Система автоматического управления температурой масла в системе охлаждения циркуляционного масла главного дизеля

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство морского и речного транспорта

ФГОУ ВПО

"Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова"

Судомеханический факультет

Кафедра судовой электроавтоматики

Курсовой проект

по дисциплине "Теория автоматического управления"

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ МАСЛА В СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО МАСЛА ГЛАВНОГО ДИЗЕЛЯ

Специальность 240600

"Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики"

Исполнитель: курсант 441 уч. гр.

Емельяненко Е.Г.

Руководитель: Кузнецов Е.В.

Новороссийск 2011

Оглавление

 

1. Система охлаждения циркуляционного масла главного дизеля

1.1 Система автоматического регулирования температуры масла в системе охлаждения циркуляционного масла главного дизеля

1.2 Технические данные системы охлаждения циркуляционного масла главного судового дизеля

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

1.5 Описание регулятора

1.6. Принцип действия контура позиционирования

1.7 Принцип действия системы автоматического регулирования температуры циркуляционного масла дизеля

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

2.1 Описание системы охлаждения как объекта регулирования

2.3 Определение динамических характеристик охладителя масла

2.4 Получение разгонных характеристик охладителя масла как приведенного ОР

2.5 Определение динамических характеристик охладителя масла как приведенного ОР

3. Вывод передаточной функции разомкнутой сар температуры масла дизеля

4. Определение настроечных параметров регулятора температуры масла

4.1 Предварительное определение настроечных параметров КУО

4.2 Уточнение настроечных параметров КУО

Заключение

Литература

1. Система охлаждения циркуляционного масла главного дизеля

Таблица 1.

№№ пп	Наименование величины	Численные значения
1	Масса масла в дизеле, кг.	250
2	Масса масла в циркуляционной цистерне, кг.	5000
3	Масса масла в охладителе, кг.	250
4	Масса металла труб охладителя, кг.	800
5	Масса забортной воды в охладителе, кг.	400
6	Номинальный расход масла через дизель, кг/c.	100
7	Номинальная температура масла на выходе дизеля, гр.Ц.	49
8	Номинальная температура масла на входе дизеля, гр.Ц.	45
9	Номинальная температура забортной воды на выходе охладителя, гр.Ц.	30
10	Заданные нагрузки ОР, %: 1	100
	2	50
	3	20
	Конструктивн. параметры регулятора:
11	Тип датчика регулируемой величины.	3
12	Коэффициент передачи ДРВ.	1
13	Постоянная времени ДРВ, с.	2
14	Тип КУН.	1
15	Тип КУО.	2
16	Тип КУП.	1
17	Вид характеристики усилителя.	1
18	Коэффициент усиления усилителя	-
19	Зона нечувствительности/возврата, %.	2.0/1.0
20	Тип электродвигателя ИМ.	2
21	Коэффициент передачи ЭД.	1
22	Постоянная времени ЭД, с.	0.1
23	Тип исполнительного механизма	2
24	Время исполнительного механизма, с.	10
25	Тип датчика положения ИМ.	4

1.1 Система автоматического регулирования температуры масла в системе охлаждения циркуляционного масла главного дизеля

Объектом регулирования является система охлаждения циркуляционного масла главного дизеля.

Тепло от циркуляционного масла передается забортной воде в охладителе масла (Oil Cooler), где температура масла уменьшается от значения Tdoci на входе до значения Too на выходе.

В системе охлаждения циркуляционного масла поддерживается постоянная температура масла на входе дизеля Tdoi.

Рис. 1.1.1 Панель системы охлаждения циркуляционного масла  главного судового дизеля.

Тепло, выделяющееся в поршнях и трущихся элементах дизеля при его работе, отводится циркуляционным маслом. Количество тепла, передаваемого маслу в дизеле, определяется мощностью дизеля Pds.

Циркуляционное масло прокачивается насосом (Oil Circulating Pump).

Температура масла в дизеле повышается от значения Tdoi на входе до значения Tdot на выходе из циркуляционной цистерны.

Регулирование температуры масла производится посредством перепуска части забортной воды мимо охладителя с помощью трехходового поворотной заслонки (Three-way Valve).

1.2 Технические данные системы охлаждения циркуляционного масла главного судового дизеля

Таблица 1.2.1

№№ пп	Наименование величины	Численные значения
1	Масса масла в дизеле, кг.	250
2	Масса масла в циркуляционной цистерне, кг.	5000
3	Масса масла в охладителе, кг.	250
4	Масса металла труб охладителя, кг.	800
5	Масса забортной воды в охладителе, кг.	400
6	Номинальный расход масла через дизель, кг/c.	100
7	Номинальная температура масла на выходе дизеля, гр.Ц.	49
8	Номинальная температура масла на входе дизеля, гр.Ц.	45
9	Номинальная температура забортной воды на выходе охладителя, гр.Ц.	30
10	Заданные нагрузки ОР, %: 1	100
	2	50
	3	20

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

Общее наименование	Наименование величины	Обозначение в тексте	Обозначение на рисунке
Регулируемая величина	Температура масла на входе дизеля	Tdoi	Tdoi
Регулирующее воздействие	Расход забортной воды	Gswc	Gswc
Нагрузка	Мощность дизеля	Pds	Pds

1.3 Динамическая схема системы охлаждения масла как объекта регулирования

Рис. 1.3.1 Динамическая схема системы масла как ОР.

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

Данная система регулирования предназначена для поддержания значения температуры масла на входе главного судового дизеля, с допустимым отклонением от заданного значения температуры.

Особенности системы регулирования:

.        Комбинированный принцип регулирования по нагрузке ОР и отклонению;

2.      Последовательное корректирующее устройство;

.        Контур позиционирования (следящая система управления исполнительным механизмом);

.        Релейный усилитель с зонами нечувствительности и возврата;

.        Тип датчика регулируемой величины - инерционный;

.        Постоянная скорость перемещения исполнительного механизма;

.        Погрешность поддержания температуры масла вследствие зоны нечувствительности в усилителе.

1.5 Описание регулятора

Функциональная схема системы автоматического регулирования температуры масла на входе главного судового дизеля приведена на рис. 1.5.1:

Рис.1.5.1 Функциональная схема системы автоматического регулирования температуры масла

. ДТМ - датчик температуры масла (регулируемой величины), выходной сигнал которого Toos соответствует действительному значению регулируемой величины Tdi;

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

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

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

. КУН - корректирующее устройство по нагрузке;

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

. 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;

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

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

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

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

. 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

куп (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

Контур позиционирования регулятора является следящей системой, перемещающей исполнительный механизм в положение М, равное заданному значению Мsp на входе контура.

Для изучения принципа действия контура позиционирования необходимо рассмотреть работу контура при изменении сигнала заданного положения Мsp.

Принцип действия контура позиционирования:

в начальном состоянии сигнал заданного положения ИМ Мsp=50%;

начальное положение ИМ М=50%;

погрешность установки ИМ в заданное начальное положение

ΔМ=Мsp-М=2%;

погрешность равна зоне нечувствительности усилителя ΔМ=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.

 

.7 Принцип действия системы автоматического регулирования температуры циркуляционного масла дизеля

Данная система регулирования может работать по двум принципам регулирования:

по отклонению,

по нагрузке и отклонению (комбинированно).

Поэтому был проведен эксперимент по получению переходных процессов в САР при скачкообразном увеличении и уменьшении нагрузки ОР, то есть расхода воды через охладитель.

Переходные процессы в САР при изменении нагрузки приведены:

рис.1.7.1 - система работает по принципу отклонения, - рис.1.7.2 - система работает по комбинированному принципу.

Действие САР, работающей по принципу отклонения, при изменении нагрузки ОР (см. рис.1.7.1):

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

увеличение мощности дизеля Pds (нагрузки ОР) вызовет  увеличение температуры Tdi;

увеличится сигнал Тoos на выходе датчика температуры масла ДРВ;

при неизменном сигнале на выходе задатчика температуры Тosp возрастет сиг- нал ошибки регулирования eX = Tosp - Тoos;

после преобразования в КУО сигнала ошибки eX по заложенному в  КУО ПИД закону регулирования возрастет сигнал на выходе КУО Мsc (сигнал  заданного положения ИМ, формируемый каналом регулирования по от- клонению);

соответственно увеличится сигнал Мsp заданного положения ИМ на выходе сумматора С;

контур позиционирования будет увеличивать положение ИМ М, при этом ИМ  будет перемещаться ступенчато с постоянной скоростью;

трехходовая поворотная заслонка (регулирующий орган) начнет увеличивать расход воды (регулирующее воздействие) на охладитель;

регулируемая величина Х возрастет и ошибка регулирования еX уменьшится;

если система регулирования устойчива, то с течением времени ИМ займет положение, при котором значение расхода воды будет соответствовать новой нагрузке ОР Pds и температура масла Тdi снова станет постоянной и равной ее заданному значению Тosp;

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

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

 

Система охлаждения циркуляционного масла главного дизеля (см. рис. 2.1.1) служит для охлаждения циркуляционного масла до значения, при котором обеспечивается требуемое качество работы дизеля.

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

Общее наименование величины	Наименование величины подогревателя	Обозначение в тексте	Обозначение на рис.2.1
Регулируемая величина	Температура масла на входе дизеля	Tdoi	Tdoi
Регулирующее воздействие	Расход забортной воды	Gswc	Gswc
Нагрузка	Мощность дизеля	Pds	Pds

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:

(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 Получение разгонных характеристик охладителя циркуляционного масла дизеля

Разгонная характеристика охладителя по регулирующему воздействию представляет собой изменение во времени температуры масла Tdoi на выходе охладителя при скачкообразном изменении положения трехповоротной ходовой заслонки М, вызывающем соответствующее изменение расхода забортной воды Gswc.

Разгонная характеристика охладителя по нагрузке представляет собой изменение во времени температуры масла Tdoi при скачкообразном изменении расхода забортной воды Gswc.

Рис. 2.2.1 Разгонная характеристика охладителя масла по регулирующему воздействию чистого ОР.

2.3 Определение динамических характеристик охладителя масла

Полученные графики разгонных характеристик охладителя имеют следующие особенности:

-       максимальная скорость изменения температуры Tdoi достигается сразу после изменения воздействия,

-       с течением времени температура Tdoi выходит на установившееся значение.

Таким образом, полученные разгонные характеристики соответствуют одноемкостному устойчивому ОР.

Динамическое поведение одноемкостного устойчивого объекта определяется следующими передаточными функциями:

В этих выражениях Т_ор представляет собой постоянную времени ОР.

В данной работе изменение регулируемой величины по нагрузке мы рассматривать не будем. Рассмотрим изменение регулируемой величины ОР только по регулирующему воздействию.

Изменение регулируемой величины по разгонной характеристике определяется выражением:

Хр (t) = Хо + к_ор ΔMк ₍1 - exp - (t - tор) /Т_ор),

Коэффициенты передачи данного ОР к_ор и к_он определяются через разности значений всех величин на конечном установившемся и начальном режимах по выражениям:

Постоянную времени объекта Т_ор определим следующим способом:

Проводится касательная АВ к линии разгонной характеристики в начальной точке процесса А до пересечения с линией конечного установившегося значения регулируемой величины Хк. Длина проекции отрезка касательной АВ на ось абсцисс представляет собой постоянную времени Т_ор. Получим: Т_ор = 230 - 100 = 130 (с)

Расчет коэффициентов уравнения динамики одноемкостного устойчивого ОР выполним в форме таблицы 2.3.1:

Расчет коэффициентов уравнения динамики одноемкостного устойчивого объекта регулирования

Таблица 2.3.1

№№ пп	Наименование величины, размерность	Обозна- чение	Расчетная формула или источник	Численное значение
	Номинальные значения:
1	Регулируемая величина.	Хн	Принимается	39,6 оС
2	Регулирующее воздействие.	Мн	Принимается	47
3	Нагрузка.	Fн	Принимается	50%
	Для регулирующего воздействия:
4	Начальное значение воздействия.	Мо	Рис.2.2.1	47
5	Конечное значение воздействия.	Мк	Рис.2.2.1	80
6	Относительное изменение воздействия.	ΔMк	ΔMк= (Mк-Мо) /Мн	0,7
7	Начальное значение регулируемой величины.	Хор	Рис.2.2.1	39,6
8	Конечное значение регулируемой величины.	Хкр	Рис.2.2.1	35,1
9	Относительное изменение регулируемой величины.	ΔХкр	ΔХкр= (Хкр-Хор) /Хн	- 0,11
10	Коэффициент передачи по регулирующему воздействию.	кор	кор = ΔХкр / ΔMк	- 0,16
11	Момент скачка воздействия, с.	toр	Рис.2.2.1	100 (с)
12	Момент времени, с	tтр1	Рис.2.2.1	230 (с)
13	Постоянная времени, с	Торр1	Торр1= tтр - toр	130 (с)
14		ΔXтр	ΔXтр = 0.632 dXкр	2,84
15	Момент времени, с	tтр2	Рис.2.2.1	250 (с)
16	Постоянная времени, с	Торр2	Торр2= tтр2 - toр	150 (с)
17	Средняя постоянная времени для рег. воздейст., с	Торр	Торр = (Торр1 +Торр2) /2	140 (с)

2.4 Получение разгонных характеристик охладителя масла как приведенного ОР

Приведенный объект регулирования в данной САР получают, условно включая в состав ОР следящую систему и датчик температуры масла.

Выделение приведенного ОР на структурной схеме показано на рис.2.4.1.

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%.

 

.5 Определение динамических характеристик охладителя масла как приведенного ОР

Данный объект регулирования содержит чистое (транспортное) запаздывание, так как разгонная характеристика имеет начальный участок длительностью t_о, на котором регулируемая величина практически остается постоянной после изменения воздействия.

Значит, будем определять динамические характеристики охладителя масла как приведенного ОР, который является устойчивым ОР с чистым (транспортным) запаздыванием.

Промежуток времени t_о называется транспортным или чистым запаздыванием.

Объект регулирования в этом случае рассматривается как последовательное соединение ОР без запаздывания и звена запаздывания.

Передаточная функция ОР с запаздыванием имеет вид:

где Wо (s) - передаточная функция соответствующего ОР без запаздывания.

Тогда получим общую передаточную функцию приведенного ОР:

Wорп (s) =Wсс (s) Wор (s) Wд (s),

где передаточная функция следящей системы равна:

Получим передаточную функцию приведенного ОР

Для ОР с чистым запаздыванием t =t_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 t_о, - определим динамические характеристики ОР без запаздывания, приняв за начальный момент изменения регулируемой величины t=t_о.

Транспортное запаздывание в соответствии с графиком рисунка 2.4.4 равно:

t_о = t_{ар -} t_ор = 80 - 7 = 73 (c)

Начальный момент изменения регулируемой величины после t_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=t_о

Расчет коэффициентов уравнения динамики одноемкостного  устойчивого объекта регулирования

Таблица 2.5.1

№№ пп	Наименование величины, размерность	Обозна- чение	Расчетная формула или источник	Численное значение
1	2	3	4	5
	Номинальные значения:
1	Регулируемая величина.	Хн	Принимается	39,6 оС (80%)
2	Регулирующее воздействие.	Мн	Принимается	50 %
3	Нагрузка.	Fн	Принимается	50%
	Для регулирующего воздействия:
4	Начальное значение воздействия.	Мо	Рис.2.4.4	50 %
5	Конечное значение воздействия.	Мк	Рис.2.4.4	80 %
6	Относительное изменение воздействия.	ΔMк	ΔMк= (Mк-Мо) /Мн	0,6
7	Начальное значение регулируемой величины.	Хор	Рис.2.4.4	90 %
8	Конечное значение регулируемой величины.	Хкр	Рис.2.4.4	81,25 %
9	Относительное изменение регулируемой величины.	ΔХкр	ΔХкр= (Хкр-Хор) /Хн	- 0,22
10	Коэффициент передачи по регулирующему воздействию.	кор	кор = ΔХкр / ΔMк	- 0,37
11	Момент скачка воздействия, с. (с учетом tо)	toр	Рис.2.4.4	7 (с)
12	Момент времени, с	tтр1	Рис.2.4.4	80 (с)
13	Постоянная времени, с	Торр1	Торр1= tтр - toр	73 (с)
14		ΔXтр	ΔXтр = 0.632 dXкр	5,53
15	Момент времени, с	tтр2	Рис.2.4.4	90 (с)
16	Постоянная времени, с	Торр2	Торр2= tтр2 - toр	83 (с)
17	Средняя постоянная времени для рег. воздейст., с	Торр	Торр = (Торр1 +Торр2) /2	78 (с)

3. Вывод передаточной функции разомкнутой сар температуры масла дизеля

Передаточная функция разомкнутой системы регулирования необходима для расчета амплитудно-фазовых частотных характеристик разомкнутой системы.

По этим АФЧХ оценивается устойчивость САР по критерию Найквиста при выборе настроечных параметров регулятора температуры топлива.

По функциональной схеме САР, приведенной в разделе 1, выполняется структурная схема системы, которая представлена на рис.3.1.

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

у = 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

_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

р (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:

(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 + _im s.

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

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

Коэффициенты в этих выражениях вычисляются следующим образом:

₀ = 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

В данном разделе проекта производится выбор настроечных параметров КУО регулятора температуры масла, обеспечивающих требуемое качество работы САР.

Решение данной задачи содержит:

предварительное определение настроечных параметров КУО,

уточнение значений настроечных параметров из условия получения устойчивой САР.

Оценка устойчивости САР выполняется по критерию Найквиста с использованием амплитудно-фазовых частотных характеристик разомкнутой системы регулирования.

АФЧХ рассчитывались на компьютере по программе FreqResp.

 

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

№№	Коэффициент	Расчетная формула или источник	Значение
		Исходные данные:
1	Pds,%	Задано	50
2	Кор	Таблица 2.5.1	-0,37
3	Тор	Таблица 2.5.1	78
4	τор	Таблица 2.5.1	7
5		τор/Тор	0,09
		Настроечные параметры классической модификации ПИД КУО:
6	Кpm1	Кpm1=0,95Тор/ (Кор τор)
7	Тim1, с	Тim1= 2,4 τор	16,8
8	Тdm1, с	Тdm1=0,4 τор	2,8
		Настроечные параметры заданной модификации ПИД КУО:
9	Тdm1/ Тim1	Тdm1/ Тim1	0,167
10	Аch	- // -- // -
11	Кpm	Кpm= Кpm1	28,6
12	Тim	Тim= Тim1	16,8
13	Тdm	Тdm= Тdm1	2,8

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.

№№	Коэффициент	Расчетная формула или источник	Значение
		Исходные данные:
1	Gт,%	Задано	50
2	Кор	Таблица 2.5.1	-0,37
3	Тор, с	Таблица 2.5.1	78
4	Кsm	Таблица 2.5.1	1
5	Tsm, с		2,0
6	Db,%		2,0
7	Кsme	Кsme=100/Db	50
8	Кsma		1
9	Тsma, с		0,1
10	Тac, с		10
11	Тacm, с	Тacm=Тac/ (КsaeКsma)	0,2
12	Кpm		28,6
13	Тim, с		16,8
14	Тdm, с		2,8
		Расчет коэффициентов:
15	b0	b0=КpmКopКsm	10,6
16	b1	b1= b0 (Тim+Tdm)	208
17	a0	a0=0	0
18	a1	a1=Tim	16,8
19	a2	a2= a1 (Tsm+Top+Tacm)	1347
20	a3	a3= a1 (TsmTop+Tacm (Tsm+Top+Tsma))	1613
21	a4	a4= a1Tacm (TopTsm+Tsma (Tsm+Top))	551
22	a5	a5= a1TacmTsmaTopTsm	52

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 ?> 30°, а данная система не является устойчивой так как угол ?≠30°.

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

 

4.2 Уточнение настроечных параметров КУО

В качестве исходных значений настроечных параметров КУО принимаются их значения для нагрузки 50%, на которой запас устойчивости САР наименьший, а именно:

коэффициент пропорциональности: k_pm = 28,6;

время интегрирования: T_im = 16,8 c;

время дифференцирования: T_dm = 2,8 c.

Для увеличения запасов устойчивости, как правило, сначала уменьшают коэффициент пропорциональности корректирующего устройства (это уменьшает коэффициент усиления разомкнутой системы).

В связи с этим, были выполнены расчеты АФЧХ разомкнутой системы для нагрузки 50%, на которой САР имеет наименьший запас устойчивости, при 4-х значениях k_pm, последовательно уменьшающихся в 2 раза.

Расчет коэффициентов числителя передаточной функции разомкнутой САР для различных значений k_pm выполнен в таблице 4.2.1

Рис. 4.2.1 Зависимость запаса устойчивости САР по фазе от коэффициента пропорциональности.

Таблица 4.2.1

Расчет коэффициентов числителя передаточной функции разомкнутой САР: нагрузка ОР 50%, 4 значения коэффициента пропорциональности КУО.

№ п/п	Коэфф.	Расчетная формула или источник	Численные значения
			1	2	3	4
		Исходные данные:
1	Gт, %	Задано.	50
2	kор	Таблица	-0,37
3	Тор, с	Таблица	78
4	ksm	Таблица	1
5	Tsm, с	Таблица	2,0
6	Db, %	Таблица	2,0
7	ksae	ksae = 100/Db	50
8	ksma	Таблица	1
9	Тsma, с	Таблица	0,1
10	Тac, с	Таблица	10
11	Тacm, с	Тacm = Тac / (ksae ksma)	0,2
12	kрm		28,6	14,3	7,15	3,575
13	Тim, с		16,8
14	Тdm, с		2,8
		Расчет коэффициентов:
15	b0	b0 = kpp kpmkopksm,	10,6	5,3	2,65	1,325
16	b1	b1 = kpp kpmkopksm (Tim +Tip)	208	104	52	26

Рис. 4.2.2 График АФЧХ разомкнутой САР для значения Кpm=28.6 и нагрузки 50%.

По графику 4.2.2 видно, что запас устойчивости (?) САР при k_pm= 28,6 отсутствует.

Коэффициент пропорциональности: k_pm = 28,6,время интегрирования: T_im = 16,8 c, - время дифференцирования: T_dm = 2,8 c.

Система является не устойчивой, так как угол ?≠30°.

АФЧХ охватывает критическую точку, поэтому по критерию Найквиста можно сделать вывод, что система не устойчива.

Рис.4.2.3 График АФЧХ разомкнутой САР для значения Кpm=14,3 и нагрузки 50%.

По графику 4.2.3 видно, что при k_pm= 14,3 запас устойчивости САР ?=0°. коэффициент пропорциональности: k_pm = 14,3,время интегрирования: T_im = 16,8 c, - время дифференцирования: T_dm = 2,8 c.

Система является не устойчивой, так как угол ?≠30°.

АФЧХ охватывает критическую точку, поэтому по критерию Найквиста можно сделать вывод, что система не устойчива.

Рис. 4.2.4 График АФЧХ разомкнутой САР для значения Кpm=7,15 и нагрузки 50%.

По графику 4.2.4 видно, что при k_pm= 7,15 запас устойчивости САР ?=25°.

коэффициент пропорциональности: k_pm = 7,15,время интегрирования: T_im = 16,8 c, - время дифференцирования: T_dm = 2,8 c.

Система является не устойчивой, так как угол ?≠30°.

АФЧХ не охватывает критическую точку, но запас устойчивости САР ?<30°, поэтому по критерию Найквиста можно сделать вывод, что система не устойчива.

Рис. 4.2.5 График АФЧХ разомкнутой САР для значения Кpm=3,575 и нагрузки 50%.

По графику 4.2.5 видно, что при k_pm= 3,575 запас устойчивости САР ?=32°.

Коэффициент пропорциональности: k_pm = 3,575,время интегрирования: T_im = 16,8 c, - время дифференцирования: T_dm = 2,8 c.

Система является устойчивой, так как угол ?>30°.

АФЧХ не охватывает критическую точку и запас устойчивости САР ?>30°, поэтому по критерию Найквиста можно сделать вывод, что система устойчива.

По графикам видно, что по запасу устойчивости САР достигает допустимого значения 30 градусов при k_pm= 3,575. Такого значения будет достаточно для получения приемлемых переходных процессов в САР температуры масла при изменении нагрузки ОР.

Таким образом, для КУО принимаются следующие значения настроечных параметров:

коэффициент пропорциональности: k_pm = 3,575,время интегрирования: T_im = 16,8 c, - время дифференцирования: T_dm = 2,8 c.₀=1,325

b₁=26

a₀=0

a₁=16,8

a₂=1347

a₃=1613

a₄=551

a₅=52

Запас устойчивости по фазе: ?=32°

Рис. 4.2.6 График разомкнутой САР для значения Кpm=3,575 и нагрузки 50%

Согласно критерию Найквиста:

АФЧХ изображенная на рис 4.2.6 не охватывает критическую точку, следовательно замкнутая система устойчива.

Заключение

В данном курсовом проекте я получил теоретические знания и практические умения в области автоматики, а в частности: понимать устройство и принцип действия систем автоматического управления; определять характеристики САУ; оценивать качество работы САУ по устойчивости и показателям переходных процессов; определять значения настроечных параметров САУ, обеспечивающих требуемое качество работы САУ; выполнять инженерную настройку САУ при эксплуатации систем в судовых условиях. Изучил компьютерные тренажеры судовых систем.

Литература

1. Кузнецов Е.В. Электрические системы автоматизации судового энергетического оборудования: Учебное пособие. - Новороссийск: НГМА, 2004 г. - 168 с.

. Комплект компьютерных тренажеров. Системы автоматического регулирования с позиционированием. Учебно-методическое пособие. - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2007. - 87 с.

. Кузнецов Е.В. Динамические характеристики объектов регулирования: Учебное-методическое пособие. - Новороссийск: НГМА, 2007 г. - 124 с.

. Кузнецов Е.В. Вывод уравнений и передаточных функций систем автоматического регулирования: Учебное пособие. - НГМА, 1990, 36 с.

. Кузнецов Е.В. Оценка устойчивости систем автоматического регулирования по критерию Найквиста: Учебное пособие. - НГМА, 1990, 35с.

. Справочник по наладке автоматических устройств контроля и регулирования. - Киев.: Наукова Думка, 1982. - 840 с.

. Кузнецов Е.В. Разработка судовой системы автоматического управления: Методическое пособие к курсовому проекту по дисциплине "Теория автоматического управления". - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2007. - 83 с.

. Кузнецов Е.В. Программа расчета амплитудно-фазовых частотных характеристик по передаточным функциям. - Новороссийск: МГА им. адм. Ф. Ф. Ушакова, 2007.