Таблица 1.2.1

Состояние системы охлаждения как объекта регулирования температуры масла характеризуется таблицей 1.2.1:

температура масло параметр регулятор

Таблица 1.2.1

Характеристика системы охлаждения масла как объекта регулирования

1.3 Динамическая схема системы охлаждения масла как объекта регулирования

1.4 Назначение системы автоматического регулирования температуры масла в главном судовом дизеле и ее особенности

2. ЭС1 - элемент сравнения, формирующий сигнал eX отклонения регулируемой величины от заданного значения (eX = Tosp - Toos);

3. КУО - последовательное корректирующее устройство по отклонению, предназначенное для обеспечения требуемого качества работы САР (допустимого изменения регулируемой величины);

4. ДН - датчик мощности дизеля (нагрузки ОР), выходной сигнал которого Lt соответствует фактической мощности Pds;

5. КУН - корректирующее устройство по нагрузке;

6. С - сумматор, формирующий сигнал заданного положения ИМ Msp как сумму выходных сигналов КУН и КУО (Msp = Msl + Msc);

7. ЭС2 - элемент сравнения, формирующий сигнал отклонения положения ИМ от заданного (eM = Msp - Map);

8. КУП - последовательное корректирующее устройство позиционирования, предназначенное для обеспечения требуемого качества перемещения ИМ путем формирования ПИД закона регулирования;

9. У - усилитель, который повышает мощность входного сигнала Uf до уровня Uao, необходимого для перемещения ИМ (и регулирующего органа регулятора) с требуемой скоростью;

10. ЭД - электродвигатель, частота вращения которого Fsm определяется выходным сигналом усилителя Uao;

11. РД - понижающий редуктор, преобразующий частоту вращения ЭД Fsm в механическое перемещение M;

12. ДП - датчик положения исполнительного механизма, выходной сигнал которого Map соответствует фактическому положению ИМ M;

13. РО - трехходовая поворотная заслонка, связанная механической передачей с РД и преобразующая перемещение M в непосредственное регулирующее воздействие на ОР (расход забортной воды Gswc).

В корректирующем устройстве по отклонению КУО использован ПИД закон регулирования, передаточная функция которого (последовательная модификация) имеет вид [1]:

Настроечные параметры КУО: k_pm, T_im, T_fm, T_dm. - выбираются из условия получения требумого качества всей системы регулирования.

В корректирующем устройстве по нагрузке применен пропорциональный закон и передаточная функция КУН:

Wкун (s) = k_pl где коэффициент пропорциональности k_н выбирается так, чтобы выходной сигнал КУН Msl возможно точнее соответствовал нагрузке ОР - уровню мощности главного дизеля.

Корректирующее устройство позиционирования КУП в данном регуляторе отсутствует, что эквивалентно заданию его передаточной функции

Wкуп (s) = 1

Усилитель регулятора имеет релейную характеристику с зоной нечувствительности Db и зоной возврата Dr, показанную на рис.1.5.2:

Рис. 1.5.2 Характеристика релейного усилителя с зонами нечувствительности и возврата

Электродвигатель и редуктор составляют единый механический блок - исполнительный механизм (ИМ).

Контур позиционирования исполнительного механизма образуют следующие элементы:

элемент сравнения ЭС2, - корректирующее устройство КУП, - усилитель У, - исполнительный механизм ИМ, - датчик положения исполнительного механизма ДП.

Контур позиционирования предназначен для перемещения ИМ таким образом, чтобы положение ИМ М с возможно меньшей погрешностью было равно сигналу заданного положения ИМ Msp на входе контура.

1.6 Принцип действия контура позиционирования

погрешность установки ИМ в заданное начальное положение

ДМ=Мsp-М=2%;

погрешность равна зоне нечувствительности усилителя ДМ=Db=2%, что допустимо

выходной сигнал усилителя Uу=0, то есть на электродвигатель ИМ напряжение не подается и ИМ неподвижен;

в момент времени t₀ сигнал задания ИМ увеличился до Мsp=70%;

при пока еще неизменном положении ИМ и, следовательно, неизменном сигнале Мap=М=50% на выходе ДП сигнал отклонения положения ИМ от заданного увеличивается до еМ = Мsp - Мap = 70%;

в данном случае входной сигнал усилителя Uf=еМ=70% выходит за пределы зоны нечувствительности Db и на выходе усилителя появляется сиг- нал Uao=100%, что эквивалентно подаче напряжения на электродвигатель ИМ;

электродвигатель начнет вращаться с постоянной частотой Fsm и через редуктор уменьшать положение ИМ М;

уменьшение М приведет к соответствующему уменьшению сигнала Мap на выходе датчика ДП;

сигнал еМ отклонения положения ИМ от заданного начнет уменьшаться;

в результате сигнал Uf=еМ на выходе КУП (на входе усилителя) будет уменьшаться;

в момент времени t₁ сигнал на входе усилителя входит в зону нечувствительности на глубину зоны возврата, то есть будет выполнено условие

еМ = Мsp - Мap < Db-Dr;

в соответствии с характеристикой усилителя данного регулятора (рис.1.5.2) сиг- нал на выходе усилителя Uao=0, что эквивалентно прекращению питания электродвигателя ИМ;

частота вращения обесточенного ЭД уменьшается и перемещение ИМ прекращается, когда М=72%;

при новом установившемся положении входной сигнал усилителя |Uf|=|72-70|=2% остается внутри зоны нечувствительности Db=2%;

в конечном результате ИМ занимает новое заданное положение с погрешностью 2%.

Графики работы контура позиционирования при скачкообразном уменьшении и увеличении сигнала заданного положения ИМ Мsp приведены на рис.1.6.1

Рис.1.6.1 График работы контура позиционирования от 200 до 220 секунд.

Рис.1.6.2 График работы контура позиционирования от 345 до 360 секунд.

Рис.1.7.1 Переходные процессы в САР, работающей по принципу отклонения, при изменении нагрузки ОР

Действие комбинированной САР (см. рис.1.7.2) рассматривается для такого же изменения нагрузки объекта регулирования:

в начальном состоянии системы регулирования значение температуры масла Tdi постоянно и равно заданному значению Tdi = Тosp;

увеличение мощности дизеля Pds вызовет увеличение сигнала Lt на выходе датчика нагрузки ДН;

сигнал на выходе корректирующего устройства по нагрузке Мsl также увеличится;

сигнал заданного положения ИМ Мsp возрастет соответственно,

контур позиционирования будет увеличивать положение ИМ М;

регулирующий орган начнет увеличивать регулирующее воздействие на ОР Gwsc;

параметры КУН в данном случае подобраны таким образом, что регулируемая величина начнет уменьшаться, но ошибка регулирования будет существенно меньше чем в предыдущем случае;

канал регулирования по отклонению начинает работать аналогично предыдущему случаю и устраняет отклонение регулируемой величины;

для уменьшения мощности действие САР температуры масла можно описать в аналогичной последовательности.

Графики переходных процессов 1.7.1 и 1.7.2 показывают, что использование комбинированного принципа регулирования в данной САР существенно уменьшило изменение регулируемой величины

Рис 1.7.2 Переходные процессы при изменении нагрузки ОР в САР температуры масла, работающей по комбинированному принципу

Действие САР при изменении заданного значения температуры масла (см. рис.1.7.3):

в начальном состоянии системы регулирования значение температуры масла на входе дизеля Тdi (регулируемой величины) постоянно и равно за данному значению Тdi= Тosp;

увеличение заданного значения температуры Тosp и неизменном сигнале на выходе датчика температуры Тoos появится сигнал ошибки регулирования eX = Тosp - Тoos;

дальнейшее действие САР протекает аналогично действию системы, работающей по принципу отклонения, рассмотренному выше,

система, работающая по комбинированному принципу, также действует аналогично.

Рис 1.7.3 Переходные процессы при изменении задания ОР в САР температуры масла.

2. Определение динамических характеристик системы автоматического управления температуры масла в системе охлаждения циркуляционного масла главного дизеля

2.1 Описание системы охлаждения как объекта регулирования

Через охладитель проходит смазочное масло, подводимое от дизеля и в зависимости от мощности разогретое до некоторой температуры, величина которой контролируется охладителем. Температура масла в охладителе понижается от значения Тdoci на входе до значения Тdoi на выходе.

Рис. 2.1.1 Панель охладителя.

Охлаждение масла производится забортной водой, расход которой составляет Gswc.

Состояние охладителя как объекта регулирования температуры масла характеризуется таблицей 2.1.1:

Таблица 2.1.1

Характеристика охладителя масла как объекта регулирования

Наглядное представление об охладителе как ОР дает его динамическая схема, общий вид которой показан на рис.2.1.2:

Рис.2.1.2 Динамическая схема охладителя масла как объекта регулирования

Динамические свойства охладителя как ОР могут быть наглядно представлены его структурной схемой, показанной на рис.2.1.3:

Рис.2.1.3 Структурная схема охладителя масла.

При решении задач автоматизации регулирующий орган (в данном случае трехходовая поворотная заслонка) включают в состав ОР и полагают, что регулирующим воздействием на ОР является перемещение ИМ. Это отражено на структурной схеме ОР на рис.2.1.3.

Уравнение динамики охладителя масла (с передаточными функциями), которое отражает зависимость изменения во времени температуры масла на выходе охладителя Tdoi от изменения во времени расхода забортной воды Gswc и перемещения ИМ М, имеет вид:

Tdoi (s) = Wор (s) М (s) + Woн (s) Pds (s), (1)

где Wор (s) - передаточная функция oхладителя по регулирующему воздействию,

Woн (s) - передаточная функция охладителя по нагрузке.

Задача определения динамических свойств охладителя заключается в определении конкретного вида его передаточных функций и значений их коэффициентов.

В работе определяются два вида его динамических характеристик:

- передаточные функции собственно охладителя, используемые при оценке устойчивости САР температуры масла и переходных процессов в данной системе;

- передаточные функции охладителя как приведенного ОР, используемые при предварительном выборе настроечных параметров регулятора температуры масла.

Определение динамических свойств охладителя масла производится по его экспериментальным разгонным характеристикам.

2.3 Определение динамических характеристик охладителя масла

Таблица 2.3.1

2.4 Получение разгонных характеристик охладителя масла как приведенного ОР

Рис.2.4.1 Структурная схема САР температуры масла с выделенным приведенным ОР

Структурная схема САР, на которой приведенный ОР представлен одним блоком, показана на рис.2.4.2.

Рис.2.4.2 Структурная схема САР температуры масла с приведенным ОР.

Передаточная функция приведенного объекта в данной САР:

Wорп (s) =Wсс (s) Wор (s) Wд (s),

где Wсс (s) - передаточная функция следящей системы, Wop (s) - передаточная функция подогревателя по регулирующему воздействию, Wд (s) - передаточная функция датчика температуры масла.

Передаточная функция следящей системы определяется выражением:

Разгонная характеристика приведенного ОР по регулирующему воздействию представляет собой изменение во времени сигнала датчика температуры масла Тoos на выходе охладителя при скачкообразном изменении сигнала заданного положения ИМ на входе следящей системы Msp.

Эксперимент по получению разгонных характеристик приведенного ОР в САР температуры масла на тренажере, главная панель которого, подготовленная для эксперимента показана на рис.2.4.3:

Порядок проведения эксперимента:

- вся система регулирования температуры масла при заданной нагрузке Lco выводится на установившийся режим работы (постоянные значения Map, Tоos);

- включается дистанционное управление,

- включается имитатор датчика температуры масла,

- устанавливается 100% сигнал имитатора Tоoi=100,устанавливается заданное значение температуры максимально близкое положению ИМ, Tоsp=Map,

- отключается главное корректирующее устройство (его передаточная функция переключается на 1,отключается дистанционное управление, то есть управление ИМ передается на задатчик;

- начальные постоянные значения величин выводятся на график Object Plot;

- посредством задатчика скачком изменяется сигнал заданного положения ИМ Msp;

- выводятся графики изменения Msp, Map, Tоo, Tоos до выхода сигнала Tfos на установившееся значение.

График Tоos является разгонной характеристикой приведенного ОР.

Разгонные характеристики приведенного ОР получены для нагрузки охладителя 50%.

Wорп (s) =Wсс (s) Wор (s) Wд (s),

где передаточная функция следящей системы равна:

Получим передаточную функцию приведенного ОР

Для ОР с чистым запаздыванием =_о.

Определение динамических характеристик ОР с чистым запаздыванием будем выполнять в следующем порядке

найдем по графику разгонной характеристики транспортное запаздывание, - определим начальный момент изменения регулируемой величины после _о, - определим динамические характеристики ОР без запаздывания, приняв за начальный момент изменения регулируемой величины t=_о.

Транспортное запаздывание в соответствии с графиком рисунка 2.4.4 равно:

_о = t_{ар -} t_ор = 80 - 7 = 73 (c)

Начальный момент изменения регулируемой величины после _о:

t_ар = 73 + t_ор = 80 (с) Данный ОР, если рассматривать его без запаздывания, представляет собой одноемкостный устойчивый объект регулирования, следовательно:

расчет коэффициентов уравнения динамики одноемкостного устойчивого ОР выполним в форме таблицы 2.5.1 (начальный момент изменения регулируемой величины t=_о

Расчет коэффициентов уравнения динамики одноемкостного устойчивого объекта регулирования

Таблица 2.5.1

3. Вывод передаточной функции разомкнутой сар температуры масла дизеля

Рис.3.1 Структурная схема САР температуры масла

Передаточные функции элементов САР, которые используются для вывода передаточной функции разомкнутой системы, приведены в таблице 3.1.

Усилитель данного регулятора имеет релейную характеристику, показанную линией 1 на рис.3.2.

Характеристика усилителя имеет:

- зону нечувствительности Db, - зону возврата Dr.

Рис.3.2 Характеристика усилителя.

Для расчета АФЧХ должны использоваться линейные уравнения элементов САР, в связи с чем усилитель приближенно заменяется линейным с уравнением

Uу = k_sae Uкуп,

где k_sae= 1/Db - эквивалентный коэффициент усиления линейного усилителя, характеристика которого изображена линией 2 на рис.3.2.

Из структурной схемы САР выделяется контур позиционирования, структурная схема которого показана на рис.3.3.

Передаточная функция исполнительного механизма на этой схеме:

Передаточная функция контура позиционирования, полученная в соответствии с правилами преобразования структурных схем:

Эта формула после подстановки в нее выражений передаточных функций из таблицы 3.1:

Таблица 3.1

Таблица передаточных функций

Рис.3.3 Структурная схема контура позиционирования.

После упрощающих преобразований Wкп (s) выразится следующим образом:

Окончательно приведем выражение для передаточной функции контура позиционирования к стандартному виду

где

T_acm - приведенное время ИМ, определяемое по формуле

T_acm = T_ac/ (k_sae k_sma).

Передаточная функция разомкнутой САР согласно структурной схеме на рис.3.1 и передаточной функции контура позиционирования определяется как

Wр (s) = Wкуо (s) Wкп (s) Wор (s) Wд (s).

После подстановки конкретных выражений передаточных функций сомножителей Wр (s) примет вид:

Для упрощения вычислений принимается T_fm=0. Это не приведет к какой-либо существенной погрешности, поскольку, как правило, T_fm<0.1T_dm.

Теперь передаточную функцию Wр (s) можно выразить как:

Далее Wр (s) выражается через операторы разомкнутой системы

где Kp (s) - оператор воздействия разомкнутой САР, причем

Kp (s) = = k_pmk_opk_{sm (}T_ims + 1 +T_dm s);

Dp (s) - собственный оператор разомкнутой САР, причем

Dp (s) = T_ims ( (T_smas +1) T_acms +1) (T_орs+1) (T_sms+1).

Оценка устойчивости САР в данном проекте производится по критерию Найквиста, для применения которого необходимо предварительно определить устойчивость разомкнутой системы.

Устойчивость разомкнутой системы можно определить по ее собственному оператору путем нахождения корней уравнения Dp (s) = 0.

Из выражения для Dp (s) следует, что это уравнение имеет следующие корни: s₁=0, s₂=-1/T_ор <0, s₃=-1/T_sm<0, а также корни уравнения квадратного уравнения

T_smaT_acms²+T_acms+1=0.

Поскольку коэффициенты данного квадратного уравнения положительны, то, в общем случае, его корни имеют отрицательные вещественные части.

Таким образом, Dp (s) имеет один нулевой корень и остальные корни с отрицательными вещественными частями.

В этом случае согласно математическому условию устойчивости разомкнутая САР находится на границе устойчивости.

Если разомкнутая САР находится на границе устойчивости, то по критерию Найквиста для устойчивости замкнутой САР необходимо и достаточно, чтобы на комплексной плоскости амплитудно-фазовая частотная характеристика разомкнутой САР не охватывала критическую точку.

После выполнения преобразований в числителе и знаменателе выражения Wp (s) можно получить следующие формулы для операторов разомкнутой системы:

Kp (s) = k_pmk_opk_{sm (} (T_im+T_dm) s + 1),

Dp (s) = T_imT_smaT_acmT_орT_sms⁵ + (T_imT_acm (T_орT_sm + T_smaT_sm + T_smaT_ор)) s⁴ +

(T_im (T_орT_sm + T_acm (T_sm + T_ор + T_sma))) s³ + (T_im (T_sm + T_ор + T_acm)) s² +

T_im s.

Для удобства расчета АФЧХ выражения для Kp (s) и Dp (s) представляются в виде:

Kp (s) = b₁s + b_0,Dp (s) = a₅s⁵ + a₄s⁴ + a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀.

Коэффициенты в этих выражениях вычисляются следующим образом:

b₀ = k_pmk_opk_sm, b₁ = b_{0 (}T_im+T_dm), a₀ = 0,a₁ = T_im,

a₂ = a₁ (T_sm + T_ор + T_acm),

a₃ = a₁ (T_орT_sm + T_acm (T_sm + T_ор + T_sma)),

a₄ = a₁T_acm (T_орT_sm + T_smaT_sm + T_smaT_ор),

a₅ = a₁T_smaT_acmT_орT_sm,

4. Определение настроечных параметров регулятора температуры масла

4.1 Предварительное определение настроечных параметров КУО

Предварительные значения настроечных параметров КУО определяются из условия получения в САР температуры масла переходных процессов с минимальным временем регулирования при отсутствии перерегулирования.

Исходными данными для этого служат найденные в разделе 2 динамические характеристики приведенного объекта регулирования - значения коэффициентов передаточной функции приведенного ОР.

Расчет предварительных значений настроечных параметров для ПИД закона регулирования произведен в таблице 4.1.1:

Таблица 4.1.1

Предварительный расчет настроечных параметров регулятора температуры масла

В таблице 4.1.1 рассчитываются значения настроечных параметров для классической модификации ПИД закона регулирования, а затем эти значения пересчитываются на заданную модификацию.

Проверка предварительных значений настроечных параметров была выполнена путем расчета и построения АФЧХ разомкнутой САР и оценки устойчивости по этим АФЧХ на основе критерия Найквиста.

Расчет коэффициентов передаточной функции разомкнутой САР с предварительными настроечными параметрами КУО для заданной нагрузки ОР в 50% выполнен в таблице 4.1.2.

Таблица 4.1.2

Расчет коэффициентов передаточной функции разомкнутой САР для нагрузки ОР в 50% при предварительных значениях настроечных параметров КУО.

Рис.4.1.1 Амплитудно-фазовая частотная характеристика разомкнутой САР температуры масла для нагрузки ОР в 50% при предвари- тельных значениях настроечных параметров КУО.

Если разомкнутая САР устойчива, то для устойчивости замкнутой САР необходимо и достаточно чтобы АФЧХ не охватывала критическую точку. Как мы видим на рис.4.1.1 АФЧХ охватывает критическую точку, поэтому по критерию Найквиста можно сделать вывод, что система не устойчива.

Также система является устойчивой если угол c> 30°, а данная система не является устойчивой так как угол c?30°.

Таким образом, необходимо подобрать такие значения настроечных параметров КУО, чтобы запасы устойчивости САР лежали в допустимых пределах.

4.2 Уточнение настроечных параметров КУО