Устранение неисправностей автоматизированных систем управления судового двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Цель и задачи курсовой работы

В практической деятельности судовой механик осваивает состав, принцип действия, правила эксплуатации и технического обслуживания, методы статической и динамической настройки, порядок поиска и устранения неисправностей автоматизированных систем управления (АСУ) энергетической установки по имеющейся для этих целей информации. Цель курсовой работы - научить курсанта методам решения перечисленных задач на примере заданной АСУ.

Состав АСУ определяется степенью автоматизации энергетической установки, структурным совершенством ее локальных подсистем и элементной базы. С этих позиций курсант фактически оценивает возможность заданной локальной АСУ решать задачу комплексной автоматизации энергетической установки, степень соответствия ее структуры и элементной базы современному уровню.

Принцип действия АСУ определяется элементной базой, назначением функциональных блоков (регуляторов) и их взаимосвязью. Поэтому для каждой АСУ должны быть описаны отличительные признаки элементной базы, способы формирования законов управления регуляторов, приспособления для статической и динамической настройки, конструкция регулирующих органов, порядок прохождения и нормирования сигналов информации по замкнутым контурам, взаимодействие связанных контуров автоматического регулирования.

Правила эксплуатации определяют периодичность, последовательность и объем действий оператора, гарантирующих надежную работу АСУ. Должны быть описаны периодические наблюдения, действия по источникам энергии АСУ, гарантирующие стабильность. параметров питающей энергии, чистоту энергоносителя; последовательность и объем действий при вводе АС. в работу и выводе из работы; периодичность и последовательность наблюдений за функционированием АСУ во время работы.

Техническое обслуживание предполагает восстановление характеристик элементов АСУ, обеспечивающих заданное качество переходных процессов. Оно включает поиск и устранение неисправностей, статическую и динамическую настройку АСУ. Должны быть описаны наиболее вероятные неисправности заданной АСУ, внесшее их проявление и обнаружение, возможность и порток устранения в судовых условиях; способы восстановления статических характеристик элементов АСУ и их совмещение; установление заданных значений регулируемых сигналов.

Динамическая настройка АСУ на заданное качество переходных процессе. осуществляется в последнюю очередь на основе приобретенного ранее опыта. Курсант приобретает опыт динамической настройки АСУ на ее модели, воспроизведенное на ЭВМ. Подбираются значения параметров динамической настройки регуляторов, обеспечивающие заданное техническими требованиями качество переходных процессов. Попутно выясняется влияние каждого параметра на устойчивость и качество переходных процессов.

Оформление курсовой работы должно соответствовать СТП-4-91.

2. Расчёт динамических характеристик судового двигателя внутреннего сгорания

2.1 Исходные данные

Номинальная мощность двигателя 20500,

Номинальная скорость вращения вала двигателя 2.03 ,

Приведённый момент вращающихся масс 238,

Передача на винт прямая

Диаметр гребного винта 5950, м

Шаг гребного винта 6600, мм

Число лопастей гребного винта 5

Дисковое отношение 0,6

2.2 Уравнение динамики двигателя

Динамика судового двигателя как объекта регулирования скорости вращения вала с достаточной точностью описывается линейным дифференциальным уравнением первого порядка

(0)

Где

- постоянная времени двигателя, с;

- коэффициент усиления двигателя по положению рейки ТНВД;

- коэффициент усиления по изменению внешней нагрузки;

 - относительная величина изменения скорости вала;

- относительное изменение координаты положения рейки ТНВД;

- относительное изменение относительной поступи винта;

, , - номинальные значения переменных величин.

Динамические характеристики двигателя представляются графиками, выражающими зависимость коэффициентов уравнения (0) от скоростного режима двигателя. В соответствии с предлагаемой методикой для получения таких характеристик надо располагать частичной и винтовыми характеристиками ДВС.

Совмещение последних позволит определить точки возможных установившихся режимов работы, в которых путём графического дифференцирования можно определить величины коэффициентов уравнения двигателя на каждом из режимов.

2.3 Получение частичных характеристик двигателя

Для построения внешней и частичных характеристик двигателя воспользуемся рекомендуемой формулой:

где- номинальная частота вращения вала;

- текущее значение частоты вала;

- значение эффективной мощности двигателя, получаемое на номинальном скоростном режиме при некотором фиксированном положении рейки ТНВД

- значение эффективной мощности двигателя, соответствующее каждому текущему значению при фиксированном положении рейки ТНВД;

Получение внешней характеристики произведём при условии, что положение рейки ТНВД соответствует номинальной подаче топлива, т. е. , при которой на номинальном скоростном режиме двигатель развивает мощность кВт. Расчёт частичных характеристик выполним для трёх положений топливной рейки:; ; , при которых на номинальном скоростном режиме двигатель развивает, соответственно ; ; ;

Вспомогательные расчеты, включающие нахождение отношений значений скоростных режимов двигателя и их комбинаций, выполним в табличной форме (табл.1)

Таблица 1. Вспомогательные расчеты для получения характеристик двигателя

№
1	0,61	0,3	0,09	0,027	0,15	0,135	0,258
2	0,81	0,4	0,16	0,064	0,20	0,240	0,376
3	1,02	0,5	0,25	0,125	0,25	0,375	0,500
4	1,22	0,6	0,36	0,216	0,30	0,540	0,624
5	1,42	0,7	0,49	0,343	0,35	0,735	0,742
6	1,62	0,8	0,64	0,512	0,40	0,960	0,848
7	1,83	0,9	0,81	0,729	0,45	1,215	0,936
8	2,03	1,0	1,00	1,000	0,50	1,500	1,000
9	2,23	1,1	1,21	1,331	0,55	1,815	1,034
10	2,44	1,2	1,44	1,728	0,60	2,160	1,032

Определение ординат внешней и частичных характеристик двигателя представлено в табл. 2

Таблица 2. Ординаты внешней и частичных характеристик

№		(табл. 1)
1	0,61	0,258	5289	3967	2645	1322
2	0,81	0,376	7708	5781	3854	1927
3	1,02	0,500	10250	7688	5125	2563
4	1,22	0,624	12792	9594	6396	3198
5	1,42	0,742	15211	11408	7606	3803
6	1,62	0,848	17384	13038	8692	4346
7	1,83	0,936	19188	14391	9594	4797
8	2,03	1,000	20500	15375	10250	5125
9	2,23	1,034	21197	15898	10599	5299
10	2,44	1,032	21156	15867	10578	5289

2.4 Получение винтовых характеристик

Для построения винтовых характеристик воспользуемся формулой:

(1)

где- мощность, срабатываемая винтом; - скорость вращения винта; -постоянный коэффициент.

Вначале получим номинальную винтовую характеристику и соответствующие ей значения коэффициента , относительной поступи и коэффициента момента винта .

Учитывая, что момент, развиваемый двигателем на номинальном режиме работы, определяется как:

а момент потребляемый винтом на этом же режиме:

где- плотность морской воды; -диаметр гребного винта, ,то для номинального режима работы комплекса, как и для любого другого установившегося режима работы можно записать:

или

Отсюда следует, что для номинальной винтовой характеристики будем иметь:

Для винта с при дисковом отношении и числе лопастей по его кривой действия значение относительной поступи для винта на номинальном режиме при составит .

Значение коэффициента определим по формуле:

С целью получения винтовых характеристик для более “тяжёлого” и для более “лёгкого” винтов сначала определим соответствующие им значения относительной поступи:

;

;

;

,

а затем по кривой действия винта найдем значения коэффициента момента:; ; ; .

Определим значения коэффициента для искомых винтовых характеристик:

;

Используя эти значения, по формуле (1) рассчитаем ординаты дополнительных винтовых характеристик (см. табл.3).

Таблица 3. Ординаты дополнительных винтовых характеристик

№	nв	NвС1	NвС2	NвС3	NвС4	NвСн
1	0,61	814,4	705,79	466,91	380,04	554
2	0,81	1930,4	1672,99	1106,75	900,84	1312
3	1,02	3770,3	3267,56	2161,61	1759,45	2563
4	1,22	6515,0	5646,34	3735,27	3040,34	4428
5	1,42	10345,6	8966,17	5931,47	4827,94	7032
6	1,62	15443,0	13383,91	8853,97	7206,72	10496
7	1,83	21988,1	19056,39	12606,53	10261,13	14945
8	2,03	30162,1	26140,45	17292,91	14075,63	20500
9	2,23	40145,7	34792,94	23016,87	18734,66	27286
10	2,44	52120,0	45170,70	29882,15	24322,68	35424

2.5 Определение возможных установившихся режимов работы

Для определения возможных установившихся режимов работы главной энергетической установки выполним графическое совмещение характеристик двигателя с номинальной винтовой характеристикой. Такое совмещение показано на рис.1. Точки пересечения кривой с характеристиками двигателя (точки А, 1, 2 и 3) будут определять установившиеся режимы работы. Из рисунка следует, что такими режимами будут: ; ; ; .

2.6 Определение коэффициентов уравнения динамики двигателя

Для определения числовых значений коэффициентов уравнения динамики двигателя воспользуемся формулами:

;

;

.

Коэффициенты , , можно вычислить, если будут известны значения частных производных. Найдём эти значения графическим дифференцированием характеристик двигателя и номинальной винтовой характеристики.

2.6.1 Определение постоянной времени двигателя.

Частные производные, входящие в выражение для нахождения , определим как тангенсы угла наклона касательных, поведённых к соответствующим кривым в точках установившихся режимов.

Для вычисления воспользуемся номинальной винтовой характеристикой (рис.2.), на которой в точках установившихся режимов построим прямоугольные треугольники, гипотенузами которых будут касательные, проведённые к характеристикам в этих точках. Обозначим вершины треугольников, как это показано на рис.2. Тогда производная на любом режиме работы будет определяться отношением катетов треугольников

.

Величины катетов и значения производной по режимам работы двигателя приведены в табл.4.

Таблица 4. Значения частной производной

N	Nвк	Nвм	ДNв	nм	nе	Дn	(?Nв/?n)0
2,03	22048,95	19904,55	2144,4	2,08	2,01	0,067	31799
1,847	15645,9	13297,5	2348,4	1,88	1,78	0,098	24068
1,479	8772,75	6974,25	1798,5	1,53	1,42	0,110	16407
1,02	3763,875	1660,5	2103,375	1,16	0,90	0,262	8039

Для вычисления частной производной воспользуемся характеристиками двигателя (рис.1). На каждой из них в точке установившегося режима построим прямоугольные треугольники, гипотенузой у которых будет касательная, проведенная к кривой в этой точке. Величину производной в соответствии с обозначениями на рис.1. будем находить как:

.

Нахождение величины производной представим в табличной форме (табл.5).

Таблица 5. Значение частной производной

n	Nдc	Nдd	ДNд	nb	nd	Дn	(?Nд/?n)0
2,03	21485,7	19514,25	1971,45	2,23	1,83	0,406	4856
1,847	15741,9	13505,28	2236,62	2,03	1,62	0,406	5509
1,479	8727,225	6486,54	2240,685	1,62	1,22	0,406	5519
1,02	3198	1927,005	1270,995	1,22	0,81	0,406	3131

Постоянная времени двигателя при заданных и уже найденных значениях чисел оборотов на установившихся режимах работы будет равна:

,;

, ;

, ;

, .

2.6.2 Определение коэффициента усиления по положению рейки топливных насосов

Для определения коэффициента надо знать значение частной производной . Эти значения можно получить путём графического дифференцирования характеристик двигателя, перестроенных в координатах “мощность двигателя - положение рейки топливных насосов”.

Перестроение характеристик выполним для уже известных скоростных режимов, обозначенных на рис.1. точками А, 1, 2 и 3. Для этого через указанные точки проведём вертикальные линии. Точки пересечения этих линий с характеристиками двигателя обозначим, как показано на рис.1.

После перестроения в каждой из этих точек проведем касательную, на которой построим произвольной величины прямоугольный треугольник ВСД. Тогда искомая производная в этих точках будет определяться, как:

.

Расчёт величин частной производной представим в табличной форме (табл.6).

Таблица 6. Значения частной производной

N	Nдc	Nдd	ДNд	htD	htB	Дht	(?Nд/?ht)0
2,03	22297,65	18912,45	3385,2	1,088	0,923	0,1651	20500
1,847	15856,65	13311,66	2544,99	0,817	0,686	0,1311	19412
1,479	9100,8	6854,115	2246,685	0,574	0,432	0,1417	15857
1,02	3416,13	1840,05	1576,08	0,333	0,179	0,1538	10249

Коэффициент усиления двигателя по положению рейки ТНВД на установившихся режимах работы при известных и будет равен:

;

;

;

.

2.6.3 Определение коэффициента усилия двигателя по изменению внешней нагрузки

Для нахождения значений коэффициента определим вначале величины частной производной . С этой целью перестроим винтовые характеристики (рис. 2) в координатах "мощность, потребляемая винтом - относительная поступь винта". Перестроение выполним для установившихся режимов, обозначенных на винтовой характеристике точками А, 1, 2 и 3. Для этого через режимные точки проведём вертикальные линии. Точки пересечения вертикалей с винтовыми характеристиками обозначим, как показано на рис. 2.

В каждой режимной точке проведём касательную, на которой построим произвольной величины прямоугольный треугольник ЕСК. Тогда искомая производная определится как

.

Вычисление частной производной произведём в табличной форме (табл. 7)

Таблица 7. Значения частной производной

N	NвЕ	NвС	ДNв	лрК	лрЕ	Д лр	(?Nв/?лр)0
2,03	23497,5	17979	5518,5	0,632	0,452	0,180	30677
1,847	17635,5	13447,5	4188	0,632	0,452	0,180	23281
1,479	9093,255	6949,32	2143,935	0,632	0,452	0,180	11918
1,02	2939,475	2245,5	693,975	0,632	0,452	0,180	3858

Коэффициенты двигателя при известных ; ; будут:

;

;

;

.

2.7 Получение динамических характеристик двигателя

Числовые значения коэффициента уравнения динамики двигателя на установившихся режимах работы сведём в табл. 9.

Таблица 8. Значения коэффициентов уравнения динамики двигателя

n	Tд	K1	K2
2,03	3,889	1,029	0,213
1,8479	1,753	0,717	0,297
1,479	1,029	0,515	0,340
1,02	0,708	0,375	0,308

Динамические характеристики двигателя, построенные по данным табл. 8, приведены на рис.4

3. Регулятор частоты вращения D 100

Рис. 1. Кинематическая схема всережимного регулятора двигателей Д-100.

Регулятор двигателей Д100. Регулятор числа оборотов двигателей Д100 получил широкое распространение и устанавливается также на двигателях Д50. Он выпускается в двух основных модификациях, отличающихся наличием у одной из них жесткой обратной связи. Регуляторы, имеющие стабилизирующие устройства только в виде изодромной обратной связи предназначены для одиночной работы двигателей, а оборудованные также жесткой обратной связью --для параллельной.

Регулятор -- непрямого действия, с центробежным чувствительным элементом, гидравлическим усилителем, изодромной или изодромной и жесткой обратными связями. Конструктивно регулятор выполнен как автономный агрегат с самостоятельной гидравлической системой и приводится во вращение от коленчатого вала двигателя через шестеренчатую передачу.

Чувствительный элемент регулятора состоит из всережимной пружины 3 (рис. 40) рычагов с грузами 10 и тарелки 4, которая жестко связана с преобразующим золотником 5 гидроусилителя. Сервомотор последнего одностороннего действия, включает в себя поршень 12, соединенный со штоком 75, и возвратную пружину 11.

Давление в каналах регулятора создается шестеренчатым насосом 7 и поддерживается постоянным аккумулятором 6. Изодромная обратная связь образована поршнем 14, игольчатым клапаном 13, пружиной 8 и ступенчатым золотником 9. Жесткая обратная связь силового типа позволяет изменять степень неравномерности в пределах 2--4% (на рисунке не показана). Настройка регулятора на заданный скоростной режим производится изменением натяжения пружины 3, что выполняется с помощью зубчатого сектора 1 и втулки 2.

Регулятор работает следующим образом. При уменьшения нагрузки возрастают обороты двигателя и рычаги с грузами 10 под действием возросшей центробежной силы расходятся, приподнимая преобразующий золотник 5. Нижний поясок последнего открывает отверстие в золотнике 9, и ма.сло из-под поршня 12 будет протекать в масляную ванну. Под действием пружины 11 поршень 12 и шток 15 будут перемещаться вниз, переставляя рейки топливных насосов в направлении уменьшения подачи топлива и тем самым уменьшая обороты дизеля.

При движении штока 15 вниз в пространстве над поршнем 14 и соединенной с ним полостью, над широким пояском золотника 9, образуется разрежение. Под действием этого разрежения золотник 9 будет двигаться вверх, сжимая пружину 8. Движение прекратится после того, как отверстие в золотнике 9 будет вновь перекрыто нижним пояском преобразующего золотника 5. При этом прекратятся выход масла из-под поршня сервомотора 12 и движение штока 15 в сторону уменьшения подачи.

Вследствие малого проходного сечения игольчатого клапана 13, масло, проходящее через него, не оказывает заметного влияния на величину разрежения во время быстрого движения поршня 14. Однако после его остановки поступление масла приводит к постепенному выравниванию давлений. По мере перетекания масла через игольчатый клапан 13 золотник 9 под действием пружины 8 возвращается в исходное положение. Вместе с ним возвратятся золотник 5 и рычаги с грузами. Благодаря тому что золотники 5 и 9 движутся вместе, отверстие в золотнике 9 остается закрытым, а поршень 12--неподвижным.

При увеличении нагрузки обороты двигателя уменьшаются и рычаги с грузами 'сходятся, перемещая преобразующий золотник 5 вниз. Масло из напорной магистрали через открывшееся в золотнике 9 отверстие поступает под поршень 12, перемещая его и шток 15 вверх, ,в сторану увеличения подачи. В полости над поршнем 14 создается повышенное давление масла, под действием которого золотник 9 перемещается вниз, сжимая пружину 8. Это движение прекратится после того, как отверстие в золотнике будет перекрыто нижним пояском преобразующего золотника 5. По мере восстановления оборотов рычаги с грузами 10 расходятся, .приподнимая золотник 5. Пружина 8 возвращает золотник 9 в среднее положение, заставляя масло сливаться из полости над поршнем 14 через игольчатый клапан в масляную ванну. При этом отверстие в золотнике 9 остается перекрытым нижним пояском преобразующего золотника 5, а поршень сервомотора -- неподвижным.

Рис. 2 дает ясное представление о конструктивном решении отдельных элементов регулятора и о его компоновке. Дополнительно показано устройство, служащее для остановки двигателя с дистанции через соленоид и для ручной остановки с помощью кнопки. При срабатывании соленоида или при нажатии на кнопку рабочая полость сервомотора сообщается со сливом и под действием пружины поршень сервомотора перемещает механизм изменения топливоподачи на "стоп".

Рис. 2. Внутренняя компоновка всережимного регулятора двигателей Д-100.

3.1 Уравнение динамики измерителя

Уравнение динамики измерителя, представляющее аналитическую зависимость изменения во времени его выходной , можно получить на основе принципа Даламбера, рассматривая все действующие силы, включая силы инерции.

При движении на измеритель действуют следующие силы, приведенные к его муфте и показанные на рис.7 поддерживающая сила А, представляющая собой сумму приведенных к муфте центробежных сил грузов F, а в общем случае и других деталей, центробежные силы которых могут оказывать действие на муфту;

восстанавливающая сила Е, равная силе натяжения пружины задания;

сила веса G движущихся частей, приведенная к муфте;

сила сухого трения F, действующая во всех деталях, связанных в движение с муфтой, и приведенная к муфте;

- сила скоростного (или жидкостного) трения Fтр.ж;

- приведенная сила реакции струи и сил внешнего сопротивления в управляющем золотнике RЗОЛ, если последний связан с муфтой;

- сила инерции Fi всех движущихся масс, связанных с муфтой.

Рис. 3. К выводу уравнения динамики измерителя скорости

В соответствии с принципом д'Аламбера, обозначая приведенную массу всех движущихся деталей через mпр, можем записать

.

С целью упрощения будем пренебрегать силами веса G, сухого трения Fтр, неуравновешенными силами, силами сопротивления и реакции струи в управляющем золотнике Rзол. При отмеченных допущениях, уравнение запишем так

.

Сила А определяется суммарной массой грузов mгр, радиусом вращения их центра тяжести r и угловой скоростью вращения wн

.

Учитывая, что r может быть выражен через Уu, запишем

.

Сила Е равная силе натяжения пружины, является функцией перемещения муфты Ju координаты задания Хзад, перемещения УО.С под действием ЖОС и жесткости пружины с:

.

Учитывая, что с = const для цилиндрических пружин; для конических она представляет линейную функцию суммарной величины сжатия

;

.

Поэтому для общего случая:

Сила

,

где D - коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментальным путем.

.

Разложим функции А и Е в ряд Тейлора

,

.

Тогда уравнение движения измерителя запишется так:

Обозначим

; ; ; .

Получим с учетом разделения всех членов на Еном = Аном, окончательно можно записать

,

где

; ;

;

;

.

Если предположить, что задание не изменяется, а жесткая обратная связь не влияет на натяжение пружины, то уравнение динамики измерителя принимает вид:

.

3.2 Уравнение динамики усилителя

Изменение выходной координаты усилителя УУ.С определяется движением поршня сервомотора. Движение поршня зависит от двух факторов: от действующих на поршень сил и от гидродинамического процесса перетекания жидкости. За входную координату усилителя ХУС принимается перемещение точки С, т.е. управляющего золотника.



Рис.4. К выводу уравнения динамики усилителя

При движении поршня сервомотора на него могут действовать следующие силы: силы давления масла, равные р1S1 и р2S2, где S1 и S2 - активные площади поршня сервомотора; G; FТР; FТР.Ж силы внешнего сопротивления R , силы инерции масс поршня и всех присоединенных к нему элементов Fj, которые равны

.

С другой стороны движение поршня определяется процессом перетекания жидкости.

,

где w - скорость истечения жидкости через окна золотника:

;

fОК - площадь открытия окон золотником, являющаяся функцией входной координаты усилителя ХУС, т.е. перемещения золотника; ж - коэффициент истечения.

Уравнение сил можно записать так:

.

Линеаризованное уравнение движения поршня сервомотора примет вид

.

Введя относительные координаты

,

Запишем

.

Разделив почленно на номинальный расход жидкости через окна Vном, получим

,

где

- время сервомотора; кV - безразмерный коэффициент пропорциональности:

.

3.3 Уравнение движения изодромной обратной связи

Рис. 5 Изодромная обратная связь

Как видно из схемы, представленной на рис. 9, связь состоит из двух последовательно соединенных звеньев: механического (рычажного) и гидравлического. Связь охватывает только усилитель и является кинематической.

Движение изодромной обратной связи опием уравнением движения ее математической линейной модели.

Связь между входной координатой Хi и промежуточной У будет определяться геометрическими соотношениями и описываться статической зависимостью в приращениях

,

где кш - коэффициент пропорциональности, зависящий от потенциала точки опоры О3.

При переходе к относительным координатам получим

,

где кш - коэффициент усиления НОС - безразмерная величина, равная

.

Уравнение движения гидравлического звена может быть получено на основании условия баланса сил, действующих на приемный поршень, с учетом процесса перетекания жидкости через игольчатый клапан 4. В общем случае на приемный поршень действуют:

- сила давления рабочей жидкости

;

- сила сжатия пружин

;

- сила инерции приведенных масс поршня и присоединенных к нему масс жидкости и рычагов

;

- Ri; FТР - силы, которыми пренебрегаем с целью упрощения;

- FТР.Ж - сила жидкостного трения

.

Переходя к приращениям и учитывая, что площадь приемного поршня fП и жесткость пружин с - постоянные величины, получаем:

.

ДРi определяется условием перетекания через дроссельный клапан.

,

где fдр - площадь проходного сечения клапана; wдр - скорость истечения жидкости.

Полагая процесс истечения ламинарным, при котором w пропорциональна ДРi, для объемного расхода через клапан получим

,

где - коэффициент расхода

.

После подстановки ДРi получим

.

При переходе к безразмерной форме записи введем относительные координаты

;

и учтем уравнение движения механического звена

,

Получим

.

Разделив все члены этого уравнения на номинальную величину силы, действующей на приемный поршень, равную , получим

,

где

- инерционное время изодромной связи

Ti - время изодромной связи:

;

j - безразмерный коэффициент, имеющий постоянное значение и равный отношению рабочих объемов дающего и приемного поршней:

;

кШ - коэффициент усиления НОС (настраиваемая величина, зависящая от соотношения плеч рычага обратной связи -положения точки опоры О3).

Если пренебречь влиянием сил инерции, то уравнение примет вид:

.

3.4 Уравнение движения жесткой обратной связи

Это уравнение, определяющее зависимость между выходной УО.С и входной ХО.С координатами, получим как уравнение движения кинематического звена. Связь охватывает два звена: усилитель и измеритель и является силовой.

Уравнение, связывающее приращения входной и выходной координат, запишется так:

,

где а - эксцентриситет, который настраивается путем изменения общей длины рычага (а + b). И в относительных координатах

где ко.с - коэффициент обратной связи, равный

.

3.5 Динамика регулятора

Динамика регулятора в целом будет описываться полученными вые уравнениями движения его элементов и уравнениями связи между коэффициентами.

Уравнение измерителя:

.

Уравнение усилителя:

.

Уравнение НОС

.

Уравнение ЖОС

.

Уравнение связи между координатами

Справедливо при условии, что номинальные значения координат выбраны с учетом соотношений

,

.

Выходная координата регулятора УР, ввиду его воздействия на сторону подвода объекта, имеет знак, обратный знаку координаты усилителя УУС, поэтому .

Уравнение движения дифференциального рычага BQ описывает связь между выходной координатой измерителя Уи (или з), входной координатой усилителя ХУС (или у) и выходной координатой НОС Уi или (Уi):

.

Переходя к относительным величинам получаем:

,

Что справедливо, если

и .

С учетом уравнений связей динамика регулятора непрямого действия, входными координатами которого являются ц и хзад, а выходной м, описываются шестью уравнениями.

Если исключить промежуточные координаты з, Хi, ХО.С, у, выразить уi через м и ц, а затем подставить значения и в уравнение изодромной обратной связи, то получим следующее упрощенное уравнение динамики регулятора непрямого действия:

,

Или

где

; .

Это является следствием того, что жесткой обратной связью в регуляторе охвачены два элемента: усилитель и измеритель. Остаточная неравномерность такого регулятора определяется коэффициентом обратной связи , что видно из выражения

.

Если = 0, то и = 0, т.е. регулятор будет обладать астатической характеристикой на установившихся режимах.

4. Правила эксплуатации и технического обслуживания АСУ

Правильная ориентация использования и ТО, современный ремонт и настройка автоматических регуляторов обеспечивают длительную безотказную их работу. Для правильной эксплуатации необходимо хорошо знать конструкцию и принцип действия регулятора, физическую сущность процессов, протекающих при автоматическом регулировании в объекте и регуляторе. Необходимо соблюдать графики ТО, проверок и ремонта, своевременно заполнять формуляры технического состояния. Особое внимание следует уделять ИЭ.

Повышенное изнашивание, наличие сухого трения, остаточная деформация пружин, неравномерность вращения частоты приводят к существенным искажениям всего процесса регулирования. Условием сохранения работоспособности АСР частоты вращения является не только исправное состояние элементов регулятора, но и правильное соотношение параметров настройки регулятора. Характеристики элементов регулятора следует проверять при строгом соблюдении условий, оговоренных в техническом описании и инструкции по эксплуатации.

Большинство неисправностей регуляторов частоты вращения можно обнаружить по поведению объекта регулирования (табл. 10).

В дополнение к регулятору каждый ГД, который может быть отключен или работает на ВРШ, должен иметь отдельный предельный выключатель, построенный так, чтобы частота вращения не могла превышать максимальное расчетное значение более чем на 10%.

При волнении вследствие "утяжеления" винтовой характеристики дизель переходит на работу по ограничительной характеристике.

Этот переход сопровождается увеличением колебаний частоты вращения. Поэтому на практике уменьшают задание частоты вращения на регулятор для повышения стабильности частоты вращения вала.

Показатели качества регулирования должны удовлетворять требованиям (в зависимости от класса точности регулятора), изложенным в ГОСТ 10511-83.

Характерные неисправности регуляторов частоты вращения

Неисправность	Причина
1. Двигатель не запускается	Не включается блокировка защиты по минимальному давлению в смазочной системе или системе охлаждающей воды. Зависание золотника ЧЭ регулятора вследствие загрязнения или задира. Нарушена регулировка в сочленениях между выходным валом или штоком сервомотора регулятора и рейкой топливных насосов. Неисправен сервомотор регулятора, низкое давление масла, утечка масла, недостаток масла в регуляторе, низкая вязкость масла.
2. После пуска двигатель идет вразнос	Повреждена упругая муфта регулятора Зависание золотника ЧЭ Недостаток или избыток масла в регуляторе Заедание деталей ЧЭ или изодромной обратной связи Поломка пружины порока изодромной связи или корректора Неправильная настройка изодромной обратной связи Поломка пружины в упругой муфте регулятора Люфт или защемление в сочленениях регулятора
3. Двигатель перегружается	Неисправность датчика давления воздуха наддува (повреждение сильфона, поломка пружины) Неправильная настройка ограничителей Недостаточный наклон регулятора характеристик
4. Двигатель не развивает необходимой частоты вращения	Неправильное согласование выходного вала регулятора с положением топливной рейки Неправильное согласование тяг от поста управления к регулятору
5. Медленное восстановление частоты после изменения нагрузки	Игла изодромной связи закрыта или открыта недостаточно
6. Неустойчивая работа регулятора	Повышенный уровень масла в регуляторе
7. Перегрев регулятора	Повышенный уровень масла в регуляторе
8. Действительная частота вращения двигателя отличается от заданной	Неправильная настройка механизма задания частоты вращения
9. При изменениях нагрузки регулятор перемещает рейку топливных насосов рывками	Заедание тяг от регулятора к топливным насосоам Наличие люфтов в соединениях
10. Чрезмерная дымность выпускных газов	Неправильно настроен ограничитель подавлению воздуха
11. Топливная рейка при пуске двигателя перемещается медленно	Низкое давление масла в напорной магистрали регулятора
12. Двигатель после пуска на воздухе не переходит на топливо	Заедание топливных тяг Низкое ограничение по наддуву Выходной вал регулятора не согласован с тягами топливных насосов

5. Технические требования к АСУ

Требования, предъявленные к регуляторам частоты вращения, зависят от условий эксплуатации систем регулирования в целом с учетом назначения двигателя и функций, которые должен выполнять регулятор.

Регуляторы должны обеспечивать с определенной точностью необходимые по условиям эксплуатации двигателя статические и динамические показатели САР. Регуляторы, непрерывно поддерживающие скоростной режим, должны иметь большую точность, чем ограничительные регуляторы.

По ГОСТ 10511-72 предусматриваются четыре класса точности САРС, этим классам должны соответствовать и регуляторы.

САРС первого класса должны обеспечивать устойчивую работу при нулевом наклоне статической характеристики и нестабильности частоты вращения не более 0,6 - 0,8%. Заброс частоты вращения после мгновенного сброса или наброса нагрузки не должен превышать 5%, а длительность переходного процесса - 2с. САРС второго класса должны обеспечивать нестабильность частоты вращения не более 0,8 - 1%, а заброс и длительность переходного процесса соответственно 7,5% и 3 с. Нестабильность частоты вращения САРС третьего и четвертого классов допускается 1 - 1,5 и 2 - 4% соответственно. При этом для третьего класса заброс допускается на 10%, а для четвертого до 15%, время переходного процесса 5 с (третий класс) и 10 с (четвертый класс).

Также регуляторы должны работать в пределах диапазона изменения задания и утавки неравномерности и других параметров, определяющих качественные показатели системы регулирования. При этом органы задания частоты вращения и степени неравномерности должны быть независимыми. Для регуляторов главных судовых двигателей требуемый диапазон изменения частоты вращения лежит в широких пределах: 30 - 105 % от номинальной.

Регуляторы с широким диапазоном изменения задания должны также обеспечивать устойчивость системы автоматического регулирования во всем рабочем диапазоне частоты вращения.

Одно из существенных требований к регуляторам - наличие необходимого для перестановки регулирующего органа из одного крайнего положения в другое. Произведение усилия на выходном элементе на величину его полного хода принято называть работоспособностью регулятора. Работоспособность характеризует возможную работу на выходом элементе регулятора. Если у регулятора имеются дополнительные функции, то они должны точно выполняться.

Общие требования, предъявляемые к регуляторам - это конструктивная простота, компактность и надежность. Срок службы регуляторов должен быть не меньше срока службы двигателей, на которых они установлены.

6. Уравнение динамики АСУ СЭУ

6.1 Исходные данные

1) Уравнение динамики АСУ

,

где ц - относительное изменение частоты вращения;

м - относительное изменение подачи топлива;

л - относительное изменение нагрузки.

2) Для регулятора

Регулятор "ПИ+П" D-100.

= 0,3

= 0,5

= 0,7

= 1

j = 0.1

= 0,8

= 0,2

= 1.

3) Для удобства работы с ЭВМ преобразуем уравнение динамики регулятора вида

,

вывод которого изложен в разделе №3, в вид:



6.2 Нахождение оптимального переходного процесса АСУ

Для нахождения оптимального процесса регулирования преобразуем систему уравнений в машинный вид:

Регулятор "ПИ+П"

;;

;;

;

;.

Поиск будем проводить путем изменения параметров настройки регулятора:

кШ - коэффициент усиления ГОС;

кО.С - коэффициент усиления ЖОС;

ТS - время сервомотора;

Тi - время изодрома.

После работы с программой, которая находится:

Диск С;

Раздел Nasr;

Univtrsal difr;

GW basic;

Difr 02.

Определили, что оптимальными параметрами настройки являются:

кШ = 0,87;

кО.С = 0,1;

ТS = 0,1;

Тi = 3.

Из графика (рис. 11) видно, что при таких значениях настроенных параметров переходный процесс удовлетворяет условиям 3 класса точности:

динамический заброс допускается до 10%;

время переходного процесса до 10 сек.

Рис.7 График переходного процесса АСУ СЭУ

7. Влияние параметров настройки на процесс регулирования

Меняем кО.С (исходный 1)

	1	0,3	0,5	1,2	1,5
0	0	0	0	0	0
1	2,254	2,254	2,254	2,254	2,254
2	5,159	4,38	4,611	5,367	5,667
3	0,691	-0,713	-0,29	1,056	1,579
4	1,804	1,131	1,311	2,012	2,329
5	1,242	0,112	0,459	1,53	1,941
6	1,426	0,624	0,844	1,665	2,023
7	1,324	0,315	0,62	1,589	1,973
8	1,361	0,474	0,726	1,612	1,985
9	1,343	0,388	0,671	1,601	1,979
10	1,35	0,431	0,697	1,605	1,98
11	1,347	0,409	0,684	1,603	1,979
12	1,348	0,42	0,69	1,603	1,98
13	1,347	0,415	0,687	1,603	1,979
14	1,347	0,417	0,689	1,603	1,979
15	1,347	0,416	0,688	1,603	1,979

Рис.8 . Влияние Кос на переходный процесс

Меняем TS (исходное 0,7)

	0,7	0,3	0,5	0,9	1,1
0	0	0	0	0	0
1	2,254	2,254	2,254	2,254	2,254
2	5,159	2,221	3,469	6,624	7,811
3	0,691	1,952	1,913	-0,325	-0,734
4	1,804	1,503	1,31	2,345	2,233
5	1,242	1,39	1,453	1,07	1,448
6	1,426	1,361	1,343	1,437	1,129
7	1,324	1,352	1,356	1,357	1,505
8	1,361	1,349	1,348	1,329	1,294
9	1,343	1,348	1,348	1,363	1,35
10	1,35	1,348	1,348	1,34	1,359
11	1,347	1,347	1,347	1,35	1,338
12	1,348	1,347	1,347	1,347	1,351
13	1,347	1,347	1,347	1,347	1,347
14	1,347	1,347	1,347	1,347	1,347
15	1,347	1,347	1,347	1,347	1,348

Рис.9. Влияние Ts на переходный процесс

	0,8	0,3	0,5	1	1,5
0	0	0	0	0	0
1	2,254	2,254	2,254	2,254	2,254
2	5,159	3,659	4,297	5,676	6,801
3	0,691	0,216	0,349	0,989	1,883
4	1,804	1,638	1,785	1,759	1,647
5	1,242	1,171	1,152	1,311	1,416
6	1,426	1,501	1,491	1,394	1,37
7	1,324	1,239	1,27	1,343	1,354
8	1,361	1,429	1,396	1,352	1,349
9	1,343	1,289	1,32	1,347	1,348
10	1,35	1,389	1,364	1,348	1,348
11	1,347	1,289	1,334	1,347	1,347
12	1,348	1,387	1,355	1,347	1,347
13	1,347	1,321	1,343	1,347	1,347
14	1,347	1,365	1,35	1,347	1,347
15	1,347	1,336	1,346	1,347	1,347

Рис.10. Влияние кш на переходный процесс

	1	0,3	0,5	1,1	1,5
0	0	0	0	0	0
1	2,254	2,254	2,254	2,254	2,254
2	5,159	4,514	4,848	5,216	5,275
3	0,691	-1,455	-0,719	1,053	1,464
4	1,804	3,051	2,288	1,847	1,973
5	1,242	0,189	0,865	1,339	1,497
6	1,426	2,026	1,565	1,437	1,491
7	1,324	1,007	1,262	1,344	1,392
8	1,361	1,483	1,375	1,363	1,381
9	1,343	1,319	1,342	1,347	1,36
10	1,35	1,33	1,346	1,35	1,356
11	1,347	1,391	1,351	1,347	1,351
12	1,348	1,314	1,345	1,348	1,35
13	1,347	1,368	1,349	1,347	1,348
14	1,347	1,336	1,347	1,348	1,348
15	1,347	1,353	1,348	1,347	1,348

Рис.11. Влияние Ti на переходный процесс

судовой двигатель автоматизированный энергетический

Оценку влияния параметров настройки на процесс регулирования будем проводить по четырем основным критериям:

1. Динамический заброс ц1

2. Степень колебательности (нерегулирования, ц2/ ц1

3. Время регулирования ТПП

4. Остаточная неравномерность

I. Влияние КОС - коэффициента усиления ЖОС (рис.16)

Для более наглядного представления влияния кО.С на процесс регулирования "ПИ+П" регулятора сделаем обобщение:

С увеличением кО.С возрастает динамический заброс ц1 .

С увеличением кО.С возрастает остаточная неравномерность дст.

ТПП - время регулирования при увеличении кО.С до оптимального значения уменьшается при дальнейшем увеличении > ТПП - увеличивается.

Влияние ТS - времени сервомотора (рис. 17)

При уменьшении ТS уменьшается динамический заброс, степень неравномерности, степень колебательности и время регулирования. Но нельзя забывать, что конструктивно практически невозможно получить очень маленькие ТS и то, что ТS нельзя уменьшать до бесконечности ,т.к. при его уменьшении меньше ТS критического система теряет устойчивость.

III.Влияние изменения кш (рис. 18) коэффициента усиления кОС

Постоянство дст при изменении кш объясняется тем, что он действует только в начале процесса регулирования, а потом его действие исчезает вместе с действием НОС. При увеличении кш увеличивается динамический заброс, но при этом уменьшается степень колебательности.

ТПП - время регулирования ведет себя таким образом. При уменьшении кш до какого-то оптимального значения ТПП уменьшается, затем при дальнейшем уменьшении кш ТПП увеличивается.

IV. Влияние изменения Тi - времени изодрома на процесс регулирования

при увеличении Тi увеличивается динамический заброс и незначительно возрастает остаточная неравномерность. При уменьшении Тi увеличивается степень колебательности.

ТПП - время регулирования при увеличении Тi - сначала постепенно снижается, затем практически не меняется после .

Список литературы

1. Брук М.А., Рихнер А.А. Режимы работы дизелей. - Л.: Судпромиз, 1963. 432 с.

2. Крутов В.И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1972. 209с.

3. Кутьин Л.И. Автоматизация судовых дизельных и газотурбинных установок. - Л.: Судостроение, 1973. 334 с.

4. Левин М.Н. Автоматизация судовых дизельных установок. - Л.: Судостроение, 1989. 463 с.

5. Автоматизация судовых энергетических установок./ Под ред. Р.А. Нелепина. - Л.: Судостроение, 1973. 534 с.

Размещено на Allbest.ru