Сизых В.А. Судовая автоматика и аппаратура контроля

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.

28 Гидравлические и

пневматические

усилители

ром. Поэтому в качестве рабочей жидкости для золот-

никовых усилителей используют смазочное масло.

Усилители с дроссельной заслонкой устроены таким

образом, что часть подведенной к ним рабочей жидко-

сти может перетекать в сливной трубопровод, вследст-

вие чего изменяется и давление в магистрали, соединен-

ной с исполнительным элементом автоматической

сис-

темы.

Струйная трубка (см. рис. 28, в) жестко

связанная

с измерительным элементом, в состоянии равновесия на-

ходится в среднем положении по отношению к приемным

сопловым отверстиям. В этом случае рабочая жидкость

поступает с одинаковым давлением в оба приемных

от-

верстия и поддерживает исполнительный элемент в рав-

новесном состоянии. При отклонении струйной трубки от

среднего положения в одном из приемных отверстий

создается большее давление, чем в другом, что приводит

к срабатыванию автоматической системы.

Для усиления электрических сигналов в

автомати-

ческих системах применяют магнитные, электронные,

полупроводниковые и электромашинные

усилители.

Магнитные усилители имеют несколько замкнутых

сердечников (магнитопроводов) из ферромагнитного ма-

териала. Основной особенностью ферромагнитных мате-

риалов является зависимость их магнитной проницае-

мости от напряженности магнитного поля. При созда-

лии

измерительным элементом различной напряженно-

сти магнитного поля такие

усилители

изменяют индук-

тивную составляющую полного сопротивления катушки

и обеспечивают управление проходящим через них током.

Магнитные усилители соответствуют специфическим

условиям эксплуатации регуляторов в СЭУ. Они надеж-

ны

и просты в эксплуатации, не имеют подвижных час-

тей, могут работать при значительных перегрузках и

вибрациях.

Электронные

усилители,

подавая на сетку лампы

слабое переменное напряжение от измерительного

эле-

мента, позволяют получить значительное напряжение в

анодной цепи. Небольшой гарантийный срок службы

ламп

(5-Ш

—10

с), чувствительность к вибрациям, по-

вышенной температуре и влажности ограничивает об-

ласть их применения в судовых условиях.

В средствах автоматизации, в том числе и судовой,

получили значительное распространение полупроводни-

ковые усилители. Действие их основано на использо-

вании полупроводниковых триодов. Физическая сущность

лолупроводниковых триодов всех типов заключается в

том, что под действием вводимых из внешней цепи носи-

телей тока (электронов) изменяется проводимость вы-

ходного участка цепи, в которую включен местный ис-

точник э. д. с. Полупроводниковые усилители отличают-

ся высоким гарантийным сроком службы, могут рабо-

тать в условиях высокой относительной влажности воз-

духа и выдерживают вибрации до 2000 Гц.

Электромашинный усилитель в простейшем виде

представляет собой генератор постоянного тока с неза-

висимым возбуждением. Входное напряжение подается

.К

обмотке возбуждения, а со щеток генератора снима-

ется усиленное выходное напряжение. Электромашин-

ные усилители имеют большую массу и значительные

габариты, поэтому их применяют в основном в тех слу-

чаях, когда необходимо увеличить мощность.

Исполнительные элементы и регулирующие органы.

В СЭУ наиболее широкое распространение получили

лоршневые

(рис. 29, а), сильфонные (рис. 29, б), мем-

Рис. 29. Исполнительные элементы систем

бранные (рис.

29,

в) и лопастные (рис. 29, г) исполни-

тельные элементы, а также различные двигатели пос-

тоянного и переменного тока. Поршневые, мембранные и

лопастные исполнительные элементы могут быть одно-

и двустороннего действия. Поршневые исполнительные

элементы одностороннего действия (с односторонним

подводом рабочей жидкости) (см. рис. 29, а) использу-

ют обычно с усилительными

устройствами

дроссельного

типа (вентилями, дроссельными

заслонками).

В некоторых исполнительных элементах поступатель-

ное движение поршня преобразуется во вращательное

движение регулирующих органов.

Работа исполнительных элементов

двустороннего-

действия (с двусторонним подводом рабочей жидкости)

обеспечивается усилительными устройствами типа золот-

ников и струйных трубок. В таких исполнительных эле-

ментах создаваемая усилителем разность давлений ра-

бочей жидкости, действующих с двух сторон на поршень,

мембрану или лопасть, вызывает их перемещение в ту

или другую сторону, что приводит и к перемещению

регулирующих органов. В зависимости от расхода регу-

лирующей среды и ее свойств (давления,

температуры,

вязкости) применяют самые разнообразные регулирую-

щие органы.

Для регулирования расхода воды, топлива, воздуха

и смазочного масла обычно используют клапаны, кра-

ны, задвижки, заслонки, рейки топливных насосов.

13. СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМАТИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

Основные сведения об управляемых объектах. Лю-

бой управляемый объект

СЭУ

(дизель, насос, котел,

электродвигатель, расходная цистерна и т. д.) характе-

ризуется количеством энергии или рабочего вещества,

проходящего через него в единицу времени. Так как

УО

является первичным источником

информации,

необходи-

мой для работы автоматической системы управления,

правильный выбор схем автоматизации, типа и характе-

ристик регулирующей аппаратуры возможен

лишь

при

знании и учете свойств объекта, но которым определя-

ется поведение последнего в случае нарушения баланса

подвода и отвода рабочего вещества или энергии.

Количество вещества или

энергии,

содержащихся

в управляемом

объекте,

принято называть его аккуму-

лирующей способностью. Так как аккумулирующая спо-

собность объекта характеризует его состояние, то на

основании закона сохранения вещества и энергии мож-

но составить уравнение или систему

уравнений,

опреде-

ляющих свойства рассматриваемого объекта.

Например,

тепловой баланс дизеля может характеризоваться сле-

дующим уравнением:

где

<3т

— теплота, вводимая в дизель с топливом;

СЬ

— теплота,

эквивалентная

эффективной

работе, т. е. полезно используемая

теплота;

окл

—

теплота,

уносимая охлаждающей

жидкостью

(водой и маслом);

Со

г — теплота, уносимая отработанными

газами;

г — теплота, теряемая в результате неполного

сго-

рания топлива;

— потери теплоты в окружающую среду.

Тепловой баланс парового котла определяется урав-

нением

где

г\

— КПД котла;

—

паропроизводитсльность

котла;

—

энтальпия пара;

— энтальпия 1 кг воды, поступающей в котел.

Приход и расход рабочего вещества в цистерне свя-

заны зависимостью

ДС

Оп

— количество жидкости, поступающей в

цистерну

за еди-

ницу времени;

— количество жидкости, расходуемой из цис-

терны за то же время; р — плотность жидкости

— объ-

ем жидкости в цистерне.

Приведенные уравнения — уравнения

баланса

между

притоком (поступлением) и расходом энергии (рабочего

вещества) —

характеризуют

условия

установившихся

режимов работы дизеля, котла, цистерны.

Установившийся режим работы

управляемого

объек-

та характеризуется постоянством регулируемых величин

(угловой

скорости, вала, температуры, давления среды;

уровня жидкости и т.

д.).

Он может быть достигнут при

различных значениях этих величин. Однако установив-

шийся режим работы объекта может быть по тем или

иным причинам нарушен. В таком случае различные

объекты ведут себя по-разному. Например, нарушение

теплового баланса в системе регулирования угловой ско-

рости коленчатого вала дизеля приводит к сравнительно

быстрому изменению регулируемой величины и, наобо-

рот, нарушение баланса «прихода — расхода» пара в

системе регулирования горения в паровом котле вызыва-

ет медленное изменение регулируемых величин.

Предположим, что в некоторый момент в котле под-

держивалось нормальное давление пара

0,5

МПа.

При

этом температура воды в котле составляла

151°С

энтальпия ее равнялась 630 кДж/кг. Если в результате

резкого увеличения расхода пара из котла давление в

нем понизилось до 0,3 МПа, то соответственно изменят-

ся

температура

кипения и энтальпия воды. С пониже-

нием

давления до 0,3 МПа испарение воды в котле

будет происходить уже при

132°С,

а энтальпия ее

будет равна 560 кДж/кг. Разность энтальпии

630

—

560

= 70 кДж/кг тратится при этом на дополнительное

парообразование. С уменьшением нагрузки происходит

обратный процесс.

Свойство управляемых объектов самостоятельно ус-

танавливать

новое значение регулируемой величины при

нарушениях

равновесия

между поступлением и расходом

рабочего вещества (или энергии) называется самовы-

равниванием, или

саморегулированием.

Это свойство

облегчает задачу автоматизации, а в некоторых случаях

(при большой аккумулирующей способности объекта)

вообще делает ненужным автоматическое регулирование.

При нарушениях равновесия между поступлением и рас-

ходом рабочего вещества (или энергии) равновесное

состояние

восстанавливается

в различных объектах че-

рез разные сроки.

Время, в течение которого в объекте достигается ус-

тановленное номинальное значение регулируемой вели-

чины, считая от начального нулевого значения, при мак-

симальном поступлении рабочего вещества (или энер-

гии) и отсутствии расхода, называется временем разго-

на объекта. Временем разгона дизеля, например, будет

время достижения

номинальной

угловой скорости

пот

при

максимальном моменте

тах

где

— момент инерции

вращающихся

масс.

Во

всех случаях чем больше время разгона, тем мед-

леннее

будет происходить

изменение

регулируемой

ве-

64 2*

личины при нарушении материально-энергетического

баланса управляемого объекта.

Выше были перечислены только основные свойства

УО. Детальное изучение этих свойств и характеристик

является одной из основных задач проектирования, на-

стройки и эксплуатации автоматических систем.

Статические характеристики систем. Установившееся

состояние автоматических систем (управляемых объек-

тов и управляющих устройств) определяется уравнением

статики, которое в общем виде может быть записано

так:

*-/С?),

где х — регулируемая

(выходная)

величина;

— входная

вели-

чина (нагрузка, возмущение).

Зависимость регулируемой (выходной) величины от

нагрузки при различных установившихся режимах ра-

боты системы называют статической или нагрузочной

характеристикой. В

зависимости

от вида нагрузочной

характеристики автоматические системы могут быть

астатическими и статическими. В статических системах

(рис. 30, а) каждой нагрузке

/г

соответствует опреде-

ленное значение регулируемого параметра.

Разность между

лгтах

Хт-ш

при минимальной и мак-

симальной нагрузках на объект называют

неравномер-

костью

регулирования, или статической

ошибкой

систе-

мы. Степень неравномерности

(%)

6=100

(х

ах—

Лщш^

(Л

пот

Для дизелей, например, степень неравномерности ре-

гулирования угловой скорости коленчатого вала опре-

деляется как отношение разности скоростей при режи-

мах холостого хода и полной нагрузки к номинальной

угловой скорости. В астатических системах, как

видно

из нагрузочной характеристики (рис. 30, б), степень

неравномерности равна нулю.

Как бы не была совершенна конструкция регулято-

ра, он (вследствие зазоров в подвижных деталях, дей-

ствия сил трения и сил инерции) не может мгновенно

реагировать на изменения регулируемой величины. Ре-

гулятор начинает воздействовать на объект через неко-

торое время после изменения регулируемого

парамет-

ра и продолжает по инерции еще некоторое время воз-

действовать на него, хотя регулируемый параметр уже

достиг заданных значений. Такое свойство регулятора

называют нечувствительностью. Таким образом, нагру-

3—3809

Рис.

30. Нагрузочные характеристики автоматических систем.

а, б —

линейные;

—

нелинейная

зочная характеристика регулятора в установившемся

режиме не является прямой, а представляет собой не-

которую полосу шириной Ь, характеризующую неточ-

ность поддержания регулятором установленных значе-

ний регулируемого параметра.

Ширина полосы Ь, отнесенная к заданному значе-

нию регулируемого параметра, определяет

степень

не-

чувствительности

регулятора

(%):

е=100й]Яо.

Статические характеристики систем могут быть

ли-

нейными либо иметь

кривизну

(рис. 30, в). Автомати-

ческие системы, имеющие такие характеристики, назы-

вают статически нелинейными. Практически все реаль-

ные системы нелинейны. Однако при малых отклоне-

ниях

Д^

статические характеристики отдельных

элементов системы можно с небольшой погрешностью

представить в виде прямых линий.

Динамические

характеристики

систем. В условиях

эксплуатации установившийся режим работы объекта

может быть нарушен внешними возмущениями различ-

ного рода. При возникновении некоторого возмущения

новый режим устанавливается не сразу, а в течение

некоторого промежутка времени, причем длительность

перехода от одного режима к другому и характер из-

менения регулируемых величин при этом будут различ-

ными для различных объектов. Режим перехода систе-

мы из одного установившегося состояния в другое на-

зывается переходным. Характеристики автоматической

системы в переходном режиме называют

динамически-

ми, переходными, или

временными.

Аналитически эти

характеристики определяют зависимость регулируемой

величины х от времени

Предположим, что в какой-то

момент времени

(рис. 31, а) нагрузка на объект

уменьшилась с

до

§г

и система начала переходить

из одного установившегося состояния с параметром ре-

гулирования х\ в другое с параметром

(рис. 31, б).

Переходный режим может характеризоваться моно-

тонным апериодическим (кривая 2), колебательным

апериодическим (кривая

изменением регулируемого

параметра, когда он отклоняется от заданного значе-

ния с одной или несколькими амплитудами, и колеба-

тельным периодическим изменением регулируемого па-

раметра (кривая 3), когда параметр отклоняется в обе

стороны от заданного значения. По графику переход-

ного режима можно определить, насколько хорошо дан-

ная

система

удовлетворяет требованиям эксплуатации

объекта. Для удовлетворения этим требованиям и вы-

бирают основные параметры средств автоматизации.

Под параметрами автоматической системы понимают

такие параметры основных элементов, как передаточ-

ные числа, коэффициенты усиления, моменты инерции,

индуктивность, емкость и т. д.

В каждом регуляторе перемещению его звеньев

противодействуют различные силы, например, силы

трения, силы

инерции

и т. д. Поэтому регулятор на-

чинает действовать в момент времени

после того, как

регулируемая величина уже претерпела некоторое из-

менение. Чем больше нечувствительность регулятора,

тем больше начальное рассогласование между задан-

ным и текущим значениями регулируемой величины.

Для быстрой ликвидации такого рассогласования необ-

ходима достаточно высокая скорость регулирования.

Однако высокая скорость регулирования по инерции

(инерционностью обладает всякий реальный процесс)

может привести к увеличению значения регулируемого

Рис. 31. Динамические характеристики

автоматических

систем:

а —

нагрузочная

характеристика. 6 — график переходного режима

параметра по сравнению с заданным значением на

Такое отклонение называют динамическим

«забросом»

или перерегулированием. Этот показатель является

очень важным для оценки качества переходного режи-

ма. Абсолютная величина его зависит не только от чув-

ствительности

системы, но и от аккумулирующей

способности объекта. Например, в главных паровых кот-

лах при уменьшении нагрузки давление пара во избе-

жание открытия предохранительных клапанов должно

повышаться не более чем на

5—6%

номинального; в

дизелях при падении нагрузки увеличение угловой ско-

рости коленчатого вала не должно привести к «разно-

су», а при возрастании нагрузки к снижению угловой

скорости до значения ниже минимально устойчивого,

при которой дизель может

«заглохнуть».

Перерегулирование уменьшается с повышением чув-

ствительности системы и увеличением аккумулирующей

способности объекта.

Отклонившись от заданного значения на

регу-

лятор начинает возвращать систему к заданному режи-

му работы, при этом он по инерции уменьшает регули-

руемый параметр на хь и, только сделав несколько ко-

лебаний, в какое-либо время

ЕЗ

приводит

объект

к ново-

му установившемуся режиму.

Ясно,

что при

~Хь

система

будет

совершать бес-

конечно долгие незатухающие колебания, а при

Хс>хь>х

колебательный процесс станет расходящим-

ся и тоже незатухающим. Такие системы называют

неустойчивыми. Практическая пригодность автоматиче-

ских систем, в первую очередь, определяется их устой-

чивостью и качеством регулирования. Под устойчиво-

стью понимают свойство автоматической системы

возвращаться к установившемуся состоянию после пре-

кращения действия возмущения, которое вывело ее из

этого состояния.

Время

Гз—и,

в течение которого система переходит

из одного установившегося состояния в другое, опреде-

ляет

быстродействие

систем. Его называют временем

переходного режима Т, или постоянной времени систе-

мы. Разность

—11

характеризует нечувствительность,

а отношение

и—^^|^

называют степенью нечувствитель-

ности регулятора. Таким образом, любая устойчивая

автоматическая система в переходном режиме харак-

теризуется перерегулированием, временем переходного

режима, степенью нечувствительности регулятора и чис-

лом колебаний регулируемой величины. Колебатель-

ность переходного режима количественно характеризу-

ется степенью затухания, определяемой отношением

0=(*

—х

)1х

При затухающем переходном режи-

ме

необходимо,

чтобы

выполнялось

условие

1<9>0.

Типовые звенья систем. В целом качество переход-

ного режима автоматических систем определяется со-

вокупностью свойств всех ее элементов.

Группы элементов, обладающих одинаковыми ста-

тическими и динамическими свойствами, подразделяют

на безынерционные

(пропорциональные),

апериодиче-

ские, колебательные, интегрирующие и дифференциру-

ющие звенья.

К безынерционным звеньям относят такие элементы

средств автоматизации, в которых зависимость выход-

ной

величины

Хвыя

от

входной

х„

установившихся

переходных режимах описывается простейшим алгебра-

ическим

уравнением:

хзих

Ьх,х.

Такую зависимость на-

зывают переходной функцией звена.

Зависимость между входной и выходной величина-

ми может изображаться и в виде

где А — статический коэффициент передачи, или коэффициент уси-

ления звена.

Первое название применяют в случае разных раз-

мерностей входной и выходной величин. Зависимость

между указанными величинами в последней записи на-

зывают передаточной функцией звена и обозначают

или условно

№.

К безынерционным звеньям относят рычаги; зубча-

тые, червячные и другие неупругие передачи без вяз-

кого трения. По принципу действия близки к безынер-

ционным звеньям реостаты, электронные усилители с

реостатным выходом, а также сельсины, работающие в

трансформаторном режиме.

У апериодических звеньев функциональная зависи-

мость между входными и выходными величинами вы-

ражается дифференциальным уравнением

.**,