор, пока не будут получены удовлетворительные результаты.

Необходимо стремиться к тому, чтобы время изодрома было минимальным. Слишком малое открытие иглы (меньше рекомендуемого) приводит к тому, что регулятор медленно восстанавливает заданную частоту вращения двигателя.



1.4 Функциональная схема регулятора

1.5 Принцип действия регулятора

Грузы регулятора, образующие центробежный чувствительный элемент, приводятся во вращение от приводного вала через ведомую шестерню насоса, являющуюся полумуфтой, промежуточный вал и шестерню привода грузов.

Разница центробежной силы грузов и усилия затяжки пружины действует на шток, который через плавающий рычаг связан с золотником.

На установившемся режиме работы двигателя усилие затяжки пружины уравновешивается центробежной силой грузов и шток, плавающий рычаг и золотник находятся в среднем положении.

При изменении частоты вращения двигателя, а следовательно, и грузов нарушается равновесие между силой затяжки пружины и центробежной силой, действующей на грузы. Это приводит к перемещению золотника во втулке. Перемещение золотника соединяет подпоршневое пространство сервомотора либо с напорной полостью гидроаккумуляторов, либо со сливом в масляную ванну регулятора.

Это приводит к перемещению поршня сервомотора, который воздействует на топливную рейку и изменяет подачу топлива (пара).

Поршень сервомотора является дифференциальным. При работе регулятора в верхнюю полость сервомотора постоянно подается масло из нагнетательной полости, куда оно нагнетается масляным насосом регулятора Поршень сервомотора перемещается под действием разности давления масла в верхней полости (где всегда масло находится под давлением нагнетания от аккумуляторов) и нижней полости. Давление масла в нижней полости меняется от давления нагнетания до 0 в зависимости от положения поля управляющего золотника относительно нижнего окна золотниковой втулки. Когда давление масла в нижней полости равно давлению нагнетания золотник опущен вниз, и через открытое золотником нижнее окно втулки золотника в нижнюю полость поступает масло под давлением), то вследствие большей площади нижнего донышка поршня по сравнению с верхним поршень перемещается вверх, поворачивая выходной вал регулятора на увеличение подачи топлива. Если управляющий золотник поднят, то нижняя полость сервомотора сообщена со сливом (масляной ванной), давление в этой полости упадет и под большим давлением масла в верхней полости поршень сервомотора будет перемещаться вниз, поворачивая выходной вал на уменьшение подачи топлива в двигатель Очевидно, при давлении.

1.6. Классификация регулятора

Автоматические регуляторы частоты вращения ДВС можно классифицировать по различным признакам. Приняты следующие основные принципы классификации.

По осуществляемому закону регулирования. Под законом регулирования понимается основная, принципиальная аналитическая зависимость выходного воздействия регулятора на объект регулирования (перемещение рейки топливных насосов) от изменения входного сигнала, получаемого регулятором от объекта регулирования (изменение частоты вращения двигателя). В соответствии с этим различают:

- пропорциональные (П-регуляторы). Перемещение рейки топливных насосов у этих регуляторов пропорционально изменению частоты вращения двигателя;

- интегральные (И-регуляторы). Отклонение частоты вращения влияет только на скорость перемещения рейки топливных насосов;

- пропорционально-интегральные регуляторы (ПИ-регуляторы). Изменение частоты вращения влияет на величину и скорость перемещения рейки топливных насосов;

- пропорционально-дифференциальные (ПД-регуляторы). На перемещение рейки топливных насосов влияют величина и скорость изменения частоты вращения;

- пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы (ПИД-регуляторы). Перемещение рейки топливных насосов зависит от частоты вращения и от скорости ее изменения. Изменение частоты вращения влияет также на скорость перемещения регулирующего органа, в данном случае рейки топливных насосов.

По назначению и режимности работы

- однорежимные регуляторы, которые поддерживают один скоростной режим двигателя;

- двухрежимные регуляторы, поддерживающие два скоростных режима двигателя (минимально устойчивой частоты вращения и номинальной частоты вращения);

- всережимные регуляторы, поддерживающие любой заданный скоростной режим двигателя от минимально устойчивой до номинальной частоты вращения;

- предельные регуляторы, которые включаются в работу только в случае превышения номинальной частоты вращения двигателя;

- предельные выключатели, которые останавливают двигатель путем прекращения подачи топлива (постановкой топливной рейки на нулевую подачу) при чрезмерном, опасном для двигателя увеличении частоты вращения.

По виду регуляторной характеристики. Регуляторной характеристикой называется зависимость Ne = f (n) на установившихся режимах работы двигателя при управлении рейкой топливных насосов автоматическим регулятором, настроенным на определенный скоростной режим.

На рисунке штриховая линия 1 -- внешняя характеристика номинальной мощности, а линии 2--5 -- регуляторные характеристики. В зависимости от вида регуляторной характеристики различают регуляторы:

Виды регуляторных характеристик

- статические, которые увеличивают поддерживаемую частоту вращения коленчатого вала двигателя при уменьшении нагрузки на двигатель (линии 2--4). Статические характеристики могут иметь различные формы. При выпуклой регуляторной характеристике 2 по мере снижения нагрузки на двигатель устойчивость режимов его работы при малых нагрузках уменьшается. В случае вогнутой регуляторной характеристики 3 устойчивость режимов работы двигателя ухудшается с увеличением нагрузки. При прямолинейной регуляторной характеристике 4 устойчивость работы двигателя на всех нагрузках не меняется;

- астатические (линия 5), которые поддерживают частоту вращения постоянной при любых нагрузках.

По типу измерительной части регулятора:

- механические, у которых входной сигнал (частота вращения) преобразуется измерителем регулятора в механическое перемещение;

- гидравлические -- у которых входной сигнал (частота вращения) преобразуется в энергию давления масла;

- электрические, у которых входной сигнал преобразуется в электрическую величину (напряжение или силу тока).

По источнику энергии для выходного сигнала, перемещающего топливную рейку:

- прямого действия, когда перемещение топливной рейки происходит только за счет энергии, сообщаемой ей измерительной частью регулятора;

- непрямого действия, когда выходной сигнал измерительной части регулятора передается на топливную рейку усиленным за счет введенного в схему усилителя.

Регуляторы непрямого действия, в свою очередь, классифицируются по виду применяемой энергии усиления: они могут быть гидравлическими, электрическими и пневматическими, а также комбинированными.

Для стабилизации процесса регулирования в регуляторах непрямого действия применяют обратные связи. По типу обратных связей регуляторы классифицируются на регуляторы с жесткими и с гибкими обратными связями. Регуляторы с жесткими обратными связями осуществляют пропорциональный закон регулирования (П-регуляторы), их регуляторная характеристика -- статическая. Регуляторы с гибкими обратными связями (чаще всего гибкие обратные связи выполняются в виде изодромного устройства) осуществляют пропорционально-интегральный закон регулирования (ПИ-регуляторы), их регуляторная характеристика -- астатическая.

По количеству подаваемых входных сигналов различают регуляторы:

- одноимпульсиые, работающие по отклонению только одной величины, т. е. частоты вращения;

- двухимлульсные, работающие по отклонению двух величин -- частоты вращения и нагрузки.



2. Система автоматического регулирования скорости

2.1 Обобщённая функциональная схема САРС

2.2 Действие САРС в переходных процессах

При возмущающих воздействиях на систему в ней возникают переходные процессы, которые в функции времени описываются дифференциальными уравнениями.

Переходным процессом системы называется изменение во времени ее состояния (параметров) с момента появления управляющего или возмущающего воздействия на систему, находившуюся в установившемся (равновесном) состоянии, до момента установления в ней вновь установившегося состояния.

Переходный процесс системы зависит от ее динамических свойств, действие которых проявляется в переходных режимах и которые определяются внутренними физическими и конструктивными особенностями системы: инерционностью, способностью запасать энергию, запаздыванием реакции на возмущающее воздействие и т. д.

При проектировании системы автоматического регулирования какого-либо технологического процесса, а также при определении параметров настройки или исследовании поведения существующей системы необходимо знать характер переходных процессов в ней, для чего необходимо определить математические зависимости, которыми описывается процесс автоматического регулирования.

Для облегчения решения задачи при определении уравнения процесса автоматического регулирования систему разбивают на отдельные элементарные звенья, переходные процессы в которых описываются достаточно простыми дифференциальными уравнениями.

При появлении возмущающих воздействий, вызывающих отклонения регулируемого параметра от заданного значения, система реагирует на эти возмущения таким образом, чтобы восстановилось заданное значение регулируемого параметра.

В правильно спроектированной системе регулирования даже в случае возникновения наибольших возможных возмущающих воздействий отклонение регулируемого параметра от заданной величины при протекании переходных процессов не должно быть значительным; только в этом случае система регулирования будет должным образом выполнять свои функции.

Характер переходного процесса зависит не только от свойств системы, но и от вида возмущающих воздействий. Для составления уравнения процесса регулирования и расчета системы обычно задаются мгновенным скачкообразным возмущающим воздействием на систему, так как этот случай наиболее неблагоприятен для работы системы.



3. Статические свойства дизеля, регулятора и САРС

3.1 Статическая характеристика регулятора

В соответствии с передаточной функцией уравнение динамики пропорционального одноимпульсного регулятора примет вид:

Если в уравнении принять равными нулю все производные получим уравнение статики регулятора:

 или  

Разделим уравнение на К ж и получим:

 

- постоянная времени регулятора

- коэффициент усиления регулятора

П-регулятор имеет два параметра настройки:  и . - коэффициент постоянный, т.к. его величина определяется конструктивным исполнением регулятора,  зависит от угла наклона лекала ЖОС. Время сервомотора  изменяется в зависимости от степени открытия дроссельного игольчатого клапана.

Принимая в уравнении динамики все производные равными нулю, получаем уравнение статики регулятора:

Статическая характеристика регулятора

Из условий качества переходных процессов неравномерность регулятора , тогда при = 50 получаем .

3.2 Статическая характеристика ОР

Зависимость выходной величины от входной величины в установившемся режиме называется статической характеристикой ОР. Статические характеристики могут быть как линейными, с различными коэффициентами наклона, так и нелинейными, при чем большинство реальных объектов в целом имеют нелинейные.



Статические характеристики ОР.

Эти характеристики ОР дают возможность оценить степень связи между различными входными и выходными величинами объекта.

Статические характеристики определяют расчетным или экспериментальным путем.

3.3 Статическая характеристика САРС

Статическая характеристика строится в соответствии с уравнением статики . Статической характеристикой называется графическое представление зависимости выхода от входа в установившемся режиме.



Статическая характеристика САР давления пара

Реальная статическая характеристика - это площадь, отличающаяся наличием нечувствительности, которая зависит от регулятора и характеризуется:

зоной нечувствительности;

абсолютной нечувствительностью;

коэффициент нечувствительности.



4. Динамические свойства САРС и её элементов

4.1. Динамически свойства ОР

Выбор элементного состава системы регулирования, законов регулирования, обеспечение требуемого качества процесса регулирования во многом определяется динамическими свойствами элементов АСР, и прежде всего объекта регулирования. Для определения динамических свойств ОР используют его динамические характеристики, к числу которых относят: разгонные характеристики, импульсные характеристики, частотные характеристики.

Динамические характеристика, как правило, определяются экспериментально. При невозможности получения экспериментальной характеристики пользуются методом математического моделирования АСР, описывая ее поведение дифференциальными уравнениями.

Разгонные характеристики объектов регулирования

Разгонной или переходной характеристикой называют зависимость изменения выходной регулируемой величины от времени yвых(t). Для получения разгонной характеристики ОР ступенчатое воздействие может быть приложено к объекту регулирования или к регулятору.

Разгонные характеристики снимают при испытаниях или наладке в случаях, когда можно нанести значительные по величине и продолжительности во времени воздействия, достаточные для того, чтобы закончился переходный процесс, т.е. стабилизировался регулируемый параметр, по отношению к которому получают разгонную характеристику, либо стабилизировалась скорость его изменения.

Импульсные характеристики объектов регулирования

Импульсная характеристика представляет собой кривую изменения регулируемого параметра в результате временного импульсного воздействия, то есть такого импульса, когда нанесенное ступенчатое воздействие спустя некоторый промежуток времени так же ступенчато полностью снимается.

Импульсное воздействие можно рассматривать как действие двух равных и противоположных по направлению ступенчатых воздействий, из которых второе нанесено позднее первого на .

Частотные характеристики объектов регулирования

Частотные характеристики определяют путем приложения к ОР воздействия периодической гармонической формы. Схема получения частотных характеристик приведена на рисунке.

Схема получения частотных характеристик: 1- объект регулирования, 2- регулятор, 3- исполнительный механизм, 4- регулировочный орган, 5- генератор колебаний, 6- регистратор.

Для получения частотной характеристики нет необходимости размыкать главную обратную связь в АСР. Частотный сигнал подается на задатчик регулятора от генератора синусоидальных колебаний. При этом перемещения регулировочного органа также принимают гармоническую синусоидальную форму с определенной амплитудой и заданной частотой .

4.1.1 Составление дифференциального уравнения ОР

Система автоматического управления состоит из взаимосвязанных и взаимодействующих между собой управляемого объекта и управляющего устройства. Поэтому для получения дифференциального уравнения всей системы необходимо составить уравнения для каждого из них.

При составлении дифференциального уравнения объекта необходимо прежде всего выявить физический закон (или совокупность законов), определяющий его поведение. Таким законом может быть, например, закон сохранения энергии, закон равновесия электродвижущих сил и другие основные законы физики. Математическое выражение соответствующего физического закона и является исходным дифференциальным уравнением управляемого объекта.

Например, для составления дифференциального уравнения электродвигателя, являющегося управляемым объектом для системы стабилизации скорости вращения, используется закон равновесия моментов на его валу, который может быть записан в следующем виде:

. -- тормозной момент внешних сил (момент нагрузки), являющийся для данного объекта возмущающим воздействием.

. Нужно также выяснить, является ли приведенный момент инерции постоянной величиной или он изменяется в функции какой-либо переменной.

можно представить в виде

. В зависимости от знаков вещественных частей корней этого полинома объект может быть устойчивым или неустойчивым (см. § 4.8).

на характер изменения управляемой величины.

Управляющее устройство, как показано на рис. 1.3; состоит из различных элементов или звеньев. Уравнения некоторых из них известны заранее. Например, для следящей системы (рис. 1.15) датчик угла рассогласования может быть представлен безынерционным звеном, т. е.

усилитель -- апериодическим звеном первого порядка, т. е.

и т. д.

Для другой группы элементов дифференциальные уравнения составляются аналогично тому, как это делалось для управляемого объекта.

В результате получается дифференциальное уравнение управляющего устройства

В первом случае получается дифференциальное уравнение



порядка характеризует свободное движение системы автоматического управления. Он называется характеристическим полиномом замкнутой системы и может быть представлен в виде

в линеаризованной системе представляют собой постоянные коэффициенты.

отличается от характеристического полинома

. Это означает, что и свободное движение системы может существенно

отличаться от свободного движения объекта. В частности, .если управляемый объект неустойчив, то при правильно выбранных алгоритме управления и параметрах управляющего устройства система в целом будет устойчивой. Наоборот, при неправильном выборе система автоматического управления устойчивым объектом может стать неустойчивой.

, причем последняя должна как можно более точно воспроизводить задающее воздействие, т. е. ошибка системы (5.3) должна быть минимальной.

характер

. В принципе таких возмущений может быть несколько. Однако вследствие линейности уравнения действует принцип суперпозиции, согласно которому реакция на сумму воздействий равна сумме реакции. Поэтому достаточно рассмотреть методику учета только одного возмущения, а при наличии нескольких возмущений необходимо лишь просуммировать результат.

дифференциальное уравнение системы может быть получено подстановкой в (5.4) выражения для ошибки (5.3):

Это означает, что выбором структуры и пара-

означает, что система инвариантна относительно задающего воздействия.

4.1.2 Временные характеристики главного двигателя

Судовые ДВС работают с ВФШ, ВРШ и как дизель-генератор. При работе совместно с винтом двигатель эксплуатируется на различных скоростных режимах, при работе в качестве дизель-генератора -- на постоянном скоростном режиме. допустимых сил инерции в деталях двигателя, ухудшение качества протекания рабочих процессов в цилиндрах, термическое напряжение деталей. Таким образом, максимальная частота вращения должна быть ограничена.

В некоторых случаях ДВС приходится работать при максимально допустимой частоте вращения коленчатого вала (например, при нулевом развороте лопастей). При этом необходимо установить такую максимальную частоту вращения, чтобы двигатель работал устойчиво. При уменьшении частоты вращения вала ДВС, работающего на ВФШ, ниже допустимого минимального значения появляются перебои в работе двигателя и он может самопроизвольно остановиться.

Следовательно, скоростные режимы судового ДВС ограничены как верхним, так и нижним пределом. На каждом скоростном режиме крутящий момент двигателя изменяется от нуля (холостой ход) до максимума, который данный двигатель может развить при заданной частоте вращения. Максимальный крутящий момент обусловлен максимальной нагрузкой, при которой не нарушаются нормальные условия протекания процессов в цилиндрах двигателя.

Основным показателем, характеризующим нагрузку двигателя, является эффективная мощность Ne, которая зависит от крутящего момента сопротивления на валу Мкр и частоты вращения п. Поэтому режим работы ДВС характеризуется нагрузкой и частотой вращения.

Зависимость основных параметров и показателей работы двигателя от независимого параметра называют характеристикой двигателя. Характеристики изображают графически в виде кривых в соответствующих координатных осях. Если за независимый параметр принята частота вращения п, то характеристики называются скоростными, если эффективная мощность -- нагрузочными.

Скоростная характеристика -- это зависимость мощности, крутящего момента, среднего эффективного давления, удельного расхода топлива, максимального давления сгорания, а также других показателей работы двигателя от частоты вращения.

Внешняя скоростная характеристика -- это зависимость эффективной мощности Ne и других параметров от частоты вращения п при неизменном положении органа управления подачей топлива -- рейки топливных насосов высокого давления. Различают внешние характеристики предельной, максимальной, номинальной и частичных (долевых) мощностей.

Характеристика предельной мощности снимается при наибольшей подаче топлива, соответствующей предельным значениям среднего эффективного давления ре на всех скоростных режимах (от минимально устойчивой до номинальной частоты вращения), высоким значениям температуры выпускных газов, дымному выпуску, повышенному расходу топлива.

4.1.4 Передаточная функция ОР

Проектирование системы автоматического регулирования (САР) любого объекта (машины, аппарата, установки, технологической линии и т.п.) заключается в подборе необходимых средств автоматизации, составлении структурной схемы, выборе и расчете передаточных функций звеньев системы. В качестве звеньев проектируемых систем обычно используют стандартизованные средства с известными параметрами передаточных функций. Передаточная функция объекта управления обычно или совсем неизвестна (она не входит в номенклатуру технических данных технологического оборудования), или не известны значения ее параметров. Поэтому прежде чем приступать к проектированию САР конкретного объекта, необходимо провести его исследование, в частности, определить его передаточную функцию.

Определение передаточных функций объектов управления может выполняться как аналитическим, так и экспериментальным методами. Аналитический метод требуют досконального изучения внутреннего устройства объекта, всех физических и химических процессов в нем происходящих, мощного математического и вычислительного обеспечений и, как правило, применяется к объектам уникальным, сложным, дорогостоящим.

Наибольшее распространение в практике автоматизации получил экспериментальный метод. Это связано с тем, что он требует минимальных сведений об устройстве объекта, о протекающих в нем процессах (в этом случае объект выступает как «черный ящик»), и может быть применен к работающим объектам в реальных, рабочих условиях эксплуатации, обеспечивая приемлемую точность определения передаточной функции.

Суть экспериментального метода заключается в некотором воздействии на вход объекта, фиксации отклика на выходе объекта и обработке экспериментальных данных по принятым в теории автоматического регулирования методикам.

Применительно к термическим устройствам (печи, сушильные камеры, отопительные системы) в различных процессах пищевых производств широкое распространение получили тепловые сушилки. В процессе работы в сушилке протекают тепловые процессы, которые, как объекты регулирования, характеризуются значительной инертностью и наличием запаздывания. Именно поэтому для исследований в качестве объекта регулирования выбрана модель тепловой сушилки, а именно - тепловой процесс получения агента сушки в электрокалорифере.

При воздействии на входную величину объекта выходная величина изменяется от начального значения до конечного установившегося значения в виде переходного во времени процесса. Кривая этого переходного процесса называется переходной характеристикой объекта и обычно фиксируется в виде временной диаграммы h(t), содержащей всю необходимую информацию для определения вида передаточной функции объекта и ее параметров.

Определение передаточной функции объекта по его переходной характеристике производится по методике, в основе которой лежит метод аппроксимации. Суть данного метода заключается в замене реального исследуемого объекта на некоторый идеальный, параметры которого заранее известны и их набор минимален, и отличающийся от реального объекта на практически допустимую погрешность. В теории автоматического регулирования такие идеальные объекты называются типовыми звеньями.

4.2 Динамические свойства регулятора

4.2.1 Вид дифференциального уравнения

При возмущающих воздействиях на систему в ней возникают переходные процессы, которые в функции времени описываются дифференциальными уравнениями.

Для облегчения решения задачи при определении уравнения процесса автоматического регулирования систему разбивают на отдельные элементарные звенья, переходные процессы в которых описываются достаточно простыми дифференциальными уравнениями.

По дифференциальным уравнениям отдельных звеньев находят уравнения укрупненных блоков (узлов) системы, а по ним -- и уравнение процесса автоматического регулирования системы в целом.

При составлении уравнений за начало отсчета координат берут параметры равновесного состояния системы, а сами уравнения для отдельных звеньев и системы в целом составляют в отклонениях от состояния равновесия (приращениях).

Таким образом, э уравнения входят не абсолютные значения величин, а их отклонения от заданных равновесных значений.

Одно или несколько звеньев системы в общем случае могут быть нелинейными, т. е. описываться нелинейными дифференциальными уравнениями, решение которых в общем виде невозможно.

Однако если в переходном процессе при изменениях входной величины изменение выходной величины звена является непрерывной функцией времени, то, учитывая, что в процессе регулирования отклонения всех изменяющихся величин от их установившихся значений малы, можно допустить линеаризацию нелинейных зависимостей. В этом случае замена исходных нелинейных уравнений приближенными линейными не вносит существенных погрешностей в результаты исследований и в то же время позволяет применять достаточно простые инженерные методы расчета.

В результате линеаризации нелинейностей и составления уравнений в отклонениях от состояния равновесия дифференциальное уравнение, характеризующее работу системы при нулевых начальных условиях, является однородным линейным уравнением, прямые и косвенные методы решения и исследования которого разработаны в достаточной степени.

4.2.2 Временная характеристика

Временными характеристиками звена, соединения звеньев или системы авторегулирования называются закономерности протекания во времени переходных процессов, возникающих при поступлении на вход этих звеньев, групп или систем воздействия определенного вида. Практически наиболее важной временной характеристикой является реакция системы х_вых = h(t) на единичное мгновенное скачкообразное изменение входной величины, так как этот режим очень часто возникает в системах регулирования как при их включении, так и при изменении заданного значения регулируемой величины. Кроме того, входную функцию времени любого другого вида с достаточной степенью точности можно представить как ряд последовательных ступенчатых воздействий на систему.

Таким образом, под временной характеристикой системы будем понимать процесс изменения выходной величины в функции времени при переходе системы из одного равновесного состояния в другое в результате поступления на вход системы единичного ступенчатого воздействия.

Так как дифференциальное уравнение системы тоже определяет изменение выходной величины в функции времени, то временная характеристика представляет собой графическое решение дифференциального уравнения системы для единичного ступенчатого входного воздействия при нулевых начальных условиях и, следовательно, характеризует динамические свойства системы.

Примеры входных воздействий на систему.

а -- ступенчатое входное воздействие, б -- представление входного воздействия произвольной формы суммой входных ступенчатых воздействий.



Так как временные характеристики могут быть получены не только путем решения дифференциального уравнения системы, но и экспериментально, то возможность определения динамических свойств системы по временной характеристике имеет исключительно важное практическое значение, поскольку в этом случае не требуется выводить и решать дифференциальное уравнение, что является в общем случае очень трудоемкой, а иногда и неразрешимой задачей.

4.2.3 Настроечные параметры регулятора

Основные настроечные параметры типовых автоматических регуляторов. Основными настроечными параметрами регуляторов типовых систем автоматического регулирования являются следующие параметры.

1. Для статических регуляторов прямого действия-- статическая неравномерность регулирования, которая может изменяться перемещением точки опоры рычага регулятора, связывающего чувствительный элемент и регулирующий орган, и, в случае наличия катаракта, время катаракта, изменяемое прикрытием дроссельного клапана катаракта.

2. Для регуляторов непрямого действия без обратной связи -- время сервомотора, характеризующее максимальную скорость перемещения исполнительного органа. У регуляторов с гидравлическими сервомоторами, управляемыми водяными усилительными реле или струйными трубками, скорость перемещения поршня сервомотора меняется с помощью дроссельного клапана, установленного в одном из силовых трубопроводов.

3. Для регуляторов непрямого действия с жесткой обратной связью -- неравномерность регулирования и время сервомотора. Способ изменения неравномерности регулирования зависит от конструкции обратной связи. У регуляторов с рычажной жесткой обратной связью (рис. 52.2) неравномерность регулирования изменяется за счет перемещения точки опоры рычага, соединяющего шток сервомотора со штоком регулирующего клапана. У регуляторов с силовой (пружинной) жесткой обратной связью неравномерность регулирования меняется посредством изменения профиля лекала обратной связи С, а также путем замены пружины обратной связи на другую, с иной жесткостью. Скорость перемещения поршня сервомотора у гидравлических регуляторов судовых пароэнергетических установок с жесткой обратной связью изменяется так же, как и у регуляторов без обратной связи, при помощи дроссельного клапана, установленного в одном из силовых трубопроводов.

В электромеханических регуляторах, сервомоторами которых служат асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, время сервомотора изменению не подлежит.

4. Для регуляторов непрямого действия с гибкой обратной связью -- время изодрома, время сервомотора и статическая неравномерность регулирования. Способы изменения времени изодрома и неравномерности регулирования у этих регуляторов зависят от конструкции гибкой обратной связи. Для гидравлических регуляторов с водяными усилительными реле и мембранными изодромами время изодрома меняется путем изменения величины открытия дроссельного клапана изодрома. Для увеличения времени изодрома следует прикрывать указанный клапан.

Отмеченные параметры являются основными настроечными параметрами потому, что их изменение легко осуществить, а это изменение существенно влияет на работу системы. Изменение неравномерности регулирования означает поворот статической характеристики регулирования, т. е. приводит к новым статическим и динамическим свойствам системы. Увеличение неравномерности регулирования увеличивает запас устойчивости системы (в частности, подавляет незатухающие колебания), но одновременно возрастает вызываемая этой неравномерностью статическая ошибка.

Изменение времени сервомотора и времени изодрома влияет на качество переходных процессов и на устойчивость статических режимов. Влияние изменения времени сервомотора на динамические свойства системы может быть различным в зависимости от наличия у регулятора дополнительной обратной связи и ее типа и в зависимости от свойств объекта регулирования. Для регуляторов без обратной связи, применяемых на объектах с малыми аккумулирующими емкостями и выраженными свойствами саморегулирования, увеличение времени сервомотора приводит к повышению запаса устойчивости. Увеличение времени изодрома также повышает запас устойчивости и служит средством подавления незатухающих колебаний.

4.2.4 Структурная схема регулятора из типовых динамических звеньев

Схематическое изображение системы, состоящее из изображений отдельных звеньев с указанием всех связей между ними, называется структурной схемой системы регулирования.

Структурную схему системы автоматического регулирования можно получить из ее функциональной схемы путем определения передаточных функций для всех элементов, образующих функциональную схему.

Преобразование функциональной блок-схемы в структурную схему.

4.2.5 Передаточная функция регулятора

Передаточная функция разомкнутой системы характеризует зависимость выходной величины х системы от управляющего воздействия g(t) [величина g(t) понимается как отклонение управляющего воздействия от его первоначального значения, соответствующего установившемуся состоянию системы].

Передаточную функцию замкнутой системы регулирования принято обозначать символом Ф(р).

Передаточная функция Ф(р) замкнутой системы, определяющая зависимость выходной величины х от управляющего воздействия g(t)_t является основной передаточной функцией системы и называется передаточной функцией системы автоматического регулирования по каналу управляющего воздействия.

Если в системе, находящейся в установившемся состоянии, изменить управляющее воздействие на величину g(t), т. е. задать новую величину регулируемого параметра, то переходный процесс в системе определяется передаточной функцией по каналу управляющего воздействия. При этом предполагается, что процесс регулирования свободен от влияния внешних возмущающих воздействий. Эти возмущающие воздействия в большинстве случаев приложены ко входу объекта. Если же эти воздействия приложены не ко входу объекта (назовем их промежуточными), то при расчетах системы их можно всегда заменить эквивалентными по влиянию на процесс регулирования возмущающими воздействиями, приложенными ко входу объекта.

Например, изменение напряжения в сети для системы автоматического регулирования температуры сушильного шкафа по является возмущающим воздействием, приложенным ко входу объекта.



4.3 Динамические свойства САРС

Так как дифференциальное уравнение системы тоже определяет изменение выходной величины в функции времени, то временная характеристика представляет собой графическое решение дифференциального уравнения системы для единичного ступенчатого входного воздействия при нулевых начальных условиях и, следовательно, характеризует динамические свойства системы.

При разработке системы регулирования необходимо выбрать параметры, на которые пет существенных ограничений, таким образом, чтобы обеспечить требуемые динамические свойства системы в целом, сохраняя в то же время величины твердо заданных параметров. В связи с этим практически весьма важно знать, в каких пределах и какие именно параметры системы можно изменять, обеспечивая при этом ее устойчивость.

Для ускорения реакции автоматизированной регулирующей системы на возмущающее воздействие часто применяют на промежуточных участках системы дополнительные регулирующие устройства, включая их в качестве местных отрицательных обратных связей, охватывающих промежуточные участии; это позволяет значительно улучшить динамические свойства системы.

4.3.1 Временная характеристика замкнутой САРС

Временная характеристика замкнутой системы имеет вид

Временные характеристики типовых звеньев систем регулирования имеют вид их переходных процессов.



4.3.2 Структурная схема САРС

Принципиальная схема регулятора дизелея и структурная схема системы регулирования.

Структурная схема системы с корректирующим воздействием по возмущению.

4.3.3 Передаточная функция замкнутой и разомкнутой САРС

Передаточная функция разомкнутой системы характеризует зависимость выходной величины х системы от управляющего воздействия g(t) [величина g(t) понимается как отклонение управляющего воздействия от его первоначального значения, соответствующего установившемуся состоянию системы].

Передаточную функцию замкнутой системы регулирования принято обозначать символом Ф(р).

Передаточная функция Ф(р) замкнутой системы, определяющая зависимость выходной величины х от управляющего воздействия g(t)t является основной передаточной функцией системы и называется передаточной функцией системы автоматического регулирования по каналу управляющего воздействия.

Передаточная функция замкнутой системы по каналу возмущающего воздействия выразится через передаточные функции регулятора и объекта следующим образом:

Передаточная функция Фу(р) замкнутой системы по каналу возмущающего воздействия определяет зависимость выходной величины х от возмущающего воздействия , т. е. динамические свойства замкнутой системы при поступлении на вход объекта возмущающих воздействий. Передаточная функция разомкнутой системы найдется по формуле:



5. Расчёт оптимальных настроечных параметров

5.1 Исходные данные

Параметры объекта				Показатель качества и точности регулирования
	12	1,5	1,3

5.2 Расчёт КЧХ замкнутой САРС

По таблице 9 и формуле 198 из [1] находим для ПИ-регулятора применительно к интегральному критерию

A=1,0

B=0,99

C=1,6

D=0,71

5.3 Расчёт комплексной частотной характеристики разомкнутой САРС по задающему воздействию

Обект обладает самовыравниванием, т.к. К_об=1,2

Передаточная функция:

Подставляя исходные данные:

Обозначим

Тогда

Умножим числитель и знаменатель на сопряжённое

Выделим действительную и мнимую части

;

0,1	3,21	3,85	8,55	50	113,9
0,15	1,85	3,327	12,825	37	56
0,2	1,16	2,78	17,1	30	34,16
0,3	0,56	2,02	25,65	21	15,9
0,5	0,21	1,27	42,75	117	5,3303
0,7	0,11	0,92	59,85	8,6	2,79857
1	0,054	0,648	85,5	6,2	1,41
1,5	0,024	0,43	128,25	4	0,607
2	0,013	0,326	171	3,2	0,36
3	0,006	0,217	256,5	2,21	0,167

5.3 Оценка запасов устойчивости по модулю и по фазе

Запас устойчивости по модулю

Запас устойчивости по фазе



6. Расчёт переходного процесса САРС при скачкообразном задающем воздействии

6.1ВЧХ замкнутой САРС

С помощью этих величин строим ВЧХ замкнутой САР

0,1	124	110	1,127273	4	1,3
0,15	67	61,6	1,087662	7	1,1
0,2	45	39,2	1,147959	11	1,13
0,3	26,3	20	1,315	20	1,23
0,5	12,8	7,3	1,753425	51	1
0,7	9,1	3,2	2,84375	96	-0,3
1	6,4	3,6	1,777778	183	-1,8
1,5	4,3	7,4	0,581081	246	-0,32
2	3,2	10,2	0,313725	282	0,06

6.2 Расчёт переходного процесса методом трапецеидальных частотных характеристик

Имея ВЧХ замкнутой САРС разбиваем её на три трапеции и далее по ним строим графики переходных процессов.



0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
1	0,31	0,43334	0,48	10	-0,062	1,162791	0,567675	0,540541	-0,864
2	0,57	0,78302	0,86	20	-0,114	2,325581	1,025756	1,081081	-1,548
3	0,75	0,99734	1,08	30	-0,15	3,488372	1,306515	1,621622	-1,944
4	0,86	1,07348	1,15	40	-0,172	4,651163	1,406259	2,162162	-2,07
5	0,895	1,05092	1,11	50	-0,179	5,813953	1,376705	2,702703	-1,998
6	0,9	0,98794	1,04	60	-0,18	6,976744	1,294201	3,243243	-1,872
7	0,903	0,93342	0,97	70	-0,180	8,139535	1,22278	3,783784	-1,746
8	0,91	0,93624	0,95	80	-0,182	9,302326	1,226474	4,324324	-1,71
10	0,94	0,92308	0,98	100	-0,188	11,62791	1,209235	5,405405	-1,764
15	0,96	0,9447	1	150	-0,192	17,44186	1,237557	8,108108	-1,8



Список литературы

1. Сыромятников В.Ф. Основы автоматики и комплексной автоматизации СЭУ.

2. Кутьин Л.Н. Автоматика судовых дизельных и газотурбинных установок.

Размещено на Allbest.ru

...