Структура и виды задач судовой автоматики

ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ.

Основные понятия и определения.

Широкое внедрение автоматизации судовых энергетических установок на морском и речном транспорте ставит перед инженерно-техническим персоналом, эксплуатирующим судовую технику, новые задачи и предъявляет высокие требования к квалификации моряков. Это обстоятельство требует более высокой подготовленности судовых механиков и электромехаников, способных не просто эксплуатировать автоматизированные объекты, но и повышать технико-экономическую эффективность работы судовых энергетических установок путем применения практических и теоретических методов оптимизации процессов регулирования и управления сложными объектами.

Слова «автоматизация» и «автоматика» происходят от греческого слова «автоматос», что означает «самодействующий».

В настоящем разделе мы будем рассматривать в основном теорию и технику систем автоматического регулирования (САР).

Считается, что первым автоматическим регулятором был регулятор уровня воды в котле паровой машины, изобретенный и изготовленный И.И. Ползуновым в 1765 г. В этой системе поплавок (измерительное устройство) непосредственно перемещает задвижку на входе жидкости в бак. Уровень является здесь регулируемым параметром, задвижка - регулирующим органом, поплавок с приводом к задвижке – регулятором, а котел – объектом регулирования. Если увеличивается отвод жидкости из котла, то поплавок, опускаясь, открывает задвижку, увеличивает подвод жидкости в котел и уровень воды автоматически восстанавливается.

Автоматизация судовых энергетических установок (СЭУ) – важнейшее направление технического прогресса в мировом судостроении. При этом решился вопрос вывода машинной команды из машинно-котельного отделения (МКО) судна, решился вопросы перехода к безвахтенному обслуживанию судовых технических средств (СТС) и сокращению общей численности технического персонала при передаче функций маневрирования СЭУ непосредственно в руки судоводителя, обеспечиваются постоянный контроль за работой СТС, сигнализация и защита судовых объектов.

В зависимости от объема средств автоматизации Морской Регистр РФ присваивает судну знак автоматизации А₁ или А₂, что отражается в квалификационном свидетельстве судна.

Знак А₂ присваивается, если объем автоматизации СЭУ достаточен для ее безопасной работы при отсутствии постоянной вахты в МКО, но при наличии вахты на центральном посту управления (ЦПУ).

При этом должны быть обеспечены возможности дистанционного запуска (останова) главных и вспомогательных двигателей (ГД и ВД), изменение режима работы всех механизмов МКО. Суда со знаком А₂ в символе класса должны быть оборудованы системами автоматизации (СА) в объеме, позволяющем проводить дистанционное автоматическое управление (ДАУ) с мостика, ходовой рубки главными механизмами и движителями. Главное, безопасность эксплуатации судна должна быть не меньшей, чем на судах с вахтой в МКО.

Знак автоматизации А₁ предполагает нормальную работу всех механизмов МКО без местного обслуживания и дистанционного контроля из ЦПУ, а только из ходовой рубки.

ДАУ – управление, с помощью которого можно задавать желаемый режим работы механизма, воздействуя на элемент управления так, что в дальнейшем механизм самостоятельно выполняет все промежуточные действия по заложенному в системе алгоритму, обеспечивая заданный режим.

АПС (аварийно-предупредительная сигнализация) обеспечивает сигнализацию о достижении контролируемыми параметрами установленных предельных значений и об изменении нормального функционирования. Сигнализация может быть звуковой (ревун, колокол громкого боя, звонок) и световой.

Система индикации (СИ) обеспечивает получение информации о величинах, определенных физических параметров или об изменении определенных состояний механизмов.

Система автоматизации (СА) – это совокупность элементов и устройств, предназначенная для создания конструктивного и функционального целого и для выполнения определенных функций в области управления, контроля и защиты судовых технических средств (СТС). Например, система ДАУ, включает в себя элементы передачи сигнала задания на дистанцию, автоматический регулятор частоты и сам управляемый механизм с системой АПС.

Устройство автоматизации (УА) – часть СА, составленная из элементов, соединенных в одно конструктивное и функциональное целое. Например, автоматический регулятор частоты.

Элемент СА – это самостоятельный в конструктивном отношении прибор (устройство), используемый в СА, например, реле (комбинированное реле давления или температуры), датчик, сигнализатор, усилитель, исполнительный механизм (ИМ).

Автоматизированными объектами (АО) могут быть: двигатель, компрессор, котел, судовая система или другие механизмы, оборудованные системами автоматического регулирования, управления, контроля и защиты.

Регулятор – это устройство, воспринимающее отклонение регулируемого параметра от заданного значения и воздействующее на процесс в сторону его восстановления.

Регулируемый параметр представляет собой показатель, характеризующий состояние происходящего в объекте регулирования процесса, например, частота вращения, температура воды (масла), давление пара, уровень в барабане котла и т.д.

Датчик – источник информации, выходной сигнал которого соответствует

текущему значению контролируемого параметра объекта. Датчик обеспечивает аналоговый непрерывный характер сигнала.

Сигнализатор – это источник информации, выходной сигнал которого дискретно (прерывисто) изменяется при достижении контролируемым параметром заданного значения.

Структура и виды задач судовой автоматики

Система автоматического регулирования (САР) обеспечивает работу механизма (агрегата) по заданному режиму с сохранением необходимых значений параметров, характеризующих этот режим. Сам агрегат является при этом регулируемым объектом (О). САР состоит как минимум из объекта и регулирующего устройства (автоматического регулятора (Р)). Воздействие на объект Р оказывает через регулирующий орган (РО), который изменяет подвод или отвод энергии (g_n ,g_от) к О. Например, РО изменяет подачу топлива, подвод пара, проходное сечение и т.п.

Параметр, который поддерживается САР в заданных пределах, называется регулируемым параметром. При этом регулируемый параметр конкретизирует назначение САР, например, САРч – система автоматического регулирования частоты, САР_Т – температуры, САРд – давления.

Причина, заставляющая О выйти из заданного режима, называется возмущением. Характерными видами возмущения могут быть «толчок», «скачок», гармонические колебания и т.п. На рис.5.1 представлена структурная схема классической САР. Под структурной схемой понимается простейшее представление элементов СА в виде прямоугольников, окружностей, стрелок и других обозначений, в том числе буквенных.

Рисунок 5.1.. Структурная схема САР

Функциональная схема – это упрощенное изображение САР или ее элементов на уровне эскиза или чертежа.

Стрелки на структурной схеме указывают направление возмущения и отработки элементами САР на эти возмущения. В САР имеются обратные связи. Но обратная связь, проходящая через регулятор, называется главной обратной связью. Так, на рис. 5.1 главная обратная связь проходит от выходной координаты объекта y₀, через кинематическую пару с коэффициентом статической передачи Кс₃, через регулятор Р, кинематическую пару с Кс₁, , регулирующий орган РО и кинематическую пару с Кс₂ на входную координату объекта х₀.

Дополнительная обратная связь проходит от выходной координаты О через кинематическую пару Кс₄, на координату входа в объект y_н.

Из структурной схемы САР следует, что она является замкнутой системой звеньев направленного (детектирующего) действия. На структурной схеме показаны входные и выходные координаты звеньев или в абсолютном (размерном), или в относительном (безразмерном) выражении. Желательно вводить безразмерные выражения, которые обозначаются прописными буквами.

Объект имеет координаты входа (х₀) и нагрузки (λ), координату выхода (х_р) и (y_зад), а координата выхода (y_р). Координата λ указывает, что объект работает на потребитель. У регулятора координату y_зад называют координатой настройки регулятора, определяющей выбор его статической характеристики и, следовательно, диапазон работы.

Кинематические пары (маленькие окружности) могут быть различного типа, например, шестеренная передача с коэффициентом статической передачи:

,

рычажная передача:

и т.п. В любом случае коэффициент статической передачи – это отношение выходной координаты к входной.

Каждое звено САР имеет свой коэффициент статической передачи. Например, для регулятора:

Если размерности входной и выходной координаты различны, то выражение приводят к безразмерному виду. Так, y_р имеет размерность [м], х_р - [с^-1] и

.

В выражение вводят номинальные паспортные параметры элемента, определяющие весь диапазон его изменения.

Кинематические пары могут иметь иной физический смысл, например,

читается как ,

-

через y₂ проходит отрицательная связь - y₂ и результат получится как y = y_{1 –} y₂.

САР может находиться в состоянии равновесия или в состоянии переходного процесса (статика и динамика регулирования). Вследствие внесенного в САР возмущения происходит отработка всех звеньев системы на это возмущение. Структурная схема наглядно отражает участие и роль каждого звена и элемента в данном процессе. При изучении САР рассматривают отдельно свойства всех звеньев, образующих систему как в равновесных режимах (статика), так и на переходных режимах (динамика). Зная статику и динамику каждого звена САР, можно выполнять анализ (разложение на простейшие элементы) и синтез (структурирование и создание) сложных систем.

Следует особо выделить вопрос об устойчивости САР и ее элементов. Если после переходных процессов, вызванных внесенным в САР возмущением, наступает равновесный режим, то говорят, что САР устойчива. Если возникает расходящийся процесс, то САР определяют как неустойчивую. В случае вывода системы на режим незатухающих периодических колебаний считают, что САР является консервативной системой.

На практике реализуются три вида задач регулирования.

Статическое регулирование:

а) Статическое регулирование, т.е. регулирование с определенной ошибкой, которую называют степенью неравномерности регулирования δ или статизмом САР (рис. 5.2). В некоторых случаях ошибку регулирования называют наклоном статической характеристики.

 

 

Рисунок 5.2. Статическое регулирование

 

При этом зависимость y_{0 = ƒ(λ)}, полученную для САР на рис.5.1, при работе объекта на регуляторе с фиксированной координатой задания (y_{зад = const)} называют статической характеристикой САР или регуляторной характеристикой. При изменении режима нагружения (в данном случае путем последовательного динамического наброса нагрузки от λ₁ до λ₃ после некоторого переходного процесса с динамическим забросом параметра y₀ устанавливается равновесный режим при y₁ , y₂ и y₃, соответственно. Регулируемый параметр при изменении нагрузки не восстанавливается, имеет место ошибка регулирования. В данном случае при статическом или динамическом переходе от нулевой нагрузки до полной (λ=1) y₀ изменится на величину 0,6 (или на 60%). Степень неравномерности статической характеристики САР (или ее статизм, или ее наклон к оси регулируемого параметра, или остаточная ошибка регулирования) будет равна δ = 60%.

б) Астатическое регулирование, т.е. ошибка регулирования равна нулю при любом изменении нагрузки (рис. 5.3).

 

 

Рисунок 5.3. Астатическое регулирование

 

Наклон статической характеристики САР, выраженный величиной ее проекции на ось y₀, равен нулю. По сути это частный случай статического регулирования. Это точное регулирование при степени неравномерности характеристики . При переходе с одного режима нагружения на другой имеет место переходный процесс с динамическим забросом регулируемого параметра .

1.Программное регулирование (рис. 5.4).

 

Программа
Нагрузка	Значение
I ( )
II ( )
III ( )
- - -	- - -
- - -	- - -
X ( )

 

Рисунок 5.4. Программное регулирование

 

Программа задается функцией или таблично. Реализуется на базе микропроцессорных комплектов (МПК) в современных системах автоматизации.

1.Системы позиционного (релейного) регулирования (рис. 5.5).

Рисунок 5.5. Система позиционного регулирования

 

Например, в САРд (системе автоматического регулирования давления пара во вспомогательном котле с электрическим подогревом) регулируемый параметр давление пара поддерживается в рабочем диапазоне путем включения – выключения электрического нагревателя. Темп возрастания – падения давления определяется величиной потребления пара (нагрузкой ), в результате чего скважность подачи тока , и различна во времени. САР обеспечивает поддержание давления пара в пределах заданной степени неравномерности статической характеристики САРд

 

,

где y_{о ном} - номинальное (паспортное) давление пара.

Рисунок 5.6. Структура и виды управления, контроля и защиты

Если ось ординат имеет безразмерный вид, то δ = y_max - y_min , о.е., или δ = (y_max - y_min)∙100%.

В целом вопросы автоматизации связаны с осуществлением функций управления, контроля и защиты СТС, что в обобщенном виде наглядно представлено на рис. 5.6.

В отличие от САР, представленной на рис.5.1, система автоматизированного управления (САУ) предполагает внедрение интеллектуального интерфейса между пользователем, программным устройством и САР (рис. 5.7).

Рисунок 5. 7. Структурная схема автоматизированного управления

 

Система автоматического управления предполагает, в отличие от автоматизированного управления, введение многочисленных обратных связей от объекта к программному устройству с исключением роли вахтенного с его воздействием на координату режима y_реж программного устройства (рис. 5.8).

Рисунок. 5.8. Структурная схема автоматического управления

 

Системы автоматизации СЭУ должны удовлетворять следующим основным требованиям Морского Регистра судоходства РФ:

1. Повышение технической и эксплуатационной эффективности использования судов, безопасности плавания при улучшении условий труда и быта экипажа.

2. Повышение количественных показателей надежности СТС, связанных с возрастанием отрыва судов от береговых баз:

· срок службы систем автоматизации без регулировок и разборки не менее 7000 ч, а общий ресурс работы должен быть равен ресурсу объекта;

· СА должны нормально функционировать при крене до 20° (при длительном крене - 15°) и дифференте до 10°.

· СА должны нормально функционировать в условиях вибрации с ƒ = 20 Гц при амплитуде 0,5 мм и выдерживать удары с ускорением до 70 м/с² при t_МКО до 60°С и влажности воздуха до 95%;

· СА должны соответствовать Правилам приемки Регистра РФ, наблюдения и освидетельствования;

· исполнение должно быть искро- и взрывобезопасным и защищенным от влаги, паров масла и топлива;

· в СА должна предусматриваться возможность ручного вмешательства в процесс управления;

· для питания СА должен предусматриваться резервный источник, включаемый в работу автоматически за с;

· усилия на задающих органах СА до 30…50 Н;

· технические требования к характеристикам и показателям СА индивидуальны для каждой системы и объекта, исходя из характера и условий работы согласно государственным стандартам или ведомственной нормативной документации;

· СА должны обеспечивать алгоритм управления согласно с инструкциями, т.е. должны обеспечивать технически правильный алгоритм функционирования (с исключением опасных перегрузок и аварийных состояний);

· для СА должны быть оговорены требования по точности задаваемого режима, времени отработки задания и т.д.

 

Если САР (САУ) сама определяет наивыгоднейшее для данных условий эксплуатационное значение координаты y_зад и способна перенастраиваться, то ее называют самонастраивающейся (адаптивной) и оптимизирующей системой. Применение микропроцессорных САУ в этом плане является перспективным.

Следует особо остановиться на способах регулирования процессов в судовой автоматике.

И з в е с т н ы следующие способы регулирования:

1. регулирование по отклонению регулируемого параметра от заданной величины, в теории регулирования этот способ известен как принцип И.Ползунова – Д. Уатта;

2. регулирование по скорости изменения регулируемого параметра (способ братьев Сименс);

3. регулирование по ускорению регулируемого параметра;

4. регулирование по изменению нагрузки (способ Понселе).

 

На практике реализуется принцип Ползунова – Уатта, реже в совокупности с 3-им и 4-ым способами. Самостоятельно 2, 3 и 4-й способы не применяются.

 

 

<1234567>

---

Дата добавления: 2019-09-30; просмотров: 981;

---