Элементы автоматических систем судна

Элементы регуляторов и блоков управления можно разделить на: чувствительные или измерительные, преобразовательные, усилительные, исполнительные, логические, элементы обратной связи.

Классификация элементов. Требования к элементам

Несмотря на различие в назначении перечисленных элементов, к их конструкции предъявляется ряд общих требований: малая масса и габариты, эксплуатационная надежность — одно из важнейших требований, относительная простота устройства, простота обслуживания, малая инерционность и линейность статических характеристик (для линейных систем автоматического управления).

Все элементы систем автоматизации по своему устройству можно разделить на механические, пневматические, гидравлические и электрические.

Ниже мы рассмотрим только общие вопросы, связанные с их назначением и классификацией.

Измерительные (чувствительные), преобразовательные элементы и датчики

Назначение измерительных элементов состоит в измерении контролируемых величин для передачи сигналов на преобразующие, усиливающие и исполнительные элементы в системе. Поэтому очень важно, чтобы такие элементы обеспечивали заданную точность измерения. Измерительный элемент должен генерировать сигнал достаточной силы, чтобы передать его на звенья, следующие за измерительным элементом.

В некоторых случаях задача измерительного элемента состоит не в измерении контролируемой величины, а только в выдаче сигнала о том, что контролируемая величина превышает или не превышает определенного значения. Такие элементы принято называть чувствительными (ЧЭ). Для простоты чувствительный элемент в дальнейшем будет также означать измерительный элемент. Одним из показателей СЭ является его чувствительность. Чувствительность k есть отношение изменения выходного значения Δx2 элемента к его входному Δx1:

k=(Δx2/Δx1) или k=(dx2/dx1).

Величину k можно получить как тангенс наклона статической характеристики СЭ к оси абсцисс. Под чувствительностью элемента понимается также отношение между изменениями выходной и входной величин в их относительных величинах:

К=Δx2/x2ном;

Δx1/x1ном, Форма. 1

где:

• x1nom и x2nom — выбранные номинальные или базовые значения для входных и выходных значений.

Термин «чувствительность» соответствует термину «усиление SE». Одним из важных требований СЭ является корректность статической характеристики, которая снимается последовательным измерением входной величины и измерениями Δx1 и Δx2 в статических режимах.

Значения непрямолинейности и нечувствительности (о которых шла речь в «Классификация систем автоматики. Основы теории взаимодействия дизеля и блоков автоматического управления») должны быть минимальными. Желательно иметь максимальное значение чувствительности для уменьшения габаритов и стоимости усилительных механизмов всей системы. При анализе конструкций ЧЭ следует также выявить их динамические качества, влияющие на процесс регулирования в переходных режимах.

Как правило, динамика ЧЭ или датчика в результате линеаризации нелинейностей описывается дифференциальным уравнением 1 порядка вида:

Tdx2/dt+x2=kx1,

где:

• T – постоянная величина SE, имеющая размерность время (с, мин.);
• К — выигрыш.

При ступенчатом изменении х2 на х10 получаем

х2=кх10(1–е–t/Т),

когда

т=Т, х2≅0,63кх10.

Экспериментальное определение значения Т можно произвести путем ступенчатого изменения х1 и осциллографирования х2. Интервал времени от момента начала переходного процесса до момента, когда x2 = 0,63 kx10, будет равен значению Т.

В качестве примера приведем вывод дифференциального уравнения СЭ для температуры. Обозначим изменение температуры контролируемой среды через Δtж, а смещение выходного элемента или изменение сигнала на выходе Δx. Обычно температурой СЭ считают такую ​​единицу, что величина Δx пропорциональна температуре СЭ — tche, для нагрева которой требуется время, так как количество переданного ему тепла dQ = α F (tx — tche) dt, где α — коэффициент теплопередачи, F — площадь стенки.

Рекомендуемая литература: Требования и нормативный процесс для морской автоматизации

При этом dQ = MC dtche, где:

• М — масса;
• С – его теплоемкость.

Методом малых уклонений сведем эти уравнения к уравнению первого порядка.

ТдΔтче/дτ+Δтче=Δтж, Форма. 2

где:

• Т — постоянная времени элемента, мин, с;
• т — время.

Для ряда датчиков значениями Т можно пренебречь, если они малы по сравнению с другими постоянными времени.

Динамика СЭ на основе использования упругих элементов описывается уравнением 2-го порядка. В качестве примера приведем приближенный вывод уравнения динамики ЧЭ частоты вращения (рис. 1), включающего в себя грузы, качающиеся в шарнирах и одновременно вращающиеся с частотой ω, сцепление, которое действует приведенная центробежная сила грузов с одной стороны, и сжимающая сила Епр с другой, пружины жесткости с, другой конец которой может перемещаться под действием управляющего сигнала g.

Рис. 1 Настройка датчика скорости.
1 — шестерня, 2 — груз, 3 — тяга, 4 — пружина, 5 — шарнир, 6 — муфта

Выходной величиной ЧЭ является смещение силы тяги, х. В устойчивом состоянии:

Fpr=Egr=cx0.

В неустойчивом режиме, если пренебречь изменением радиуса вращения грузов и линеаризовать зависимость x от ω:

Md2Δx/dt2+KgdΔx/dt+cΔx=–K1Δω+K2g,

где:

• М — масса поступательно движущихся частей, приводимых к сцеплению;
• Kg – коэффициент гидравлического трения;
• K1 и K2 – коэффициенты передачи от возмущающего Δω и управляющего g воздействий.

Это уравнение также можно представить в относительных координатах:

Tg2d2η/dt2+Tkdη/dt+δη=φ+δ, Форма. 3

• Tg2=Mxnom/Epr

  – квадрат времени поступательно движущихся масс, с2;

• Тк —

  «время» вязкого трения, p

  Tk=KgxnomEpro

  ;

• δ —

  степень неравномерности скорости вращения SE

  δ=Cxnom/Epro

  .

Для ЧЭ прямого действия величина x эквивалентна рабочему объему хода дизельных насосов Värtsiläreika, а последний соответствует изменению эффективного (крутящего момента) крутящего момента.

Для дизель-генераторов общепринято, что при изменении нагрузки от 0 до 100 % частота тока не должна падать более чем на 2-3 %. Следовательно, при изменении φ на 0,02-0,03 значение η должно измениться на 1. Так, если в качестве значения η принять η = Δhp/hp nom, то δ = 0,02/0,03.

Для дизелей, работающих на винте, значение δ = 0,1-0,15.

Значения масс поступательно движущихся частей и гидравлического трения сравнительно невелики, а Тη2 и Тк могут лежать в пределах (для регуляторов косвенного действия):

Tg2=10–4/10–3c2, Tk=10–3/10–2 с.

Для непрямых регуляторов скорости движение муфты SE вызывает движение золотника, который открывает окно для потока масла под давлением к поршню сервопривода. Поэтому абсолютные значения смещения муфты принимаются малыми (0,1-0,5 мм), размеры и массы поступательно движущихся частей, а также величины гидравлического трения относительно малы.

Поэтому для регуляторов ЧЭ непрямого действия значениями Tη2 и Tk обычно пренебрегают. Уравнение (3) имеет вид:

δη=φ+δg Форма. 3, а

При выводе уравнения чувствительного элемента в качестве направления координаты x принимают направление, соответствующее увеличению скорости вращения грузов. Если все константы в уравнении (3) разделить на δ, уравнение (3) можно представить в виде:

Tr’2d2ηdt2+Tk’dηdt+η=kpφ+G‘,

где:

• кр=1δ

  является усилением регулятора.

В системах автоматизации широко применяются датчики, представляющие собой простую конструкцию ЧЭ и преобразовательный элемент, преобразующий сигнал в электрический сигнал.

По конструктивному устройству датчики делятся на контактные и бесконтактные. В контактных датчиках СЭ используется с механическим выходным значением, в бесконтактных датчиках — с электрическим. Контактные и бесконтактные датчики могут быть дискретными и непрерывными (пропорциональными). Дискретные датчики имеют преобразователи релейного типа. В датчиках непрерывного действия ЧЭ подключается к преобразователю, на выходе которого сигнал пропорционален изменению контролируемой величины. Так, например, в омических преобразовательных элементах сигнал смещения преобразуется в изменение активного сопротивления, в индуктивных преобразовательных элементах перемещение сердечника приводит к изменению реактивного сопротивления.

К ЧЭ и датчикам АТС и АСУ технических систем водного транспорта относятся ЧЭ и датчики: давления, температуры, уровня, скорости, консистенции (плотности), расхода, угловых перемещений, состава газа и др., конструкция которых описана в указанной выше литературы.

Усилительные и исполнительные элементы

Усилительные элементы предназначены для усиления сигналов, поступающих от датчиков к исполнительным устройствам. Как было сказано ранее, усилители применяются в системах косвенного управления, т.е в тех случаях, когда для работы исполнительного механизма требуется большая величина тока. Отказ от усилителей может привести к значительному увеличению габаритов чувствительного элемента и ухудшению динамики системы.

Армирующие элементы делятся на гидравлические, пневматические и электрические. Энергоемкость гидравлических, пневматических и электрических усилителей характеризуется коэффициентом усиления по мощности KN = N/Ny, где N — мощность потока рабочего тела или электрическая мощность на выходе усилителя, Ny — мощность, используемая для управления усилителем, или коэффициент усиления по напряжению Ku = Uвых/Uвх, где Uвых и Uвх — напряжения на выходе и входе усилителя.

К активационным элементам (механизмам) относятся: гидросервопоршни, изменяющие подачу топлива, воздуха и воды, электромагнитные устройства подачи воздуха для пуска, стопорное устройство и пневматическая прокачка дизеля маслом, электромагнитные выключатели на автоматах, электрические пускатели насосов и другие устройства. В зависимости от вида используемой энергии приводы можно разделить на следующие группы:

• а) гидравлический;
• б) пневматический;
• в) электрические.

Для настройки или проектирования САУ и САУ необходимо знать динамические характеристики усилительных и исполнительных элементов, которые можно получить, составив дифференциальные уравнения для этих элементов.

В качестве примера рассмотрим упрощенный вывод дифференциального уравнения гидросистемы: усилитель с катушкой — поршневой привод (серводвигатель), схема которого представлена ​​на рис. 2. Введите:

• x — отклонение золотника от центрального положения (золотниковые топливные насосы, золотник без перекрытия);
• Р — давление рабочей жидкости;
• у — отклонение сервопоршня от положения, соответствующего закрытым окнам;
• F — площадь сервопоршня.

Рис. 2 Схема системы: золотник — сервопоршень

Давление рабочей жидкости обычно выбирают таким образом, чтобы усилие, развиваемое сервопоршнем, было значительно выше сил инерции присоединенных к нему масс и силы трения. Поэтому последним при выводе пренебрегают. Полагая, что вследствие симметричности окон, открываемых змеевиком, потери давления рабочего тела при дросселировании его потока через оба окна, открываемые змеевиком, одинаковы и равны P/2 (полное падение давления от P до P = 0, когда дренаж равен P).

Это интересно: Методика проектирования конструкций ледовых подкреплений по критерию предела прочности

Получаем выражение для расхода жидкости при движении сервопоршня

Q=xK1(P/ρ)1/2,

где:

• р — плотность жидкости;
• K1 является константой.

С другой стороны, Q = Fdy/dt. Где мы получаем:

Fdy/dt=χμb(P/ρ)1/2

• µ – коэффициент оттока;
• b — ширина окна.

Выбрав базовые значения unom и xnom для ynom и xnom и перейдя к относительным переменным z = (y/ynom) и η = x/xnom, получим:

Цдз/дт=η, Бланк. 4

где:

Ts=(P/ρ)1/2F(ynom/xnom)µb,

— постоянная времени серводвигателя, которая тем меньше, чем больше давление рабочего тела и ширина окна Ts находится в пределах 0,01-0,02 сек.