1

Размещено на http://www.allbest.ru/

содержАние

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. техническое описание системы регулирования частоты вращения вала дизеля
• 2. описание динамики комплекса «дизель-гребной винт»
• 3. определение динамических параметров дизеля
• 3.1 Построение номинальной характеристики эффективной мощности дизельного двигателя
• 3.2 Построение винтовой характеристики
• 3.3 Построение характеристик частичной эффективной мощности
• 3.4 Определение фактора устойчивости дизеля
• 3.5 Определение постоянной времени дизеля
• 3.6 Определение коэффициента усиления дизеля по подаче топлива
• 3.7 Уравнение дизеля
• 4. описание системы автоматического регулирования угловой скорости вала дизеля
• 4.1 Описание центробежного чувствительного элемента
• 4.2 Описание гидравлического сервомотор
• 4.3 Описание изодромного устройства обратной связи
• 4.4 Описание изодромного регулятора
• 4.5 Структура и уравнение САРЧ
• 5. настройка сарч
• 5.1 Построение логарифмических частотных характеристик системы и настройка регулятора
• 5.2 Настройка САРЧ в системе MATLAB/simulink
• Заключение
• Список использованных источников
• Введение

Появление в составе транспортного флота автоматизированных судов обусловлено научно-техническим прогрессом и созданием таких энергетических установок, эффективная эксплуатация которых возможна только при автоматизации их управления, стремлением обеспечить более высокий уровень производительности, безопасности и регулярности водного транспорта. Среди систем автоматизации главной СЭУ, наиболее важное значение имеет система автоматического регулирования частоты вращения вала главного дизеля. Качество работы этой системы влияет на экономичность двигателя, стабильность динамических нагрузок на детали и узлы двигателя, его надежность и долговечность.

Специалист по СЭУ должен хорошо знать принцип работы и настройки системы регулирования частоты вращения вала дизеля; устройство, работу и настройку регуляторов частоты вращения различных типов.

Объектом исследований в курсовой работе является система автоматического регулирования частоты (САРЧ) вращения вала главного дизеля с регулятором изодромного типа.

В данной курсовой работе необходимо исследовать и настроить (САРЧ) вращения вала главного дизеля ДРА-150-4 (6ЧСП13/14) имея следующие исходные данные:

1. Номинальная мощность дизеля N_ен, л.с. - 150;

2. Номинальная частота вращения вала дизеля n_н, мин^-1. - 2100;

3. Минимальная частота вращения вала дизеля n_min, мин^-1. - 636;

4. Передаточное отношение редуктора i_р. - 2,04;

5. Жесткость задающей пружины центробежного тахометра б, H/мм. - 11,33;

6. Приведенная к муфте тахометра масса подвижных частей m_пр, кг. - 0,71; Коэффициент демпфирования катаракта з, H·c/м. - 56,27.

1. техническое описание системы регулирования частоты вращения вала дизеля

Система автоматического регулирования частоты вращения вала дизеля (САРЧ) обеспечивает управление топливоподачей дизеля в зависимости от частоты вращения его вала с целью стабилизации частоты вращения независимо от нагрузки на валу. Исследуется система с универсально-статическим (изодромным) регулятором.

Схема системы приведена на рис. 1. Подача топлива в цилиндры дизеля 1 осуществляется топливным насосом высокого давления (ТНВД) 2. Изменение цикловой подачи топлива происходит при перемещении h(t) рейки 3 ТНВД. Вал дизеля в каждый момент времени вращается с угловой скоростью щ(t). Для контроля скорости вращения вала с ним соединен центробежный чувствительный элемент регулятора, который имеет подвижные грузы 8. При увеличении угловой скорости вала щ(t) грузы 8 под действием возросшей центробежной силы расходятся, что приводит к перемещению z(t) тяги чувствительного элемента и к сжатию задающей пружины 6.

Рисунок 1.1 - Изодромный регулятор частоты вращения вала дизеля

Перемещение рейки топливного насоса осуществляется гидравлическим сервомотором, в состав которого входит золотниковый гидрораспределитель 7 и гидроцилиндр двойного действия 4. Рабочая жидкость под давлением Р₀ подается через золотниковый гидрораспределитель в гидроцилиндр. Изменение положения золотника гидрораспределителя 7 приводит к перепаду давления в полостях гидроцилиндра 4 и поршень последнего начинает перемещаться, перемещая, связанную с его штоком, рейку 3 ТНВД. Это перемещение будет происходить до тех пор, пока золотник гидрораспределителя 7 не вернется в нейтральное состояние за счет изменения угловой скорости вала и соответствующего этому изменению перемещению z(t) тяги центробежного чувствительного элемента.

В регуляторе имеется изодромная обратная связь, в которую входят рычаг обратной связи 5, изодромное устройство 10 с регулируемым дросселем 9 и пружина изодрома 11. Изодромное устройство 10 заполнено рабочей жидкостью. Задание угловой скорости вращения вала дизеля осуществляется изменением усилия задающей пружины 6.

Качество автоматического регулирования угловой скорости вала дизеля будет определяться качеством переходных процессов в системе регулирования и зависит от правильности настроек регулятора. Для исследования качества системы и определения настроек регулятора необходимо построить и исследовать динамическую модель системы автоматического регулирования.

2. описание динамики комплекса «дизель-гребной винт»

Объектом управления в САРЧ является комплекс «дизель - гребной винт» и характеристики комплекса, в первую очередь, определяют динамику системы. Неустановившийся (динамический) режим дизеля описывается дифференциальным уравнением

, (1)

где J - приведенный к валу двигателя момент инерции вращающихся частей (коленчатый вал, валопровод, винт, присоединенные массы воды);

щ(t) - угловая скорость вращения вала;

М_е - эффективный вращающий момент на валу;

М_с - момент сопротивления винта;

h - относительная координата положения топливорегулирующего органа; л_р - относительная поступь винта.

Это уравнение нелинейно. Для упрощения его линеаризируют, используя разложение нелинейных функций в ряд Тейлора и записывая в отклонениях

.

Выразим:

- фактор устойчивости дизеля, Н·с;

- постоянная времени дизеля, с;

щ₀ - рабочая скорость вала, 1/с;

- коэффициент усиления дизеля по положению топливорегулирующего органа, 1/с;

- коэффициент усиления по нагрузке;

где щ - угловая скорость, 1/с;

М - момент, Н•м.

После постановки введенных обозначений получим

.

Поскольку при регулировании частоты вращения вала дизеля входным воздействием является перемещение h(t) рейки ТНВД, то примем h(t) в качестве входного сигнала и перепишем уравнение в операторной записи, обозначив p = d/dt,

,

где Т_Д - постоянная времени дизеля, с;

К_h - коэффициент усиления дизеля по перемещению рейки ТНВД, 1/с;

щ(t) - угловая скорость вращения вала дизеля, рад/с;

h(t) - относительная величина перемещения рейки ТНВД.

Полученное уравнение описывает реакцию дизеля на перемещение рейки топливного насоса. Передаточная функция дизеля

, (2)

следовательно, дизель обладает инерционными свойствами и описан инерционным типовым структурным звеном.

3. определение динамических параметров дизеля

3.1 Построение номинальной характеристики эффективной мощности дизельного двигателя

Для определения динамических параметров дизеля необходимо построить статические совмещенные характеристики комплекса «дизель - гребной винт». Построение начинают с номинальной характеристики эффективной мощности дизеля, которая соответствует номинальному положению рейки топливного насоса h_н и неизменной топливоподаче.

Расчет точек характеристики производится по эмпирической формуле

, (3)

где N_ен - номинальная эффективная мощность дизеля, кВт;

_н - номинальная угловая скорость вращения вала дизеля, рад/с.

При расчетах используем следующие соотношения:

1 кВт = 1,36 л.с.;

,

где n - частота вращения в об/мин;

.

.

Для расчета характеристики изменяем частоту в пределах от 0,2_н до 1,1_н с шагом около 0,05_н.

.

.

.

Следует выбрать круглые ближайшие значения пределов и шага для упрощения расчетов и построения графика. Принимаем щ_min = 40 рад/с, щ_max = 240 рад/с, Дщ = 10 рад/c.Результаты расчета сводятся в таблицу 3.1. При расчете заполняется колонка, соответствующая номинальной топливоподаче h_н.

3.2 Построение винтовой характеристики

Зависимость мощности сопротивления винта от его угловой скорости вращения называется винтовой характеристикой.

Винтовая характеристика с достаточной точностью описывается зависимостью:

, (4)

где N_c(щ) - мощность сопротивления винта вращению, кВт;

K_N - коэффициент нагрузки.

Для построения характеристики, соответствующей нормальному для данного дизеля винту, прежде всего, определяем коэффициент нагрузки нормального винта, приняв N_c = N_ен, = _н.

;

.

Результаты вычислений заносятся в соответствующую графу таблицы 3.1, и затем строится график мощности сопротивления нормального винта, который совмещается с графиком номинальной характеристики эффективной мощности дизеля.

Точка D, в которой пересекаются характеристика эффективной мощности и винтовая характеристика, соответствует номинальному режиму работы дизеля при номинальном положении рейки топливного насоса h = h_н.

3.3 Построение характеристик частичной эффективной мощности

Характеристики частичной эффективной мощности характеризуют работу дизеля при частичной топливоподаче. Для построения характеристик частичной эффективной мощности необходимо определить установившуюся частоту вращения вала дизеля при положении рейки топливного насоса 0,75h_н, 0,5h_н, 0,25h_н. Для определения установившихся скоростей вращения вала на графике совмещенных статических характеристик проводим горизонтальные линии на уровнях 0,75N_ен, 0,5N_ен, 0,25N_ен.

Пересечение этих линий с винтовой характеристикой нормального винта определит установившейся режим работы с частичной мощностью дизеля при перемещениях рейки ТНВД 0,75h_н, 0,5h_н, 0,25h_н соответственно.

Точки пересечения горизонтальных линий с винтовой характеристикой обозначаем как С, В и А соответственно. Для каждой точки по графику определяем угловую скорость вращения вала дизеля на данном режиме: щ_A=щ₄=138,461 рад/c, щ_B=щ₃=174,458 рад/с, щ_C=щ₂=199,7 рад/с. Для каждого из этих режимов работы строим частичную характеристику эффективной мощности. Расчет точек характеристики частичной мощности производится по следующей формуле

, (5)

где N_epi, _pi - координаты рабочей точки i-го режима работы дизеля.

Для режима i=2 с номинальной эффективной мощностью 0,75N_ен принимаем N_ер2 = 0,75N_ен = 82,717 кВт и щ_p2 = щ_C =199,7, рад/с, подставляем в формулу (5) и рассчитываем точки зависимости N_е2(w).

.

Результаты расчета заносятся в таблицу 3.1. По полученным данным строится график. Этот график будет проходить через точку C и соответствовать положению рейки топливного насоса дизеля h = 0,75h_н.

Для режима i = 3, с номинальной эффективной мощностью 0,5N_ен, принимаем N_ер3 = 0,5N_ен = 55,145 кВт и щ_p3 = щ_B =174,458 , рад/с, подставляем в формулу (5) и рассчитываем точки зависимости N_е3(w).

.

Результаты расчета заносятся в таблицу 3.1. По полученным данным строится график. Этот график будет проходить через точку В и соответствовать положению рейки топливного насоса дизеля h =0,5h_н.

Для режима i = 4, с номинальной эффективной мощностью 0,25N_ен, принимаем N_ер4 = 0,25N_ен = 27,572 кВт и щ_p4 = щ_A =138,461 , рад/с, подставляем в формулу (5) и рассчитываем точки зависимости N_е4(w).

.

Результаты расчета заносятся в таблицу 3.1. По полученным данным строится график. Этот график будет проходить через точку А и соответствовать положению рейки топливного насоса дизеля h = 0,25h_н.

Таблица 3.1 - статические характеристики двигателя

щ, рад/с	Nе(щ), кВт	Nс(щ), кВт
	hн	0,75hн	0,5hн	0,25hн
40	14,85	12,597	10,006	6,77	0,665
50	19,807	16,835	13,399	9,073	1,298
60	25,137	21,383	17,024	11,497	2,243
70	30,779	26,18	20,818	13,978	3,562
80	36,669	31,162	24,72	16,454	5,318
90	42,745	36,269	28,667	18,863	7,571
100	48,946	41,436	32,597	21,142	10,386
110	55,208	46,603	36,447	23,23	13,824
120	61,469	51,706	40,155	25,064	17,947
130	67,668	56,684	43,659	26,581	22,818
140	73,741	61,474	46,897	27,72	28,499
150	79,627	66,014	49,806	28,418	35,053
160	85,263	70,241	52,323	28,612	42,541
170	90,586	74,094	54,387	28,24	51,026
180	95,535	77,509	55,936	27,241	60,571
190	100,047	80,425	56,906	25,551	71,238
200	104,061	82,779	57,236	23,109	83,088
210	107,512	84,509	56,863	19,851	96,185
220	110,34	85,552	55,725	15,717	110,59
230	112,482	85,847	53,76	10,642	126,366
240	113,875	85,331	50,905	4,566	142,576

По результатам расчета строим графики статических характеристик дизеля. По горизонтальной оси графика отложена угловая скорость вращения вала дизеля в рад/с, по вертикальной - мощность в кВт. Кривая N_е характеризует зависимость эффективной мощности на валу дизеля от угловой скорости вращения его вала при неизменной топливоподаче, определяемой номинальным положением рейки топливного насоса. Кривая N_с характеризует зависимость мощности сопротивления.

Кривые 0,75Nен, 0,5Nен, 0,25Nен являются графиками частичных характеристик эффективной мощности при определенных положениях рейки топливного насоса, а именно 0,75hн, 0,5hн, 0,25hн соответственно.

3.4 Определение фактора устойчивости дизеля

винтовой вал дизель автоматический

Параметры дизеля зависят от его режима работы, поэтому их необходимо отдельно определять для рабочих точек D, C, B и A. Для всех рабочих точек параметры дизеля определяются аналогично.

Фактор устойчивости дизеля характеризует его способность автоматически компенсировать изменение нагрузки на валу за счет изменения скорости вращения и крутящего момента при неизменной топливоподаче. Для расчета фактора устойчивости используем следующую формулу:

, (6)

где щ_pi - угловая скорость вала дизеля в рабочей точке соответствующего режима частичной топливоподачи.

Определим фактор устойчивости для 4-х мощностных режимов работы дизеля.

На графике статических характеристик дизеля в точках D, C, B и A к кривым N_е(w), 0,75N_е(w), 0,5N_е(w), 0,25N_е(w) и N_с(w) проводятся касательные и для них определяется тангенс угла наклона:

; (7)

, (8)

где Дщ - небольшое задаваемое изменение частоты в рабочей точке; ДN_c, ДN_e - соответствующие изменению частоты Дщ, изменения мощности; При вычислении углов наклона мощность следует подставлять в Вт.

Расчет фактора устойчивости дизеля Fд, Вт·с² определяем по формуле:

. (9)

После построения касательных и определения величин ДN_c, ДN_e, Дщ определим фактор устойчивости для рабочих точек D, C, B и A.

Расчет фактора устойчивости дизеля в точке D.

, ,;

;

;

;

;

;

.

Расчет фактора устойчивости дизеля в точке C.

, ,;

;

;

;

;

;

.

Расчет фактора устойчивости дизеля в точке B.

, ,;

;

;

;

;

;

.

Расчет фактора устойчивости дизеля в точке А.

, ,;

;

;

;

;

;

.



Рисунок 3.1 - Характеристики статические

3.5 Определение постоянной времени дизеля

Для определения постоянной времени дизеля необходимо знать динамический момент инерции J вращающихся частей, соединенных с валом дизеля, при учете присоединенных масс воды.

Момент инерции J, кгм² определяем по формуле:

, (10)

где - угловая номинальная скорость вращения винта;

i_p=2,04 - передаточное отношение редуктора винта;

; .

Приведенная выше формула является приближенной и дает результат невысокой точности. При необходимости более точных расчетов следует вычислить моменты инерции вращающихся частей дизеля, валопровода, редуктора, винта, присоединенных масс воды и привести полученные результаты к валу двигателя.

Постоянная времени дизеля определяется по формуле:

. (11)

Размерностью величины T_д является размерность времени, с. Расчет Т_д повторяется для всех рабочих режимов.

Расчет постоянной времени дизеля в точке D.

;

.

Расчет постоянной времени дизеля в точке С.

;

.

Расчет постоянной времени дизеля в точке В.

;

.

Расчет постоянной времени дизеля в точке А.

;

.

3.6 Определение коэффициента усиления дизеля по подаче топлива

Коэффициент усиления дизеля по положению рейки ТНВД определяем по формуле:

. (12)

Для определения этого коэффициента необходимо построить вспомогательный график зависимости N_е(h) при w_pi=const. Такие графики строим для рабочих точек A, B, C, D.

Для определения координат вспомогательного графика N_е(h) на графике совмещенных статических характеристик через рабочую точку D проводим вертикальную линию, соответствующую частоте w_D = w_н, и определяем точки пересечения этой линии с частичными характеристиками эффективной мощности для h = h_н, h = 0,75h_н, h = 0,5h_н, h = 0,25h_н. Построения повторяем для рабочих точек A, B, C и результаты заносим в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 - зависимость мощности от положения рейки ТНВД

Положение рейки ТНВД	Мощность кВт при угловой скорости.
	A = 138,461	B = 174,458	C = 199,7	D = 219,8
hн	72,818	92,842	103,949	110,29
0,75hн	60,753	75,674	82,717	85,538
0,5hн	46,42	55,145	57,235	55,755
0,25hн	27,572	27,874	23,193	15,807

По данным таблицы 3.2 строим графики для рабочих точек A, B, C, D. По горизонтальной оси вспомогательного графика откладываем значения h, а по вертикальной оси для каждого значения h откладываем значение эффективной мощности. Полученные точки соединяем плавной кривой.

Для каждой полученной, кривой определяем тангенс угла наклона касательной к этой кривой в рабочей точке по следующей форму:

. (13)

При определении g мощность следует подставлять в Вт. По определенной величине g и фактору устойчивости дизеля определяем коэффициент усиления по подаче топлива K_h , с^-1 по формуле:

. (14)

Расчет коэффициента усиления дизеля по подаче топлива в точке D.

, .

;

;

;

.

Расчет коэффициента усиления дизеля по подаче топлива в точке С.

, .

;

;

;

.

Расчет коэффициента усиления дизеля по подаче топлива в точке В.

, .

;

;

;

.

Расчет коэффициента усиления дизеля по подаче топлива в точке А.

, .

;

;

;

.



Рисунок 3.2 - Графики вспомогательные

3.7 Уравнение дизеля

Поскольку динамические параметры дизеля зависят от режима его работы, то дифференциальное уравнение дизеля запишется в следующем виде:

, (15)

где i - символ рабочего режима дизеля.

Параметры уравнения дизеля, полученные в результате выполненных выше расчетов, сводим в таблицу 3.3.

Таблица 3.3 - динамические параметры комплекса «дизель - гребной винт»

Параметр	Режим дизеля.
	0,25hн	0,5hн	0,75hн	hн
Тд, с	0,214	0,169	0,149	0,135
Kh, c-1	173,096	118,363	89,925	72,698

Номинальному режиму работы дизеля соответствует режим с номинальным положением рейки топливного насоса h_н (номинальная топливоподача) и номинальной эффективной мощностью на валу N_ен. Для режимов частичной мощности значения постоянной времени и коэффициента усиления иные. Следовательно, динамические характеристики комплекса «дизель - гребной винт» зависят от режима работы дизеля.

4. описание системы автоматического регулирования угловой скорости вала дизеля

4.1 Описание центробежного чувствительного элемента

Рисунок 4.1 - Центробежный чувствительный элемент

На рис. 4.1 показана обобщенная схема центробежного чувствительного элемента для контроля угловой скорости. С валом дизеля 1 (или с валом привода ТНВД) шарнирно соединены рычаги 2 с грузами 3. При увеличении скорости вращения вала , под действием возрастающей центробежной силы, грузы 3 расходятся, поворачивая на угол рычаги 2 и преодолевая сопротивление задающей пружины 5 через упорный подшипник 4. Изменением предварительного натяга пружины 5 можно изменять заданную скорость вращения валя дизеля.

Отклонение угловой скорости вала дизеля от заданной приводит к перемещению z(t) тяги чувствительного элемента. Зависимость z() при небольших изменениях скорости близка к линейной. Передача 6 передает перемещение тяги другим механизмам регулятора. Эта передача выполняется разными способами. Для успокоения (демпфирования) механизма чувствительного элемента в его состав вводится гидравлический демпфер 7 (катаракт). В изодромном регуляторе роль катаракта выполняет золотниковый гидрораспределитель. Линеаризованное дифференциальное уравнение чувствительного элемента можно записать в следующем виде:

, (16)

где m_пр - масса подвижных частей чувствительного элемента, приведенная к его тяге (грузы, рычаги, выжимной подшипник и др.);

з - коэффициент жидкостного сопротивления катаракта;

б - жесткость задающей пружины;

l(t) - перемещение тяги в абсолютных величинах.

Чтобы получить относительную величину перемещения, разделим уравнение на l_н, где l_н - полный рабочий ход тяги чувствительного элемента.

, (17)

где z(t) = l(t)/l_н-относительное перемещение тяги чувствительного элемента, полному ходу рейки соответствует z = 1.

После преобразования уравнения к операторной форме записи, получим:

, (18)

где k_т - коэффициент усиления чувствительного элемента;

Т₁ и Т₂ - постоянные времени чувствительного элемента;

, (19)

где б - жесткость задающей пружины центробежного тахометра, Н/м;

б = 11,33 Н/мм = 11330 Н/м;

m_пр - приведенная к муфте тахометра масса подвижных частей,

m_пр = 0,71 кг;

;

;

, (20)

где з - коэффициент демпфирования катаракта тахометра, Н•с/м;

з = 56,27 Н·с/м;

.

На основе дифференциального уравнения определяем передаточную функцию чувствительного элемента, которая соответствует передаточной функции типового колебательного звена. Отношение постоянных времени T₂/2T₁ определит степень демпфирования звена и вид переходного процесса в нем.

. (21)

По исходным данным для чувствительного элемента вычисляются его параметры. При вычислении коэффициента преобразования чувствительного элемента рассмотрим установившийся режим с щ(t)=const, тогда получим:

, (22)

где Дz - относительная величина перемещения тяги чувствительного элемента;

Дщ - изменение угловой скорости, вызывающее перемещение Дz.

Для всережимного регулятора полное рабочее перемещение тяги чувствительного элемента (относительная величина Дz = 1) соответствует изменению угловой скорости вращения вала от щмин до щн, следовательно, для коэффициента преобразования можно записать:

, (23)

где щ_мин - минимальная угловая скорость вращения вала дизеля, рад/с;

;

;

.

С учетом выполненных вычислений получим:

.

4.2 Описание гидравлического сервомотора

Рисунок 4.2 - Сервомотор

Гидравлический сервомотор используется для перемещения рейки топливного насоса при изменении положения тяги чувствительного элемента. В его состав входит золотниковый гидрораспределитель 1 и исполнительный гидроцилиндр 2 (рис. 4.2).

Скорость движения поршня гидроцилиндра определится расходом поступающей в его полость жидкости. Расход жидкости, в свою очередь, определится проходным сечением гидрораспределителя, т.е. смещение его золотника из среднего закрытого положения. Следовательно, можно записать уравнение связи перемещения тяги чувствительного элемента и рейки топливного насоса в виде:

, (24)

.

Передаточная функция сервомотора:

. (25)

Для определения коэффициента усиления сервомотора можно воспользоваться уравнением статики:

, (26)

где Дt - время перемещения поршня на величину Дh.

Полный ход поршня гидроцилиндра для всережимного регулятора равен номинальному перемещению рейки топливного насоса Дh = h_н = 1 (в относительном выражении). Наибольшая скорость движения поршня обеспечивается при полном открытии золотника z = 1. Пусть быстродействие гидроцилиндра определяется временем Т перемещения его поршня из одного крайнего положения в другое (техническая характеристика гидроцилиндра), тогда коэффициент усиления сервомотора:

, (27)

где Т - время полного хода поршня гидроцилиндра при номинальном расходе подаваемой в цилиндр рабочей жидкости. Для выполнения расчетов можно принять усредненную величину k_м = 100 c^-1.С учетом коэффициента k_м дифференциальное уравнение гидравлического сервомотора будет: p_h(t) = 100•z(t).

4.3 Описание изодромного устройства обратной связи

Изодромная обратная связь является гибкой обратной связью, характер которой меняется при изменении скорости движения рейки топливного насоса. В состав изодромного устройства входят: гидравлический цилиндр 2, игла 3 регулировки проходного сечения для протечки жидкости, пружина 1 изодрома (рис. 4.3).

Рисунок 4.3 - Изодромное устройство

Игла 3 изодромного устройства позволяет регулировать силу сопротивления движению поршня в цилиндре изодромного устройства, что вызывает изменение «жесткости» обратной связи. Если игла полностью перекроет проходное сечение, то за счет не сжимаемости жидкости изодромное устройство уподобится твердому телу (для идеальной жидкости). Сопротивление жидкости движению поршня изодромного устройства будет зависеть от скорости его движения и от положения иглы. Для поршня можно записать уравнение действующих на него сил:

. (28)

После преобразования:

, (29)

где g - жесткость пружины изодромного устройства;

k_ж - коэффициент силы сопротивления жидкости.

Переходя к операторной форме записи, получим:

, (30)

где Т_и - постоянная времени изодромного устройства;

,

где k_и - коэффициент усиления изодромного устройства;

.

Оба параметра зависят от положения регулировочной иглы изодромного устройства.

Передаточная функция изодромного устройства:

. (31)

Следовательно, изодромное устройство представляет собой реальное дифференцирующее типовое структурное звено.

4.4 Описание изодромного регулятора

Регулятор определяет закон регулирования, характеризующийся связью между отклонением (ошибкой) управляемого параметра (скорость вращения вала) от заданного значения и управляющим воздействием (перемещение рейки топливного насоса), устраняющим возникшее отклонение. Изодромный регулятор реализует закон пропорционально - интегрального регулирования (ПИ - регулирования).

При ПИ - регулировании управляющее воздействие регулятора определяется как сумма величины пропорциональной отклонению (пропорциональное управление) и величины пропорциональной интегралу отклонения (интегральное управление). ПИ - регуляторы имеют хорошее быстродействие и высокую точность регулирования.

Структурная схема изодромного регулятора имеет вид:

Рисунок 4.4 - Структурная схема изодромного регулятора

На рисунке 4.4: z(t)-перемещение золотника; h(t)-перемещение рейки ТНВД; x(t)-движение корпуса изодромного устройства; y(t)-перемещение рычага обратной связи.

Структурная схема позволяет определить передаточную функцию изодромного регулятора, которая имеет следующий вид:

, (32)

где k_p - общий коэффициент усиления регулятора;

, (33)

где k_oc - коэффициент усиления обратной связи;

Т_р - постоянная времени регулятора;

. (34)

При настройке регулятора необходимо установить его коэффициент усиления k_М, изменяя k_oc и постоянную времени Т_и. Параметр Т_р является балластным параметром и ухудшает работу регулятора.

4.5 Структура и уравнение САРЧ

Рисунок 4.5 - Структурная схема САРЧ

Чувствительный элемент реагирует на отклонение фактической частоты вращения вала от заданной и дает управляющее воздействие на вход регулятора, который определяет закон регулирования, т.е. связь между этим воздействием и перемещением рейки ТНВД. В состав регулятора (Р) входит исполнительный механизм, который перемещает рейку ТНВД, тем самым изменяя частоту вращения вала дизеля.

Передаточная функция разомкнутой САРЧ находится по ее структурной схеме и имеет вид:

, (35)

где К - коэффициент усиления разомкнутой системы;

k_T - коэффициент усиления центробежного чувствительного элемента;

k_p - коэффициент усиления регулятора;

k_h - коэффициент усиления по топливоподаче дизеля;

Т₁ - первая постоянная времени чувствительного элемента;

Т₂ - вторая постоянная времени чувствительного элемента;

Т_р - балластная постоянная времени регулятора;

Т_Д - постоянная времени дизеля;

Т_и - постоянная времени изодромной обратной связи.

Передаточная функция замкнутой системы будет иметь вид САРЧ:

, (36)

где , , ,

, , .

Дифференциальное уравнение замкнутой САРЧ можно получить на основе передаточной функции замкнутой системы:

, (37)

где (t) - фактическая угловая скорость вращения вала дизеля;

_з(t) - заданное значение угловой скорости вращения вала.

Решение дифференциального уравнения (t) описывает переходный процесс в системе регулирования, который позволяет оценить ее динамику. Переходные процессы должны соответствовать требованиям стандарта на регуляторы частоты вращения дизелей.

5. настройка сарч

5.1 Построение логарифмических частотных характеристик системы и настройка регулятора

Для определения параметров регулятора можно использовать логарифмические частотные характеристики системы. Вначале строим логарифмические амплитудные частотные характеристики системы (ЛАХ). Эти характеристики учитывают зависимость усиления системы L() от частоты гармонического сигнала, подаваемого на вход системы. По горизонтальной оси графика (рис. 9) откладывается частота сигнала в логарифмическом масштабе, а по вертикальной оси графика откладывается коэффициент усиления сигнала системой при его определенной частоте L() = 20logA(), где A()-модуль частотной характеристики системы, выраженной в дБ.

Вначале строим общий вид ЛАХ системы без учета динамических свойств регулятора в виде ломаной линии L₁() (рис. 9). Эта характеристика строится следующим образом:

-отмечаем на графике частоты:

; (38)

;

; (39)

;

-отмечаем на графике точку:

;

;

-через точку с координатами L₁(1) = - 6,476 дБ проводим прямую с наклоном -20 дБ/дек до частоты ₁, что соответствует наличию в системе интегрирующего звена;

-на частоте ₁ увеличиваем наклон линии на 20 дБ/дек для учета инерционности дизеля, (суммарный наклон составит -40 дБ/дек) и проводим линию до частоты ₂;

-на частоте ₂ учитываем влияние инерционности, путем увеличения угла наклона ЛАХ на -40 дБ/дек, суммарный наклон составит -80 дБ/дек.

Учтем влияние динамических свойств регулятора на частотные характеристики системы. Наибольшей инерционностью в системе обладает объект управления - дизель. Для устранения влияния инерционности дизеля на систему, принимаем Т_Р = Т_Д. Кроме того, в первом приближении можно пренебречь балластной постоянной времени Т_р регулятора. В этом случае динамику САРЧ можно приближенно описать следующей функцией:

.

Этой передаточной функции (без учета коэффициента усиления k_р регулятора), соответствует L₂() на рис. 9. Характеристика L2() имеет наклон -20 дБ/дек до частоты ₂, а на участке от частоты ₂ наклон ЛАХ составит -60 дБ/дек.

Далее необходимо построить логарифмические фазовые характеристики системы (ЛФХ) для выбранного значения Т_Р регулятора. По передаточной функции разомкнутой САРЧ можно написать выражение для определения фазового угла системы.

Для случая учета свойств дизеля и чувствительного элемента (L₁(щ)) фазовый угол равен:

. (40)

Для случая учета регулятора с выбранной настройкой Т_И = Т_Д фазовый угол системы определяется:

. (41)

Таблица 5.1-зависимость фазового угла от частоты вращения вала дизеля

	1()	2()
1	-97,973	-90,285
2	-105,679	-90,569
3	-112,902	-90,854
4	-119,508	-91,139
5	-125,444	-91,425
6	-130,718	-91,711
7	-135,377	-91,997
8	-139,487	-92,284
9	-143,116	-92,572
10	-146,332	-92,861
20	-165,494	-95,817
30	-175,102	-98,972
40	-181,958	-102,45
50	-187,979	-106,406
60	-194,007	-111,045
70	-200,6	-116,641
80	-208,266	-123,556
90	-217,523	-132,228
100	-228,826	-143,062
200	-324,483	-236,604
300	-340,784	-252,198
400	-346,528	-257,589
500	-349,542	-260,391
600	-351,424	-262,131
700	-352,719	-263,325
800	-353,668	-264,199
900	-354,396	-264,867
1000	-354,971	-265,396

По данным таблицы строим логарифмические фазовые характеристики, совмещая их графиком логарифмических частотных характеристик. По горизонтальной оси графика откладывается частота в логарифмическом масштабе, а по вертикальной оси - фазовый угол системы в градусах. При этом уровень - 180 ЛФХ совмещается с уровнем 0 дБ ЛАХ. Кривая ц₁(щ) соответствует случаю исходной системы без учета свойств регулятора, ц₂(щ) - случаю с учетом свойств регулятора.

Построенная ЛАХ L₂() учитывает влияние регулятора на динамические свойства системы, но не учитывает его коэффициент усиления. Если учесть коэффициент усиления регулятора, то линия L₂() будет проходить через точку с координатами ( = 1, 20logK), где K=k_т·k_p·k_h. При изменении коэффициента усиления регулятора k_р характеристика L₂(), будет перемещаться на графике, оставаясь параллельной самой себе. Данное обстоятельство используем для выбора такого значения коэффициента усиления регулятора k_р, при котором положение характеристики будет соответствовать наилучшему переходному процессу в САРЧ.

Наилучший переходный процесс будет наблюдаться в системе, ЛАХ которой отвечает следующим требованиям:

-ЛАХ пересекает уровень 0 дБ с наклоном -20 дБ/дек;

-запас устойчивости по фазе составляет не менее 20 - 50;

-запас по амплитуде составляет не менее -15 дБ;

-перерегулирование не должно превышать 5 - 15 %;

-отрезок _с-щ₂ лежит в пределах 0,5 - 0,9 декады, где с частота среза;

-чем выше частота среза с системы, тем короче переходный процесс в системе и выше ее быстродействие.

Для того чтобы определить настройки регулятора по логарифмическим частотным характеристикам необходимо определить устойчивость системы: ц_з - запас по фазе и L₃-запас по амплитуде. От ₂ откладываем отрезок 0,8 дек получаем точку _с. Через эту точку проводим линию параллельную L₂() получаем линию L₃(). Полученное значение L₃(1) = 22 дБ позволяет вычислить оптимальный коэффициент усиления САРЧ и требуемый коэффициент усиления регулятора.

; (42)

;

; (43)

.

Таким образом, для регулятора определились коэффициент усиления регулятора k_р. Определяем требуемый коэффициент обратной связи и балластную постоянную времени регулятора:

; (44)

;

; (45)

.

Рисунок 5.1 - Логарифмические амплитудные и фазовые характеристики

5.2 Настройка САРЧ в системе MATLAB/simulink

Рисунок 5.2 - Структурная схема САРЧ в обозначениях Simulink



Рисунок 5.3 - График переходного процесса

Рисунок 5.4 - График ЛАХ и ЛФХ

Заключение

В данной работе была произведена настройка системы автоматического регулирования частоты вращения дизельного двигателя 6ЧСП13/14 эффективной мощностью 150 л.с. при номинальной частоте вращения 2100 об/мин. Были построены графики переходного процесса и ЛАХ в системе MATLAB/simulink. В результате проведенных расчетов были получены следующие характеристики САРЧ:

- запас по фазе составил 68,3 градусов;

- запас по амплитуде составил 19,6 дБ;

- время переходного процесса составило 0,179 секунды;

- степень перерегулирования составила 1,43 %.

При таких характеристиках можно ожидать удовлетворительного качества переходного процесса в системе.

Список использованных источников

Ланчуковский, В. И. Автоматизированные системы управления судовыми дизельными и газотурбинными установками [Текст] : учебник для ВУЗов / В. И. Ланчуковский, А. В. Козьминых. - М. : Транспорт, 1990. - 335 с.

Дизели [Текст] : справочник / В. А. Ваншейдт, Н. Н. Иванченко, Л. К. Коллеров; под общ. ред. В. А. Ваншейдта. - Л. : Машиностроение, 1977. - 480 с.

Бурдун, Г. Д. Единицы физических величин [Текст] / Г. Д. Бурдун. - М. : Издательство комитета стандартов, 1967. - 216 с.

Юревич, Е. И. Теория автоматического управления [Текст] / Е. И. Юревич. - Л. : Энергия, 1975. - 416 с.

Размещено на Allbest.ru